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基于图论和约束优化的异源代谢途径设计方法及应用

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生物工程学报 2022年第4期38卷 1390-1407页

作者：余文童袁倩倩马红武王智文天津大学化工学院天津300350 中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心天津300308

构建高产高附加值产品的微生物细胞工厂是代谢工程的研究目标之一,设计高效的产品合成途径是实现这一目标的重要方式。不同微生物底盘因其代谢能力有所差异,故而可以利用的底物和生产的产品范围有限。为了扩大其生产能力,需要进行代谢... 详细信息

构建高产高附加值产品的微生物细胞工厂是代谢工程的研究目标之一,设计高效的产品合成途径是实现这一目标的重要方式。不同微生物底盘因其代谢能力有所差异,故而可以利用的底物和生产的产品范围有限。为了扩大其生产能力,需要进行代谢途径从无到有的设计。传统代谢工程基于经验进行异源途径设计的方式低效且无法确保结果的全面性,而系统生物学技术的蓬勃发展,为途径设计提供了新的方法。异源代谢途径设计方法主要包括基于图论的途径设计和基于约束优化的途径设计,这些方法利用包含丰富代谢反应信息的数据库,通过图论搜索策略或约束算法,计算出多条产品合成途径,进而筛选出最优途径指导菌株改造。本文将对途径设计所依赖的数据库、途径设计算法及其在代谢工程中的应用进行详细介绍,并讨论现有算法在实际应用中存在的不足和挑战,为研究者选择不同方法进行产品合成途径设计提供指导。

关键词：途径设计代谢网络代谢工程图论方法约束方法

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数字细胞模型的研究及应用

生物工程学报 2022年第11期38卷 4146-4161页

作者：袁倩倩毛志涛杨雪廖小平马红武中国科学院天津工业生物技术研究所天津300308 国家合成生物技术创新中心天津300308 中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心天津300308

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重... 详细信息

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。

关键词：数字细胞基因组尺度代谢网络途径设计多约束模型代谢工程

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麦角硫因生物合成研究的新进展

生物工程学报 2022年第4期38卷 1408-1420页

作者：刘琦毛雨丰廖小平罗家豪马红武姜文侠中国科学院天津工业生物技术研究所天津市工业生物系统与过程工程重点实验室天津300308

麦角硫因是一种独特的细胞生理保护剂,在食品、饮料、化妆品和医药等行业具有广阔的应用前景。生物合成法是麦角硫因制备方法的研究热点。文中介绍了近年来在麦角硫因生物合成途径的鉴定、生物合成关键酶的挖掘、天然可食用菌种以及高... 详细信息

麦角硫因是一种独特的细胞生理保护剂,在食品、饮料、化妆品和医药等行业具有广阔的应用前景。生物合成法是麦角硫因制备方法的研究热点。文中介绍了近年来在麦角硫因生物合成途径的鉴定、生物合成关键酶的挖掘、天然可食用菌种以及高产工程菌的开发等方面取得的新进展,以期从分子层面深入认识麦角硫因生物合成的调控机制,进而利用发酵工程、代谢工程和合成生物学的新技术大幅度提升麦角硫因的生物合成水平。

关键词：麦角硫因生物合成天然蕈菌发酵工程代谢工程

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刍议核心素养下的高中数学课堂有效提问策略

刍议核心素养下的高中数学课堂有效提问策略

教育理论研究与创新网络总结年会

作者：马红武甘肃省金昌市第一中学

随着新课程标准改革的推进,使得我国教师的教学理念都有所转变,将教学课堂不仅仅当成一个传授学科知识的场地,而是将教学作为启发和引导学生创新思维,开发学生学习潜力,激发学生学习主动性的一个有效途径。而课堂提问在教学活动中发挥... 详细信息

