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基于酶约束的代谢网络模型研究进展及其应用

生物工程学报 2019年第10期35卷 1914-1924页

作者：赵欣杨雪毛志涛马红武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中国科学院大学

基因组尺度代谢网络模型已经成功地应用于指导代谢工程改造,但由于传统通量平衡分析法仅考虑化学计量学和反应方向约束,模拟得到的是理论最优结果,对一些现象如代谢溢流、底物层级利用等无法准确描述。近年来人们通过在代谢网络模型中... 详细信息

基因组尺度代谢网络模型已经成功地应用于指导代谢工程改造,但由于传统通量平衡分析法仅考虑化学计量学和反应方向约束,模拟得到的是理论最优结果,对一些现象如代谢溢流、底物层级利用等无法准确描述。近年来人们通过在代谢网络模型中引入新的蛋白量、热力学等约束发展了新的约束优化计算方法,可以更准确真实地模拟细胞在不同条件下的代谢行为。文中主要对近年来提出的多种酶约束模型进行评述,对酶约束引入的基本思路、酶约束的数学方程表示及优化目标设定、引入酶约束后对代谢通量计算结果的影响及酶约束模型在代谢工程菌种改造中的应用等进行了全面深入的介绍,并提出了已有各种方法存在的主要问题,展望了相关方法的未来发展方向。通过引入新的约束,代谢网络模型能够更精确模拟和预测细胞在环境和基因扰动下的代谢行为,为代谢工程菌种改造提供更准确可靠的指导。

关键词：酶约束代谢网络模型代谢工程酶动力学热力学

Lactococcus lactis NZ9000代谢网络模型的构建及分析

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Lactococcus lactis NZ9000代谢网络模型的构建及分析

作者：孙伟康江南大学

学位级别：硕士

随着后基因组时代的到来,工业微生物的代谢工程改造在工业生产上发挥着越来越重要的作用。基因组规模代谢网络模型（Genome-scale metabolic model,GSMM）将生物体内所有已知的代谢信息进行整合,为全局理解生物体的代谢状态和理性指导... 详细信息

随着后基因组时代的到来,工业微生物的代谢工程改造在工业生产上发挥着越来越重要的作用。基因组规模代谢网络模型（Genome-scale metabolic model,GSMM）将生物体内所有已知的代谢信息进行整合,为全局理解生物体的代谢状态和理性指导代谢工程改造提供了良好的平台。本研究以乳酸乳球菌NZ9000作为目标菌株,通过构建其特有的GSMM对其生理特性和代谢能力进行分析,以期为全局掌握L.lactis NZ9000的胞内代谢机制和指导该模式菌株的代谢工程理性改造提供新工具。主要研究内容如下:（1）依据最新公布的L.lactis NZ9000的全基因组序列,使用基因组功能注释和比较基因组学相结合的半自动构建方法,基于MATLAB平台完成了L.lactis NZ9000的基因组规模代谢网络模型i WK560的构建。模型iWK560包含560个基因,668个代谢物,840个反应。基因覆盖率达到23.89%,840个反应分别分布于细胞内和细胞外两个区间,其中有明确基因关联的反应有638个,占比76%。（2）对模型进行性能参数验证。经碳源利用能力分析发现,L.lactis NZ9000可利用16种碳源作为底物进行生长,且模型预测与实验的吻合率为100%,说明模型对碳源底物利用预测的准确性。氨基酸利用能力验证发现,菌株在精氨酸、组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸和丝氨酸缺失情况下无法生长,且模型预测结果与实验结果一致,说明模型对氨基酸代谢计算的准确性。基于CDM培养基,分别利用分批发酵实验及不同稀释率下的恒化实验数据对i WK560的性能参数进行验证,模型模拟计算的平均偏差小于5%,表明模型对于菌株生长和产物合成预测的准确性。以上分析验证表明,i WK560能够准确预测菌株的生长和产物生成,反映细胞的真实生理状态,可作为代谢工程改造及发酵优化的指导工具。（3）基于模型iWK560进行生理功能分析。（i）对模型的特征进行解析,并将其与其他乳酸菌模型进行比对;（ii）通过模拟基因敲除预测了三种不同培养基条件下（MS15、CDM、M17）的必需基因与必需反应,必需基因数量分别为88个、62个和54个,必需反应数量分别为189个、137个和135个,并对其代谢亚系统分布进行了分析;（iii）基于模型利用多因素缺失和单因素添加对菌株的营养物质吸收进行解析,并将其应用于合成培养基优化,使得生物量提高了100.19%;（iv）对模型的中心碳代谢网络进行分析,结果表明单糖类碳源底物更有利于菌株的吸收生长;（v）利用FVA算法对菌株作为细胞工厂合成不同产物的能力进行了分析,研究表明野生型菌株较适于生产丙酮酸衍生产物,且乙酰辅酶A及乙酰乳酸衍生物也具有较大潜力。（4）以（S,S）-2,3-丁二醇（S-BDO）为目标产物进行了代谢途径分析与发酵策略优化。（i）对S-BDO的代谢途径进行了解析和验证,并通过代谢流分析得到了S-BDO合成过程中的三个代谢节点和8个代谢改造靶点;（ii）研究了维生素、氨基酸添加及pH变化对产物合成和细胞生长的影响,其中乳清酸、天冬酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸对产物生成有显著促进作用,且相较于S-BDO的生产,细胞生长对于pH的变化更为敏感,因此通过适当维持弱酸性环境更有利于S-BDO的生成。

