預(yù)測(cè)影響特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)量關(guān)鍵反應(yīng)的通量域比較方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種預(yù)測(cè)影響特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)量關(guān)鍵反應(yīng)的通量域比較方法，其特征在于該方法由兩次計(jì)算，一次比較、一次排序組成。它是利用通量域的比較，對(duì)提高特定代謝產(chǎn)物合成量的關(guān)鍵反應(yīng)及其對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)量的影響進(jìn)行計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)，從而有針對(duì)性的指導(dǎo)生物實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。本發(fā)明同時(shí)也公開了所述的方法在草芽孢桿菌在最小培養(yǎng)基上進(jìn)行核黃素生產(chǎn)中的應(yīng)用。本發(fā)明可應(yīng)用于任何具有基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)的物種，以及模擬預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算能力范圍內(nèi)的任何產(chǎn)品，特別對(duì)于基因序列尚不明確的代謝工程菌具有很好的指導(dǎo)意義。
【專利說明】預(yù)測(cè)影響特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)量關(guān)鍵反應(yīng)的通量域比較方法
[0001]本申請(qǐng)得到國(guó)家自然科學(xué)基金(N0.21106095)和天津師范大學(xué)引進(jìn)人才基金課題的資助。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于生物信息學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及預(yù)測(cè)影響特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)量關(guān)鍵反應(yīng)的通量域比較方法。
【背景技術(shù)】
[0003]目前，國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究中，已經(jīng)構(gòu)建的基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型超過100個(gè)，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)模擬方法主要針對(duì)野生型物種通過最優(yōu)化的方法(如通量平衡分析)進(jìn)行模擬和分析。分析的方法包括:
(1)特定產(chǎn)物產(chǎn)量最大化時(shí)物種內(nèi)部各反應(yīng)的通量分布，即以特定產(chǎn)物的合成反應(yīng)為目標(biāo)函數(shù)，在給定的培養(yǎng)基條件下，計(jì)算代謝網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)反應(yīng)的通量值；
(2)通過單基因敲除預(yù)測(cè)必需基因，即在其他參數(shù)設(shè)定不變的情況下，將單個(gè)基因?qū)?yīng)的反應(yīng)通量設(shè)定為0，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的值，目標(biāo)函數(shù)值為O則該單個(gè)基因?yàn)楸匦杌?，目?biāo)函數(shù)不為O則該單個(gè)基因?yàn)榉潜匦杌颍?br> (3)魯棒性分析，即分析單個(gè)反應(yīng)的流量變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)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(wěn)態(tài)空間中，對(duì)每個(gè)反應(yīng)都做兩次優(yōu)化，分別求出最大值和最小值。用最大和最小值之間的區(qū)間大小來度量反應(yīng)的可變性。
[0005]然而，在很多應(yīng)用最優(yōu)化算法的方法中，由于最優(yōu)化算法本身的結(jié)果不具有唯一性，因而根據(jù)一次計(jì)算的結(jié)果對(duì)反應(yīng)通量進(jìn)行分析具有很大的特殊性和片面性。其次，現(xiàn)有方法僅局限于針對(duì)野生型物種的分析，沒有將野生型物種與優(yōu)化菌種的模擬相結(jié)合，因而難以產(chǎn)生對(duì)物種改造策略有實(shí)際指導(dǎo)意義的預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0006]本發(fā)明人于2012年申請(qǐng)了(申請(qǐng)?zhí)?201210099321.2)基于基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型的代謝工程設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)方法專利，隨著實(shí)驗(yàn)的不斷進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，此專利申請(qǐng)僅考慮了單次通量平衡分析的結(jié)果，而沒有對(duì)通量域內(nèi)的其他最優(yōu)解進(jìn)行分析，并且沒有對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行排序，因而本專利利用通量域的比較進(jìn)一步完善了上一個(gè)專利的內(nèi)容，并且對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了排序，從而對(duì)生物實(shí)驗(yàn)提供更具有指導(dǎo)意義的模擬結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供的方法引入了通量域比較的方式，并將野生型物種的生長(zhǎng)狀態(tài)與優(yōu)化型工程物種相結(jié)合，能夠針對(duì)特定代謝產(chǎn)物，得到與提高其產(chǎn)量密切相關(guān)的關(guān)鍵反應(yīng)，從而對(duì)生物實(shí)驗(yàn)及工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)生實(shí)際的指導(dǎo)價(jià)值。該方法將代謝網(wǎng)絡(luò)模型用于對(duì)物種改進(jìn)的計(jì)算和預(yù)測(cè)，對(duì)于生物實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了如下的技術(shù)內(nèi)容:
一種預(yù)測(cè)影響特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)量關(guān)鍵反應(yīng)的通量域比較方法，其特征在于該方法由兩次計(jì)算，一次比較、一次排序組成，按如下的步驟進(jìn)行:
(O計(jì)算野生型目標(biāo)物種自然生長(zhǎng)狀態(tài)的通量域:
首先采用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算生物量合成速率的最大值，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:根據(jù)已知的目標(biāo)物種的培養(yǎng)條件及表型，將模型中培養(yǎng)基組成、溶氧、目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量、其他副產(chǎn)物產(chǎn)量按照實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行相同的設(shè)置；目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為生物量合成反應(yīng)，計(jì)算得到生物量合成速率最優(yōu)值f ;