随着新课程标准改革的推进,使得我国教师的教学理念都有所转变,将教学课堂不仅仅当成一个传授学科知识的场地,而是将教学作为启发和引导学生创新思维,开发学生学习潜力,激发学生学习主动性的一个有效途径。而课堂提问在教学活动中发挥着重要的作用,是集中学生学习注意力,调动学生学习积极性的方法,是促进教师与学生友好关系建立的手段,是培养学生独立思考能力的载体。所以,本文将从核心素养下高中数学课堂提问的重要性、存在的问题和有效策略三个方面进行分析和论述。

关键词：核心素养高中数学课堂提问策略

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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基于图论的代谢网络中流通代谢物处理新方法

生物工程学报 2022年第4期38卷 1554-1564页

作者：高雅杰袁倩倩杨雪毛志涛余文童刘浩 Igor Goryanin 马红武天津科技大学生物工程学院天津300457 中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心天津300308 University of Edinburgh School of InformaticsEdinburghUK

使用图论方法对基因组尺度代谢网络进行途径搜索是目前途径设计中最常用的方法之一。然而,由于流通代谢物(如H^(+)、H_(2)O、CO_(2)和ATP等)的影响,图论搜索得到的途径在生物学上经常是不可行的。虽然前人提出了一些方法对流通代谢物进... 详细信息

使用图论方法对基因组尺度代谢网络进行途径搜索是目前途径设计中最常用的方法之一。然而,由于流通代谢物(如H^(+)、H_(2)O、CO_(2)和ATP等)的影响,图论搜索得到的途径在生物学上经常是不可行的。虽然前人提出了一些方法对流通代谢物进行处理,但均存在一些问题,目前还没有标准的处理方法。文中基于流通代谢物在反应中作为转移磷酸等功能基团转移载体的特性,提出了一种对流通代谢物成对处理的方法,并将其按照其在功能基团转移中发挥的作用进行优先级排序,以保证每个反应都有对应的代谢物连接,进而通过程序实现自动化处理。与已有其他方法处理结果的比较表明,这种流通代谢物成对排序处理的方法可以排除掉生物学不可行的途径,从而提高途径搜索的准确性,为利用图论方法进行途径设计和可视化提供更好的支撑。

关键词：代谢网络模型图论方法流通代谢物途径分析

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多约束代谢网络模型的研究进展

生物工程学报 2022年第2期38卷 531-545页

作者：杨雪张培基毛志涛赵欣王若宇蔡敬一王智文马红武天津大学化工学院天津300350 中国科学院天津工业生物技术研究所生物设计中心天津300308 中国科学院大学北京100049

基于约束的基因组尺度代谢网络模型(genome-scale metabolic models,GEMs)分析已被广泛应用于代谢表型的预测。而实际细胞中代谢速率除计量学约束外,还受到酶资源可用性和反应热力学可行性等其他因素影响,在GEMs中整合酶资源约束或者热... 详细信息

基于约束的基因组尺度代谢网络模型(genome-scale metabolic models,GEMs)分析已被广泛应用于代谢表型的预测。而实际细胞中代谢速率除计量学约束外,还受到酶资源可用性和反应热力学可行性等其他因素影响,在GEMs中整合酶资源约束或者热力学约束构建多约束代谢网络模型可以进一步缩小优化解空间,提升细胞表型预测的准确性。文中主要对近年来多约束模型的研究进展进行了综述,介绍了不同多约束模型的构建方法,以及其在研究基因敲除影响、预测可行途径和提供代谢瓶颈信息等方面的应用。将多种约束条件进一步与代谢模型整合,可更准确地预测细胞代谢的瓶颈和关键调控改造靶点,从而为工业菌种代谢工程改造提供精确的设计指导。