关键词：乳酸乳球菌NZ9000 代谢网络模型性能参数验证生理功能分析

解脂耶氏酵母基因组规模代谢网络模型构建及仿真的比较分析

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解脂耶氏酵母基因组规模代谢网络模型构建及仿真的比较分析

作者：徐遇华东理工大学

学位级别：硕士

随着测序技术的日益成熟与各种组学数据的涌现,基因组规模代谢网络模型（GEM）的构建成功将不同代谢数据整合成一个整体,实现了微生物代谢网络特性的全局分析,这使得利用基因组规模代谢网络模型进行相关仿真和分析已成为研究生物体复杂... 详细信息

随着测序技术的日益成熟与各种组学数据的涌现,基因组规模代谢网络模型（GEM）的构建成功将不同代谢数据整合成一个整体,实现了微生物代谢网络特性的全局分析,这使得利用基因组规模代谢网络模型进行相关仿真和分析已成为研究生物体复杂的生理代谢不可或缺的工具。近年来,解脂耶氏酵母作为优异的生产油和脂肪酸衍生化合物的宿主细胞而闻名,且可用于多种有机酸与醇类物质的代谢生产从而得到研究人员的关注。越来越多有关GEM自动构建工具发布后,导致模型发布日益增多,即便同一物种也经常存在多个不同课题组构建出的模型。但由于不同构建者的专业知识与研究方向存在差异,导致即使是同一微生物所构建出的模型也存在较大差异,这使模型使用者对于现有模型的选择感到困惑。因此,本文旨在借助解脂耶氏酵母生长与生产相关实验数据,对已发布的6个解脂耶氏酵母基因组规模代谢网络模型进行多方面仿真并对结果进行比较与分析,发现各课题组模型存在的共同问题,对上述问题进行概括总结以达到更为准确构建基因组规模代谢网络模型的目的。基于解脂耶氏酵母相关实验数据,本文对已发布的解脂耶氏酵母模型进行了多方面仿真,发现并归纳了这些模型的共性问题。当利用生长相关实验数据进行不同模型的比生长速率μ仿真与比较时,我们发现不同模型的μ仿真结果存在差异且造成该差异的原因之一是模型中生物量反应的正确度。通过对每个模型的生物量反应进行校正,我们初步提高了模型的μ仿真结果。此外,通过不同模型的胞内碳代谢流量分析发现一些模型有着不合理的代谢流分布,例如TCA循环与磷酸戊糖途径的碳代谢流量几乎为零。进一步分析发现造成该现象原因是模型中有关通用代谢物的反应可逆性存在较多错误,通过对通用代谢物反应可逆性的校正我们进一步提升了每个模型的仿真准确度。最后我们进行解脂耶氏酵母相关产物比生成速率的仿真,发现不同模型对大部分产物的仿真结果都存在差异,说明产物在不同模型中的代谢途径存在差异。基于上述分析,我们通过检查和修改有效提升了现有解脂耶氏酵母GEM的代谢信息准确度,并为后续模型构建提供了上述这些具体建议。在模型构建的过程中,生物量反应的校正,通用代谢物相关反应可逆性的检查及微生物可分泌产物的仿真验证等过程能够较大程度提升构建模型的准确度及仿真能力,使模型后续的仿真应用结果更为可靠。

