[發明專利]基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法

有效

• 申請號: 201210099321.2
• 申請日: 2012-04-05
• 公開（公告）號: CN102629304A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 郝彤;趙學明
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F19/18
• 分類號: G06F19/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種代謝工程設計的計算機預測。特別是涉及一種可應用于任何具有基因組尺度代謝網絡物種的基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法。

背景技術

目前利用基因組尺度代謝網絡模型進行的計算機預測多為必需基因預測或不同底物利用情況的預測，所用的方法為通量平衡分析，通過計算機預測能夠得到目標產物的最優合成途徑，但是無法判定野生菌或實驗室使用的工程菌經過怎樣的改造才能夠實現最優合成途徑。同時，根據野生菌基因組建立的代謝網絡模型無法模擬基因序列尚不清楚的工程菌的代謝狀況。另外，對于釀酒酵母，已經有預測通過添加外源基因提高目標產物產量的方法，但是目前還沒有對于菌體內已有基因進行代謝工程設計的計算機預測方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠利用基因組尺度代謝網絡模型，對生物實驗的設計進行計算機預測，從而有針對性的指導生物實驗的基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法，包括如下步驟：

1)分別獲取目的菌濕實驗數據和高質量基因組尺度代謝網絡模型；

2)根據濕實驗數據進行模擬條件設定；

3)模擬實驗菌的生長狀態，獲得模擬實驗菌的代謝通量分布，以及模擬優化工程菌的生長狀態，獲得與實驗菌同樣培養條件下模擬優化工程菌的代謝通量分布；

4)將模擬實驗菌的代謝通量分布與模擬優化工程菌的代謝通量分布進行比較，確定優化工程菌與實驗菌之間的反應通量分布的不同；

5)根據步驟4)的比較結果以及基因組尺度代謝網絡模型中的基因-反應對應關系，得到相應的基因預測結果，從而確定將實驗菌改造成優化工程菌所需進行的代謝工程改造，進而制定相應的濕實驗策略。

步驟2)所述的模擬條件設定，是按照實驗室使用的培養基組成，以及實驗測定的溶氧水平、菌體生長速率、目標產物以及副產物產量對模型中的參數進行設定。

步驟3)所述的實驗菌是野生菌或工程菌。

步驟3)所述的模擬優化工程菌的生長狀態，是在解除對目標產物以及副產物產量的設定，其他條件保持與步驟1)相同的條件下進行模擬，從而獲得與實驗菌同樣培養條件下優化工程菌的代謝通量分布。

步驟4)所述的比較是：在模擬實驗菌的代謝通量分布與模擬優化工程菌的代謝通量分布有不同的反應中，當一個反應在優化工程菌中的代謝通量高于實驗菌的代謝通量時，表明該反應需要通過過表達進行優化；當該反應在優化工程菌中的代謝通量低于實驗菌的代謝通量時，表明該反應需要通過低表達進行優化；當該反應在優化工程菌中的代謝通量為0，而在實驗菌中的代謝通量不為0時，表明該反應需要通過敲除進行優化。

本發明的基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法，很好地解決了野生型菌株基因組尺度代謝網絡模型難以應用到工程菌實驗指導方面的問題。本發明對于指導濕實驗設計，從而提高特定的具有商業價值的產物產量具有重要的作用。可應用于任何具有基因組尺度代謝網絡的物種，以及模擬預測網絡模型計算能力范圍內的任何產品，特別對于基因序列尚不明確的代謝工程菌具有很好的指導意義。

附圖說明

圖1是本發明方法的流程圖；

圖2是核黃素產量提高需改造的預測反應在不同代謝系統中的分布

圖中：a碳代謝，b氨基酸代謝，c輔因子代謝，d核酸代謝，e運輸反應，f交換反應。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明的基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法做出詳細說明。

本發明的基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法的實現，首先保證作為基礎的全基因組尺度代謝網絡模型具有較高的質量。并且，本發明是利用COBRA工具包進行編程計算。

如圖1所示，本發明的基于基因組尺度代謝網絡模型的代謝工程設計預測方法，包括如下步驟：

1)分別獲取目的菌濕實驗數據和高質量基因組尺度代謝網絡模型；

2)根據濕實驗數據進行模擬條件設定，

所述的模擬條件設定，是按照實驗室使用的培養基組成，以及實驗測定的溶氧水平、菌體生長速率、目標產物以及副產物產量對模型中的參數進行設定；