德氏乳杆菌基因组尺度代谢网络模型的构建与模拟计算

【摘要】： 基因组尺度代谢网络模型的构建技术的产生是后基因组时代各种组学、生物信息学、计算机科学相互结合的必然结果,是目前成熟、有效的从系统角度将生物体内的代谢网络用数学方式表达并进行模拟计算的方法,搭建了生物整体生长表型与生物体内各种组分之间的桥梁。目前,有近40种的物种基因组尺度代谢网络模型已经构建完成,并且一些工程菌株的模型已经广泛用于指导代谢工程、药物靶点设计等多个领域。 德氏乳杆菌(Lactobacillus delbrueckii)是工业上常用的乳酸生产菌,在医药领域、食品行业有着广泛的应用。目前菌种的改良多依靠于基因工程和代谢工程技术,这些技术大多都是从局部操作靶点进行改造。基因组尺度代谢网络模型提供了一种科学的系统分析方法,不仅可以深入了解德氏乳杆菌胞内的所有代谢途径,并能根据模型的模拟预测找到提高乳酸产率或降低成本的菌体改造方法,以此来指导代谢工程实验。 本论文结合生物信息学数据库、文献、生化书籍等信息渠道,以VBA语言为工具自动生成GPR关系后,对网络进行人工修正,得到初步的网络模型。之后在MATLAB平台上利用COBRA工具包,用线性规划软件glpk,采用FBA算法对网络模型进行数学转化和计算,根据结果调试修正模型。最终得到能够比较准确地模拟出已知德氏乳杆菌生长表型的网络模型。本论文在这个模型基础上进行了最大生长速率模拟、乳酸生产速率模拟、鲁棒性分析、表型相平面分析、单/双基因敲除实验等。由结果得出乳酸产率约1.84 mol乳酸/mol乳糖;微量氧气对德氏乳杆菌的表型总体影响不大,能小幅度刺激生长速率加快,过量氧气会在细胞内产生氧压力,造成菌体生长以及乳酸产率降低等结论。