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《江南大学》 2012年
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基于智能计算的微生物代谢网络与耐热性的关系研究

王文超  
【摘要】:由于嗜热菌对高温环境有很强的适应性,近些年来其产生的耐热酶在工业生产中得到了广泛的应用。目前,对嗜热菌热稳定性影响因素的研究,主要集中在基因组的分析及其耐热酶的结构分析上。为了从系统水平上阐明嗜热菌的耐热机制,加深对微生物耐热性影响因素的理解,并指导嗜热菌在工业上的进一步应用,本文以微生物的整个代谢网络作为研究对象,通过分析微生物代谢网络的拓扑结构特征并对代谢网络进行模块化和比对,从而从系统角度研究嗜热菌耐热性的影响因素。 要对代谢网络的拓扑结构和功能进行分析首要任务是重构代谢网络。首先将KEGG与DSMZ相结合,提取样本的生物代谢路径信息及网络重构需要的其他数据信息。本文构建了两种类型的代谢网络,一种为路径相互作用网络,它以路径为节点,路径间的相互作用为边。第二种为代谢物图,去掉通用代谢物,以代谢物为节点,相对应的代谢反应为边。 之后,使用NetworkX计算得出样本生物代谢网络的22个常用的网络拓扑属性值,使用因子分析法筛选得到11个影响微生物耐热性的主要因素。然后,以这11个网络特征属性为特征向量,分别用遗传算法、粒子群优化算法和网格搜索算法优化最小二乘支持向量机的参数,从而构建支持向量机分类器对影响微生物耐热性的关键因素做进一步的分析,最终确定簇大小分布的平均信息等11个因素是代谢网络方面影响微生物耐热性的关键因素。 然后,为了进一步了解微生物代谢网络的功能结构,分别使用蝴蝶结结构、层次聚类、“成分”定义和Girvan-Newman算法对样本生物的代谢网络进行模块化。通过分析发现常温菌的代谢网络比嗜热菌的要复杂,但是嗜热菌的代谢网络内部模块的紧密度高于常温菌。 最后,为了寻找常温菌与嗜热菌代谢网络结构上的差异,本文使用微生物的代谢网络与随机网络模型进行比对,发现嗜热菌的代谢网络与ER模型和STICKY模型非常相似,而常温菌的代谢网络与GEDGD模型更接近。通过GRRAL和MI-GRRAL方法对常温菌和嗜热菌的代谢网络进行比对,发现影响微生物耐热性的节点属于网络中的一小部分的非hub节点。 根据本文选定的11个代谢网络特征属性为影响微生物耐热性的关键因素,而对微生物的代谢网络进行模块化有助于发现嗜热菌与常温菌的不同功能模块,根据知识转移的需要进行网络比对,结果可以进一步确定影响嗜热菌的关键网络节点,为实验法确定微生物耐热的机制提供理论参考。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TP18;Q93

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【参考文献】
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