[发明专利]使用绘制代谢物通量总和的生物体改进方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过代谢物通量总和的绘制来改进生物体的方法，更具体涉及一种筛选关键代谢物的方法，所述方法包括：基于有用物质形成率作为主函数，通过摄动影响有用物质产生的其它函数的算法绘出目标函数之间的谱图；通过所述谱图确定所有代谢物的利用(通量总和(Φ))；并筛选显示通量总和(Φ)随着有用物质形成率的增加而增加的关键代谢物。本发明还涉及一种用于改进产生有用物质的生物体的方法，所述方法包括引入和/或扩增与筛选的关键代谢物有关的基因或者将该基因从外部引入生物体的方法。

背景技术

通过使用与基因重组技术有关的分子生物学技术引入新的代谢途径或者消除、放大或者改变已有代谢途径，已经付出了许多努力沿着所需方向改变细胞或者菌株的代谢特性。在新近发展起来并日益被使用的生物信息学的辅助下，每种代谢网络模型的构建成为可能，因此能够改进生物体使其具有各种特性，其包括已有代谢物的过量产生，新代谢物的产生，不利代谢物的产生的抑制，各种底物的利用，非生物可降解化合物的降解。

但是，当前，菌株的改进主要通过一些方法来进行，诸如一种或者两种酶的过量表达或者简单代谢途径的引入或消除，但在许多情况下，结果并不象希望的那样好。另外，代谢改进的菌株很难能够在需要复杂代谢通量变化的物质的生产中使用。已经知道一个原因在于与产生所需的有用物质相比菌株一般更倾向于自身的生长。特别地，由于菌株已经进化，它们可以以以非常优化的方式合成对于菌株本身的生长来说所需的物质，产生特定的有用物质的努力不可避免地与具有生长倾向的这些菌株竞争。

为什么不能达到理论产量的另一个原因在于，复杂的代谢途径不能正确地被理解。特别地，用于操作代谢途径和代谢途径的引入的基因重组技术已经得到了极大的发展，而通过代谢途径进行分析和预测的技术仅仅在近年来随着基因组信息的迅速增加才显示出了可能性。特别地，每种微生物的代谢途径模型与数学模型和优化技术结合，因此其正在变得能够预测在基因消除或增加之后发生的代谢途径反应(Lee等人，Trends Biotechnol.，23：349，2005)。

已经知道代谢通量分析技术显示了细胞的理想代谢通量并允许准确地模拟并预测细胞的行为，即使它们不需要动态信息(Papin，J.等人，Nature Reviews Molecular Cell Biology，6：99，2005)。代谢通量分析的目标在于仅仅使用生化反应的质量平衡和细胞组分的信息确定细胞可达到的理想代谢通量空间，并通过优化方法使特定目标函数最大化或者最小化(例如通过特定摄动的生物量形成率的最大化或者代谢调节的最小化)。另外，代谢通量分析一般可通过菌株改进用于计算所需代谢物的最大产量，并且测定的值可被用于理解菌株中代谢途径的特性。而且，利用代谢通量分析技术来预测基因消除或增加之后发生的代谢通量变化的各种研究已见报道。

考虑到这一点，存在对发展这样的方法的急迫需要：其可使用代谢通量分析技术通过不同于使用部分代谢信息的菌株操作的综合观点来解释微生物的复杂代谢机制，其可提供特定基因的操作对总代谢通量的影响的理解，并可科学检验并精确预测目标有用物质的大量生产所需要的最佳微生物代谢通量。

因此，本发明的发明人已经付出了许多努力来发现有效增加目标有用物质的产生的方法，结果发现，在有用物质的生产中涉及的特定关键代谢物可通过下列步骤来识别：通过摄动在有用物质的形成率和产生中涉及的函数的算法绘出目标函数的谱图，通过该谱图确定每种代谢物的利用(定义为通量总和(Φ))，并通过该谱图筛选关键代谢物。关键代谢物显示根据有用物质的形成率的增加而增加通量总和(Φ)值，由此完成本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种筛选增加有用物质的产量的特定关键代谢物的方法，所述方法包括通过摄动在有用物质的形成率和产生中涉及的一个或多个函数的算法绘出与单个目标函数有关的谱图；通过所述谱图确定生物体代谢物的利用(定义为通量总和(Φ))。

本发明的另一目的在于提供一种改进生产有用物质的生物体的方法，所述方法包括引入和/或扩增与前述筛选的特定代谢物有关的基因。

本发明的又一目的在于提供一种制备有用物质的方法，其中在产生有用物质的生物体的培养过程中供给与筛选的特定代谢物有关的基因。