关键词：代谢网络模型解脂耶氏酵母胞内流量分布生长与生产仿真

解酯耶氏酵母基因组代谢网络模型重构及仿真应用

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解酯耶氏酵母基因组代谢网络模型重构及仿真应用

作者：魏松松华东理工大学

学位级别：硕士

随着能源短缺和环境污染等问题越来越严重,生物柴油作为一种新型的清洁能源,已逐渐被认为是不可再生资源的替代者。同时,与动植物油脂相比,微生物油脂生产效率高且经济成本低,是生物柴油生产的理想原料。解脂耶氏酵母是一种非常规的油... 详细信息

随着能源短缺和环境污染等问题越来越严重,生物柴油作为一种新型的清洁能源,已逐渐被认为是不可再生资源的替代者。同时,与动植物油脂相比,微生物油脂生产效率高且经济成本低,是生物柴油生产的理想原料。解脂耶氏酵母是一种非常规的油脂模式菌株,其油脂含量能高达细胞干重的50%,而三酰甘油是油脂中的主要成分,因此优化解脂耶氏酵母中三酰甘油的合成途径可以有效提高油脂的产量。近年来,基因组测序水平的提高使得基因组规模代谢网络模型成为系统研究微生物生理特性和代谢机制的重要工具。随着解脂耶氏酵母相关代谢信息的完善,解脂耶氏酵母基因组代谢网络模型也需要进行不断的更新。因此,本文结合数据库和文献报道的最新解脂耶氏酵母信息,并参考较为完善的模型iYali4,对实验室已有的解脂耶氏酵母模型iYL619CP进行了更新和完善,构建了包含645个基因,1083个代谢物和1471个反应的解脂耶氏酵母模型iYL.0,并对其进行特定条件下的细胞生长和底物利用两个方面的精确性验证。此外,本文分别从对产物产量的提高和靶点可行性两方面对基因水平策略和反应水平策略进行了系统比较,表明了基因水平靶点的优越性。最后,基于模型iYL.0,利用实验室开发的三种新型优化算法OptGeneKnock、IdealKnock和APGC分别对解脂耶氏酵母过量生产三酰甘油进行了仿真,三种优化算法一共识别出了 6个敲除基因靶点和6个过表达基因靶点,其中大都与三酰甘油前体供给和消耗、胞内还原力平衡以及细胞的生长相关。同时通过代谢通路分析及参考相关文献,确定了这些潜在改造策略的可行性,从而为代谢工程中解脂耶氏酵母过量生产三酰甘油提供指导。

关键词：解脂耶氏酵母代谢网络模型三酰甘油代谢工程

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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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微生物制造绿色化学品研究进展

化工学报 2023年第1期74卷 1-13页

作者：毕浩然张洋王凯徐晨晨霍奕影陈必强谭天伟北京化工大学生命科学与技术学院北京100029

微生物制造利用生物质和二氧化碳等可再生原料进行化学品的绿色生产,显示出了巨大的二氧化碳减排潜力,是促进实现“碳中和”目标的重要途径,其核心内容之一是高效微生物细胞工厂的设计与构建。综述了基于基因组规模代谢网络模型的代谢... 详细信息

微生物制造利用生物质和二氧化碳等可再生原料进行化学品的绿色生产,显示出了巨大的二氧化碳减排潜力,是促进实现“碳中和”目标的重要途径,其核心内容之一是高效微生物细胞工厂的设计与构建。综述了基于基因组规模代谢网络模型的代谢流分析和代谢途径预测研究进展;介绍了新型基因组编辑工具助力微生物细胞工厂的高效开发;总结了代谢调控策略用于提升细胞工厂生产能力。此外,还概述了微生物制造关键技术在第三代生物制造中的应用。最后,展望了未来微生物制造在化学品生产中的应用和发展方向。

