[发明专利]预测影响特定代谢产物产量关键反应的通量域比较方法

摘要

本发明公开了一种预测影响特定代谢产物产量关键反应的通量域比较方法，其特征在于该方法由两次计算，一次比较、一次排序组成。它是利用通量域的比较，对提高特定代谢产物合成量的关键反应及其对产物产量的影响进行计算机预测，从而有针对性的指导生物实验的进行。本发明同时也公开了所述的方法在草芽孢杆菌在最小培养基上进行核黄素生产中的应用。本发明可应用于任何具有基因组尺度代谢网络的物种，以及模拟预测网络模型计算能力范围内的任何产品，特别对于基因序列尚不明确的代谢工程菌具有很好的指导意义。

主权项

1.一种预测影响特定代谢产物产量关键反应的通量域比较方法，其特征在于该方法由两次计算，一次比较、一次排序组成，按如下的步骤进行：（1）计算野生型目标物种自然生长状态的通量域：首先采用通量平衡分析的方法，利用已知的基因组尺度代谢网络模型，计算生物量合成速率的最大值，计算时参数设置方法如下：根据已知的目标物种的培养条件及表型，将模型中培养基组成、溶氧、目标产物产量、其他副产物产量按照实验条件进行相同的设置；目标函数设定为生物量合成反应，计算得到生物量合成速率最优值f；之后，采用通量可变性分析的方法，得到野生型物种的代谢网络通量域分布，计算时参数设置方法如下：将生物量合成反应的速率设定为上一步骤中得到的最大值f，其它条件与上一步骤相同，计算得到两个向量V_{w_min}和V_{w_max}，其中V_{w_min}表示代谢网络中各反应通量值的最小值（即通量下限）组成的向量，V_{w_max}表示代谢网络中各反应通量值的最大值（即通量上限）组成的向量；计算所得的通量下限与通量上限组成的区域即为野生型物种的代谢通量域分布；（2）模拟优化型物种的生长状态：第一，采用通量平衡分析的方法，利用已知的基因组尺度代谢网络模型，计算生物量合成速率的最大值，计算时参数设置方法如下：根据已知的目标物种的培养条件及表型，将模型中培养基组成、溶氧按照实验条件进行相同的设置，而对目标产物产量和其他副产物的产量不作限制，生物量合成反应的通量设置为步骤（1）中生物量合成反应的最优值f，目标函数设定为特定代谢产物的产量，进行第二次模拟，计算得到特定产物产量的最大值p；第二，采用通量可变性分析的方法，得到优化型物种的代谢网络通量域分布，计算时参数设置方法如下：将特定代谢产物的产量设定为上一步骤中得到的最大值p，其它条件与上一步骤相同，计算得到两个向量V_{e_min}和V_{e_max}，其中V_{e_min}表示代谢网络中各反应通量值的最小值（即通量下限）组成的向量，V_{e_max}表示代谢网络中各反应通量值的最大值（即通量上限）组成的向量；计算所得的通量下限与通量上限组成的区域即为优化型物种的代谢通量域分布；（3）一次比较：将两次计算的通量域进行比较，确定优化型与野生型之间反应通量域的不同，从而确定将实验型改造成优化型所需进行的代谢工程改造，进而制定相应的湿实验策略，比较及预测方法如下：对于代谢网络中的每一个反应，其中，v_{w_max}表示野生型物种模拟得到的通量上限，v_{w_min}表示野生型物种模拟得到的通量下限，v_{e_max}表示优化型物种模拟得到的通量上限，v_{e_min}表示优化型物种模拟得到的通量下限；上述预测结果有一个特殊情况，当(v_{e_max}-v_{w_max})/v_{w_max}与(v_{e_max}-v_{w_max})/v_{w_max}计算得到的结果符号相反时，预测结果为未知，即无法得到准确的预测结果；（4）一次排序：对于每一个预测得到的反应，将其代谢通量分别设置为野生型通量的上限或下限，这样有两种设置方式，以v_l表示反应通量的下限，v_u表示反应通量的上限，则这两种设置方式可以表示为：v_l=v_u=v_{w_min}   和  v_l=v_u= v_{w_max}其他参数的设置与步骤（2）相同，每次设定后都以特定产物的产量为目标函数进行计算，计算方法为通量平衡分析，两种条件的设定各得到一个计算结果，取两个计算结果的最大值，记为q，计算该反应通量改变后特定产物产量的改变量C，即将所有预测反应的C值按照从大到小的顺序进行排列，即为预测反应对特定产物产量影响大小的排序，根据该排序对代谢工程基因操作的实验策略进行指导。