預測影響特定代謝產物產量關鍵反應的通量域比較方法

2023-10-08 21:56:14 1

預測影響特定代謝產物產量關鍵反應的通量域比較方法
【專利摘要】本發明公開了一種預測影響特定代謝產物產量關鍵反應的通量域比較方法，其特徵在於該方法由兩次計算，一次比較、一次排序組成。它是利用通量域的比較，對提高特定代謝產物合成量的關鍵反應及其對產物產量的影響進行計算機預測，從而有針對性的指導生物實驗的進行。本發明同時也公開了所述的方法在草芽孢桿菌在最小培養基上進行核黃素生產中的應用。本發明可應用於任何具有基因組尺度代謝網絡的物種，以及模擬預測網絡模型計算能力範圍內的任何產品，特別對於基因序列尚不明確的代謝工程菌具有很好的指導意義。
【專利說明】預測影響特定代謝產物產量關鍵反應的通量域比較方法
[0001]本申請得到國家自然科學基金(N0.21106095)和天津師範大學引進人才基金課題的資助。
【技術領域】
[0002]本發明屬於生物信息學【技術領域】，涉及預測影響特定代謝產物產量關鍵反應的通量域比較方法。
【背景技術】
[0003]目前，國際國內的研究中，已經構建的基因組尺度代謝網絡模型超過100個，現有的計算機模擬方法主要針對野生型物種通過最優化的方法(如通量平衡分析)進行模擬和分析。分析的方法包括:
(1)特定產物產量最大化時物種內部各反應的通量分布，即以特定產物的合成反應為目標函數，在給定的培養基條件下，計算代謝網絡中各個反應的通量值；
(2)通過單基因敲除預測必需基因，即在其他參數設定不變的情況下，將單個基因對應的反應通量設定為0，計算目標函數的值，目標函數值為O則該單個基因為必需基因，目標函數不為O則該單個基因為非必需基因；
(3)魯棒性分析，即分析單個反應的流量變化對目標函數最優值的影響。
[0004](4)通量可變性分析，通量可變性分析在給定的穩態空間中，對每個反應都做兩次優化，分別求出最大值和最小值。用最大和最小值之間的區間大小來度量反應的可變性。
[0005]然而，在很多應用最優化算法的方法中，由於最優化算法本身的結果不具有唯一性，因而根據一次計算的結果對反應通量進行分析具有很大的特殊性和片面性。其次，現有方法僅局限於針對野生型物種的分析，沒有將野生型物種與優化菌種的模擬相結合，因而難以產生對物種改造策略有實際指導意義的預測結果。
[0006]本發明人於2012年申請了(申請號:201210099321.2)基於基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法專利，隨著實驗的不斷進行發現，此專利申請僅考慮了單次通量平衡分析的結果，而沒有對通量域內的其他最優解進行分析，並且沒有對預測結果進行排序，因而本專利利用通量域的比較進一步完善了上一個專利的內容，並且對預測結果進行了排序，從而對生物實驗提供更具有指導意義的模擬結果。