关键词：微生物制造代谢网络模型基因组编辑代谢调控微生物利用

微重力对拟南芥长势影响的代谢网络流平衡分析

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空间科学学报 2022年第5期42卷 941-951页

作者：王芷涵阮耀张青叶张红雨华中农业大学信息学院武汉430070

微重力作为典型的空间环境因素,对植物生长发育的影响机制是空间生命科学的研究热点。微重力环境直接或间接影响植物代谢,并引起许多生理适应。随着系统生物学的发展,代谢网络模型使微重力环境下的植物代谢建模成为可能。采用流平衡分... 详细信息

微重力作为典型的空间环境因素,对植物生长发育的影响机制是空间生命科学的研究热点。微重力环境直接或间接影响植物代谢,并引起许多生理适应。随着系统生物学的发展,代谢网络模型使微重力环境下的植物代谢建模成为可能。采用流平衡分析方法对模式植物拟南芥不同组织的代谢网络进行分析,研究微重力对拟南芥生长发育的影响机制。通过比较空间与地面条件下拟南芥的生物质产量,发现空间条件下拟南芥黄化幼苗、幼苗、芽、根、下胚轴的生物量分别下降了33.00%,51.52%,6.89%,12.53%,11.70%,与空间环境下拟南芥的长势变化趋势一致。代谢通路富集分析发现,微重力使得拟南芥的碳固定等通路下调,而磷酸戊糖途径上调,初步解析了微重力对拟南芥生长发育的影响机制,也验证了流平衡方法用于微重力生物学效应研究中的可行性。

关键词：微重力代谢网络模型流平衡分析

基于代谢分析的SARS-CoV-2药物靶点预测方法

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中国医学物理学杂志 2023年第11期40卷 1433-1440页

作者：赵言龙郑浩然中国科学技术大学计算机科学与技术学院安徽合肥230027

提出一种基于代谢分析的抑制SARS-CoV-2复制的药物靶点预测方法。使用5组基因表达综合数据库(GEO)的人类肺部组织细胞的转录组学数据,提取出SARS-CoV-2入侵宿主细胞后显著高表达的基因,进而重构出病毒入侵肺部组织细胞后的代谢网络模型... 详细信息

提出一种基于代谢分析的抑制SARS-CoV-2复制的药物靶点预测方法。使用5组基因表达综合数据库(GEO)的人类肺部组织细胞的转录组学数据,提取出SARS-CoV-2入侵宿主细胞后显著高表达的基因,进而重构出病毒入侵肺部组织细胞后的代谢网络模型;之后采用基因敲除、毒性测试等系统生物学分析方法来预测药物靶点。对GEO中5个数据集的样本进行分析,结果显示各数据集预测的靶点基因具有一定的一致性。其中,PLPBP是5个数据集中预测的共有靶点基因,说明它对于SARS-CoV-2代谢活动具有重要作用,可作为治疗该疾病的潜在药物靶点;另外,BCAT1、BCAT2、ADI1也具有一定的研究价值。提出的方法为预测SARS-CoV-2的药物靶点提供一种新的思路,预测的药物靶点也具有进一步临床研究的潜力。

关键词： SARS-CoV-2 药物靶点代谢网络模型显著高表达基因

苹果腐烂病原真菌全基因组测序及比较基因组分析

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苹果腐烂病原真菌全基因组测序及比较基因组分析

作者：袁家伟西北农林科技大学

学位级别：硕士

腐烂病是苹果产业中的重大真菌病害,其病原菌主要是子囊菌门的黑腐皮壳菌(Valsa mali)。腐烂病的广泛传播对苹果种植产业造成了严重的经济损失,为了深入探讨V.mali的侵染定植、感染致病及其防治策略,本研究通过V.mali的全基因组测序与... 详细信息