之后，采用通量可變性分析的方法，得到野生型物種的代謝網(wǎng)絡(luò)通量域分布，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:將生物量合成反應(yīng)的速率設(shè)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(jì)算得到兩個(gè)向量\>和Vw _，其中Vw min表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Vw max表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計(jì)算所得的通量下限與通量上限組成的區(qū)域即為野生型物種的代謝通量域分布；
(2)模擬優(yōu)化型物種的生長(zhǎng)狀態(tài):
第一，采用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算生物量合成速率的最大值，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:根據(jù)已知的目標(biāo)物種的培養(yǎng)條件及表型，將模型中培養(yǎng)基組成、溶氧按照實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行相同的設(shè)置，而對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量和其他副產(chǎn)物的產(chǎn)量不作限制，生物量合成反應(yīng)的通量設(shè)置為步驟(I)中生物量合成反應(yīng)的最優(yōu)值f，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為特定代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，進(jìn)行第二次模擬，計(jì)算得到特定產(chǎn)物產(chǎn)量的最大值P ;
第二，采用通量可變性分析的方法，得到優(yōu)化型物種的代謝網(wǎng)絡(luò)通量域分布，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:將特定代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量設(shè)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(jì)算得到兩個(gè)向量Ve min和Ve _，其中Ve min表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Ve max表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計(jì)算所得的通量下限與通量上限組成的區(qū)域即為優(yōu)化型物種的代謝通量域分布；
(3)—次比較:將兩次計(jì)算的通量域進(jìn)行比較，確定優(yōu)化型與野生型之間反應(yīng)通量域的不同，從而確定將實(shí)驗(yàn)型改造成優(yōu)化型所需進(jìn)行的代謝工程改造，進(jìn)而制定相應(yīng)的濕實(shí)驗(yàn)策略，比較及預(yù)測(cè)方法如下:
對(duì)于代謝網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)反應(yīng)，
【權(quán)利要求】
1.一種預(yù)測(cè)影響特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)量關(guān)鍵反應(yīng)的通量域比較方法，其特征在于該方法由兩次計(jì)算，一次比較、一次排序組成，按如下的步驟進(jìn)行:(O計(jì)算野生型目標(biāo)物種自然生長(zhǎng)狀態(tài)的通量域:首先采用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算生物量合成速率的最大值，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:根據(jù)已知的目標(biāo)物種的培養(yǎng)條件及表型，將模型中培養(yǎng)基組成、溶氧、目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量、其他副產(chǎn)物產(chǎn)量按照實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行相同的設(shè)置；目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為生物量合成反應(yīng)，計(jì)算得到生物量合成速率最優(yōu)值f;之后，采用通量可變性分析的方法，得到野生型物種的代謝網(wǎng)絡(luò)通量域分布，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:將生物量合成反應(yīng)的速率設(shè)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(jì)算得到兩個(gè)向量\>和Vw _，其中Vw min表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Vwmax表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計(jì)算所得的通量下限與通量上限組成的區(qū)域即為野生型物種的代謝通量域分布；(2)模擬優(yōu)化型物種的生長(zhǎng)狀態(tài):第一，采用通量平衡分析的方法，利用已知的基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算生物量合成速率的最大值，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:根據(jù)已知的目標(biāo)物種的培養(yǎng)條件及表型，將模型中培養(yǎng)基組成、溶氧按照實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行相同的設(shè)置，而對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量和其他副產(chǎn)物的產(chǎn)量不作限制，生物量合成反應(yīng)的通量設(shè)置為步驟(I)中生物量合成反應(yīng)的最優(yōu)值f，目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為特定代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，進(jìn)行第二次模擬，計(jì)算得到特定產(chǎn)物產(chǎn)量的最大值P ;第二，采用通量可變性分析的方法，得到優(yōu)化型物種的代謝網(wǎng)絡(luò)通量域分布，計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置方法如下:將特定代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量設(shè)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(jì)算得到兩個(gè)向量Ve min和Ve _，其中Ve min表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最小值(即通量下限)組成的向量，Ve max表示代謝網(wǎng)絡(luò)中各反應(yīng)通量值的最大值(即通量上限)組成的向量；計(jì)算所得的通量下限與通量上限組成的區(qū)域即為優(yōu)化型物種的代謝通量域分布；(3)—次比較:將兩次計(jì)算的通量域進(jìn)行比較，確定優(yōu)化型與野生型之間反應(yīng)通量域的不同，從而確定將實(shí)驗(yàn)型改造成優(yōu)化型所需進(jìn)行的代謝工程改造，進(jìn)而制定相應(yīng)的濕實(shí)驗(yàn)策略，比較及預(yù)測(cè)方法如下:對(duì)于代謝網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)反應(yīng)，
2.權(quán)利要求書I所述方法在制備枯草芽孢桿菌在最小培養(yǎng)基上進(jìn)行核黃素生產(chǎn)中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】G06F19/18GK103440435SQ201310361363
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】孫金生, 郝彤 申請(qǐng)人:天津師范大學(xué)