关键词：基因组尺度代谢网络模型酶约束热力学约束多约束模型关键酶瓶颈反应

结合元素组成数据进行细胞生长过程代谢通量分析

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化工学报 2002年第8期53卷 847-852页

作者：马红武赵学明郭晓峰鲁晋天津大学化工学院生物工程系天津300072

将细胞内的生物大分子合成网络简化为对某些中心代谢系统前体的需求速率 ,由此得到一枯草杆菌生长代谢网络 ,并以其为对象结合文献数据对细胞生长过程的通量分析方法进行了研究 .提出了一种利用碳元素平衡和一般化还原度平衡将细胞的元... 详细信息

将细胞内的生物大分子合成网络简化为对某些中心代谢系统前体的需求速率 ,由此得到一枯草杆菌生长代谢网络 ,并以其为对象结合文献数据对细胞生长过程的通量分析方法进行了研究 .提出了一种利用碳元素平衡和一般化还原度平衡将细胞的元素组成数据与其分子组成数据相结合计算胞内通量分布的最小二乘解的方法 ,可以利用更多的测量数据 ,并保证各测得量间的一致性 ,从而使计算结果更为可靠 .

关键词：代谢通量分析细胞生长过程细胞组成枯草杆菌生物质合成代谢网络细胞元素组成数据

基因组尺度代谢网络自动重构及分析工具研究进展

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生物工程学报 2012年第6期28卷 661-670页

作者：郝彤马红武赵学明天津大学化工学院生物工程系天津300072 教育部系统生物工程重点实验室天津300072 天津大学-爱丁堡大学系统生物学与合成生物学联合研究中心天津300072

高通量数据的产出为基因组尺度代谢网络的构建提供了基础,但同时也对网络构建和分析方法的改进提出了挑战。随着数据量的不断增大,耗时耗力的人工构建及分析已经无法满足模型发展的需要,因而各种自动化的方法应运而生。模型构建和分析... 详细信息

高通量数据的产出为基因组尺度代谢网络的构建提供了基础,但同时也对网络构建和分析方法的改进提出了挑战。随着数据量的不断增大,耗时耗力的人工构建及分析已经无法满足模型发展的需要,因而各种自动化的方法应运而生。模型构建和分析的自动化不仅能够大幅度提高模型构建和解析的速度,同时对于模型构建和分析方法的标准化和程序化也有着不可替代的作用。文中结合作者的实际研究经验,对基因组尺度代谢网络构建的自动化进程和主要的代谢网络分析工具进行了较为详细的介绍,总结了代谢网络自动重构的流程,并提出了目前面对的主要问题和未来的研究方向。

关键词：基因组尺度代谢网络自动重构网络分析

一种基于代谢网络分析最小化基因组的方法及其在大肠杆菌中的应用

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生物工程学报 2013年第8期29卷 1173-1184页

作者：汤彬彩郝彤袁倩倩陈涛马红武天津大学化工学院生物工程系天津300072 天津大学教育部系统生物工程重点实验室天津300072 天津师范大学生命科学学院天津300387 中国科学院天津工业生物技术研究所中国科学院系统微生物技术重点实验室天津300308

最小生命体的合成是合成生物学研究的重要方向。最小化基因组的同时而又不对细胞生长产生影响是代谢工程研究的一个重要目标。文中提出了一种从基因组尺度代谢网络模型出发,通过零通量反应删除及对非必需基因组合删除计算获得基因组最... 详细信息

最小生命体的合成是合成生物学研究的重要方向。最小化基因组的同时而又不对细胞生长产生影响是代谢工程研究的一个重要目标。文中提出了一种从基因组尺度代谢网络模型出发,通过零通量反应删除及对非必需基因组合删除计算获得基因组最小化代谢网络模型的方法,利用该方法简化了大肠杆菌经典代谢网络模型iAF1260,由起始的1 260个基因简化得到了312个基因,而最优生物质生成速率保持不变。基因组最小化代谢网络模型预测了在细胞正常生长的前提下包含最少基因的代谢途径,为大肠杆菌获得最小基因组的湿实验设计提供了重要参考。

关键词：基因组尺度代谢网络基因组最小化组合算法大肠杆菌