【發明內容】

[0007]本發明提供的方法引入了通量域比較的方式，並將野生型物種的生長狀態與優化型工程物種相結合，能夠針對特定代謝產物，得到與提高其產量密切相關的關鍵反應，從而對生物實驗及工業生產的實驗設計產生實際的指導價值。該方法將代謝網絡模型用於對物種改進的計算和預測，對於生物實驗和工業生產具有重要的指導意義。
[0008]為實現上述目的，本發明公開了如下的技術內容:
一種預測影響特定代謝產物產量關鍵反應的通量域比較方法，其特徵在於該方法由兩次計算，一次比較、一次排序組成，按如下的步驟進行:
(O計算野生型目標物種自然生長狀態的通量域:
首先採用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網絡模型，計算生物量合成速率的最大值，計算時參數設置方法如下:根據已知的目標物種的培養條件及表型，將模型中培養基組成、溶氧、目標產物產量、其他副產物產量按照實驗條件進行相同的設置；目標函數設定為生物量合成反應，計算得到生物量合成速率最優值f ;
之後，採用通量可變性分析的方法，得到野生型物種的代謝網絡通量域分布，計算時參數設置方法如下:將生物量合成反應的速率設定為上一步驟中得到的最大值f，其它條件與上一步驟相同，計算得到兩個向量\>和Vw _，其中Vw min表示代謝網絡中各反應通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Vw max表示代謝網絡中各反應通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計算所得的通量下限與通量上限組成的區域即為野生型物種的代謝通量域分布；
(2)模擬優化型物種的生長狀態:
第一，採用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網絡模型，計算生物量合成速率的最大值，計算時參數設置方法如下:根據已知的目標物種的培養條件及表型，將模型中培養基組成、溶氧按照實驗條件進行相同的設置，而對目標產物產量和其他副產物的產量不作限制，生物量合成反應的通量設置為步驟(I)中生物量合成反應的最優值f，目標函數設定為特定代謝產物的產量，進行第二次模擬，計算得到特定產物產量的最大值P ;
第二，採用通量可變性分析的方法，得到優化型物種的代謝網絡通量域分布，計算時參數設置方法如下:將特定代謝產物的產量設定為上一步驟中得到的最大值P，其它條件與上一步驟相同，計算得到兩個向量Ve min和Ve _，其中Ve min表示代謝網絡中各反應通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Ve max表示代謝網絡中各反應通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計算所得的通量下限與通量上限組成的區域即為優化型物種的代謝通量域分布；
(3)—次比較:將兩次計算的通量域進行比較，確定優化型與野生型之間反應通量域的不同，從而確定將實驗型改造成優化型所需進行的代謝工程改造，進而制定相應的溼實驗策略，比較及預測方法如下:
對於代謝網絡中的每一個反應，
【權利要求】
1.一種預測影響特定代謝產物產量關鍵反應的通量域比較方法，其特徵在於該方法由兩次計算，一次比較、一次排序組成，按如下的步驟進行:(O計算野生型目標物種自然生長狀態的通量域:首先採用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網絡模型，計算生物量合成速率的最大值，計算時參數設置方法如下:根據已知的目標物種的培養條件及表型，將模型中培養基組成、溶氧、目標產物產量、其他副產物產量按照實驗條件進行相同的設置；目標函數設定為生物量合成反應，計算得到生物量合成速率最優值f;之後，採用通量可變性分析的方法，得到野生型物種的代謝網絡通量域分布，計算時參數設置方法如下:將生物量合成反應的速率設定為上一步驟中得到的最大值f，其它條件與上一步驟相同，計算得到兩個向量\>和Vw _，其中Vw min表示代謝網絡中各反應通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Vwmax表示代謝網絡中各反應通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計算所得的通量下限與通量上限組成的區域即為野生型物種的代謝通量域分布；(2)模擬優化型物種的生長狀態:第一，採用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網絡模型，計算生物量合成速率的最大值，計算時參數設置方法如下:根據已知的目標物種的培養條件及表型，將模型中培養基組成、溶氧按照實驗條件進行相同的設置，而對目標產物產量和其他副產物的產量不作限制，生物量合成反應的通量設置為步驟(I)中生物量合成反應的最優值f，目標函數設定為特定代謝產物的產量，進行第二次模擬，計算得到特定產物產量的最大值P ;第二，採用通量可變性分析的方法，得到優化型物種的代謝網絡通量域分布，計算時參數設置方法如下:將特定代謝產物的產量設定為上一步驟中得到的最大值P，其它條件與上一步驟相同，計算得到兩個向量Ve min和Ve _，其中Ve min表示代謝網絡中各反應通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Ve max表示代謝網絡中各反應通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計算所得的通量下限與通量上限組成的區域即為優化型物種的代謝通量域分布；(3)—次比較:將兩次計算的通量域進行比較，確定優化型與野生型之間反應通量域的不同，從而確定將實驗型改造成優化型所需進行的代謝工程改造，進而制定相應的溼實驗策略，比較及預測方法如下:對於代謝網絡中的每一個反應，
2.權利要求書I所述方法在製備枯草芽孢桿菌在最小培養基上進行核黃素生產中的應用。
【文檔編號】G06F19/18GK103440435SQ201310361363
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】孫金生, 郝彤 申請人:天津師範大學