[發明專利]賴氨酸生物制造中宏觀動力學與細胞代謝通量耦合建模方法

有效

• 申請號: 202010106950.8
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111341382B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 劉飛;潘妍如;王志國;欒小麗
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: G16B5/00
• 分類號: G16B5/00;G16B40/00;G06N3/126;G06N3/006
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;劉秋彤

賴氨酸生物制造中宏觀動力學與細胞代謝通量耦合建模方法，屬于工業微生物制造過程建模技術及應用領域，涉及一種將微分方程表述的發酵動力學與化學計量學描述的細胞代謝通量相結合的建模方法，通過對復雜賴氨酸代謝網絡的約簡，建立了關鍵代謝通量與外部可測變量的關聯，實現代謝通量平衡方程與葡萄糖、賴氨酸、生物量的濃度變化動力學的耦合，給出了利用智能隨機尋優算法的耦合模型參數辨識方法，不僅可以描述胞外宏觀變量濃度的變化，還可以描述胞內代謝通量的動態變化，相比一般的動力學模型，不僅模型精度高，更提供手段探尋微生物細胞內微觀機理信息和代謝特性。

技術領域

本發明屬于工業微生物制造過程建模技術及應用領域，涉及一種將微分方程表述的發酵動力學與化學計量學描述的細胞代謝通量相結合的建模方法，基于該方法構建的耦合模型可用于賴氨酸生物制造過程中對生物量濃度、產物濃度和底物濃度的預測，同時用于反映和預測細胞內代謝流的變化規律。

背景技術

賴氨酸是人體的必需氨基酸之一，可以促進機體的生長發育，是一種重要的營養物質，在食品、醫藥、飼料等行業有很廣泛的需求，我國逐漸成為世界上賴氨酸產量最大的國家，研究賴氨酸的生物制造過程，利用技術手段對其進行優化和控制，對于提高發酵產物產量、減低物耗及提升質量具有重要意義。

微生物制造過程優化和控制的前提是建立合適的發酵過程模型，最早人們試圖根據微生物生長機理進行發酵過程建模，但是生物反應過程復雜，難以建立精確的過程模型；其后主要根據大量的實驗數據來建模，這類模型可以近似地反映過程狀態變量的宏觀變化趨勢，比如Monod模型等，但是未能考慮發酵過程中很多內在復雜機理，更缺乏微觀層面的規律描述。隨著生物技術和基因工程的不斷發展，對細胞內部的代謝過程有了更詳細的了解，越來越多的微生物代謝網絡得以精確的建立，基于代謝網絡的建模方法得到了研究，代謝網絡模型利用代謝反應的化學計量矩陣來分析細胞內的通量分布，主要研究方法有代謝通量分析，其不僅可以描述細胞內部的代謝途徑，還可以求解細胞內不可測量的代謝通量的大小。由此，人們設想基于代謝網絡來建立發酵過程的動力學模型，既可以通過代謝網絡分析細胞內部的微觀代謝特性，又能夠反映細胞外部宏觀動態特征，從而對發酵過程的動態變化進行更全面描述；例如，有文獻基于化學計量矩陣平衡建立了骨髓瘤細胞培養的動力學模型，還有基于青霉素的代謝網絡途徑，建立了青霉素補料分批發酵的動力學模型。

已有的關于賴氨酸發酵過程建模技術主要集中在實驗性的動力學模型研究，通常采用微分方程形式，主要用于描述賴氨酸生產過程中生物量濃度、產物濃度和底物濃度的變化，此類模型的參數在各類文獻中有一些經驗數據供選用，也可通過實驗辨識出模型的參數。分析上述動力學建模方法，直接采用文獻中的經驗數據，模型簡單但難以適應具體生產過程；而利用實驗數據進行參數辨識，雖然有眾多辨識算法供選用，但是單一化的關于生物量、產物和底物濃度變化的微分方程結構，從根本上限制了這類動力學模型的精度和應用范圍。考慮到工業賴氨酸生產中最廣泛的菌種是谷氨酸棒狀桿菌，在一些文獻中通過碳通量模型和核磁共振波譜法給出了谷氨酸棒桿菌的中心代謝網絡，完整的賴氨酸發酵的代謝網絡得到完善，但是完整的基因組規模的代謝網絡十分復雜，包含大量的反應和代謝物，直接用來進行建模和應用的難度很大。

發明內容

本發明提出一種賴氨酸生物制造中宏觀動力學與細胞代謝通量耦合建模方法，首先對已有的賴氨酸代謝網絡進行約簡，由約簡網絡的化學計量矩陣建立細胞內物質和能量平衡方程，描述細胞內各代謝流間的關系；再給出微分方程形式的賴氨酸動力學模型，描述生物量、產物濃度、底物濃度的宏觀變化規律，微分方程的參數選擇產物生成和底物消耗直接關聯的代謝流。為保證建模方法的工程適用性，適當減少模型的復雜度，進一步將產物和底物關聯的代謝通量通過經驗公式與宏觀可測變量進行耦合。由此構建包括代謝通量平衡方程和動力學方程的賴氨酸發酵新的模型結構，由于該結構的復雜性和非線性，采用智能搜索算法對模型中的參數進行估算和優化。最后由耦合模型中的微分方程可以計算生物量濃度、產物濃度和底物濃度，同時通過代謝通量平衡方程描述細胞內代謝通量的變化規律。

本發明的技術方案：