腐烂病是苹果产业中的重大真菌病害,其病原菌主要是子囊菌门的黑腐皮壳菌(Valsa mali)。腐烂病的广泛传播对苹果种植产业造成了严重的经济损失,为了深入探讨V.mali的侵染定植、感染致病及其防治策略,本研究通过V.mali的全基因组测序与比较基因组学分析,结合基因组代谢网络的模型预测,从基因组层面及其相关代谢通路预测着手,分析V.mali的侵染机制和致病机理,旨在为苹果树腐烂病的防治提供理论依据。研究的主要结果包括:1.成功分离出一株苹果树腐烂病菌,采用最大似然法构建系统发育树,初步鉴定为黑腐皮壳菌,将其命名为Valsa mali CCNW1,并通过第三代测序技术,获得了高质量的V.mali基因组序列,组装完成的基因组大小为42.35 Mb,包含有90个Scaffold重叠群,其N50值为1.12 Mb、L50值为13,基因组拼装的完整性评估度为99.2%,表明基因组信息相对完整,可用于后续基因组和比较基因组分析。2.全基因组数据分析表明,V.mali CCNW1中共鉴定出490个碳水化合物酶,其中,与纤维素降解相关的糖苷水解酶家族数量最多(254个)。基因组测序定位的致病基因筛选结果显示,致病效应基因的数量为17个,导致病原致病能力增强的基因数量为95个。抗生素抗性基因挖掘方面,仅鉴定出6个抗生素抗性基因。另外,在编码次级代谢产物的61个核心基因中,发现分泌植物毒素相关的基因数量为15个。3.比较基因组学分析结果发现,分析包括V.mali CCNW1在内的四株腐烂病原菌基因组的38537个直系同源基因差异,发现有30742个基因为四株腐烂病原菌所共有,V.mali CCNW1的特异性直系同源基因含有61个,这些基因编码的功能主要包括氧化还原酶活性、酰基转移酶活性、磷酸泛酰巯基乙胺结合、植物系统获得性抗性和应激反应相关等。通过分析次级代谢产物合成相关的核心基因,发现V.mali CCNW1中含有4个特有的次级代谢基因,主要参与编码环氯素、腐败菌素A、ilicicolin H、萘吡酮等致病毒素。基因组中转运蛋白分布差异表明,药物-质子反转运蛋白(Drug:H+Antiporter-1,DHA1)在腐烂病菌基因组中含量较多,尤其在V.mali CCNW1中的数量最多。对四种腐烂病菌碳水化合物活性酶(CAZymes)进行比较后发现,V.mali CCNW1中存在274个特异性CAZymes基因,V.mali CCNW1与V.pyri共有CAZymes基因的数量最多(112个)。四种腐烂菌中参与蛋白质糖基化的糖基转移酶相关的GT2家族数量比较接近,与木质纤维素降解相关的AA3、AA7家族,在V.mali CCNW1与V.pyri中显著扩张,与果胶降解相关的GH28家族在V.mali CCNW1、V.pyri、V.malicola中显著扩张。4.构建了V.mali CCNW1的全基因组代谢网络模型i VM854,模型共包含854个基因、1504个反应、1098个代谢产物。模拟了模型i VM854对碳源的利用情况,并进一步对i VM854模型进行了基因敲除模拟,以期预测V.mali CCNW1的生长与代谢靶点。通过单基因模拟敲除,共获得214个必需基因;通过双基因模拟敲除,获得了90个必需基因对,这些基因的功能主要集中在辅酶运输与生物合成过程与缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解。反应模拟敲除获得了375个必需反应,必需反应的功能主要集中在细胞氨基酸代谢过程,核苷酸分解代谢过程以及辅酶生物合成过程、脂肪酸的生物合成、萜类骨架生物合成等,在非必需反应中存在与纤维素降解相关的功能。综上,病原菌V.mali CCNW1由于其具有降解植物细胞壁的能力,因此在侵染宿主与获取营养方面表现出一定的能力;另外,病原菌自身还具备病原宿主互作表型的一些基因功能,通过分泌植物毒素、参与氮响应的毒力调控功能等方式途径,以发挥其致病能力。此外,V.mali CCNW1还通过产生一些核心基因编码的特异性次级代谢产物发挥毒性作用。Valsa spp.腐烂病原菌的转运蛋白也与病原菌侵染、生长和致病方面存在一定的联系,基因组代谢网络模型的模拟敲除结果也发现,对V.mali CCNW1生长构成严重威胁的一些必需基因与必需反应,在缺失这些基因与其反应受阻的情况下,V.mali CCNW1无法发挥其正常的生物学功能。本研究在基因组水平层面上,探讨了苹果树腐烂病菌的生物学功能与侵染宿主过程的机理,从而为有效防控苹果树腐烂病提供一定的理论依据。

关键词：病原真菌比较基因组学全基因组测序代谢网络模型