基因组规模代谢网络模型构建及其应用

微生物制造产业的发展迫切需要进一步提高认识、设计和改造微生物细胞代谢的能力,以推动工业生物技术快速发展。随着微生物全基因组序列等高通量数据的不断积聚和生物信息学策略的持续涌现,使全局性、系统化地解析、设计、调控微生物生理代谢功能成为可能。而基于基因组序列注释和详细生化信息整合的基因组规模代谢网络模型(GSMM)构建为全局理解和理性调控微生物生理代谢功能提供了最佳平台。以下在详述GSMM的应用基础上,描述了如何构建一个高精确度的GSMM,并展望了未来的发展方向。     

工业微生物代谢网络模型的研究进展及应用

基因组规模代谢网络(Genome-scale metabolic network model,GSMM)是工业微生物菌株定向改造过程中一种极为重要的指导性工具,有助于研究者快速获取特定性状的工业微生物,因此越来越受到人们的关注。文中回顾了GSMM的发展历程,总结并评述了GSMM的构建方法,以4种重要工业微生物(枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、大肠杆菌Escherichia coli、谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum和酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae)为例,阐述了GSMM在工业微生物中的发展与应用。此外,还对GSMM未来的发展趋势进行了展望。     

乳酸乳球菌NZ9000基因组规模代谢网络模型的构建与验证

随着后基因组时代的到来,工业微生物的代谢工程改造在工业生产上发挥着越来越重要的作用。而基因组规模代谢网络模型(Genome-scalemetabolicmodel,GSMM)将生物体体内所有已知代谢信息进行整合,为全局理解生物体的代谢状态、理性指导代谢工程改造提供了最佳的平台。乳酸乳球菌NZ9000(Lactococcuslactis NZ9000)作为工业发酵领域的重要菌株之一,由于其遗传背景清晰且几乎不分泌蛋白,是基因工程改造和外源蛋白表达的理想模式菌株。文中基于基因组功能注释和比较基因组学构建了L.lactisNZ9000的首个基因组规模代谢网络模型iWK557,包含557个基因、668个代谢物、840个反应,并进一步在定性和定量两个层次验证了iWK557的准确性,以期为理性指导L. lactis NZ9000代谢工程改造提供良好工具。     

基于约束的基因组规模代谢网络模型构建方法研究进展

基因组规模代谢网络模型(Genome-scale metabolic network model,GSMM)正成为细胞代谢特性研究的重要工具,经过多年发展相关理论方法取得了诸多进展。近年来,在基础GSMM模型基础上,通过整合基因组、转录组、蛋白组和热力学数据,实现基于各种约束的GSMM构建,在基因靶点识别、系统代谢工程、药物发现、人类疾病机理研究等多个方面取得了进一步的发展和理论突破。文中重点综述包括转录组约束、蛋白组约束、以及热力学约束条件在GSMM中的实施方法、相应方法的不足及应用限制等。最后介绍了如何综合运用转录、蛋白及热力学约束,实现GSMM的全整合模型及其细化,并对基于约束的GSMM构建及应用前景进行了展望。     

13C代谢流量分析发展30年

~(13)C代谢流量分析(~(13)C metabolic flux analysis,~(13)C-MFA),是通过标记实验分析蛋白氨基酸或胞内代谢物同位素标记异构体的分布情况,从而准确定量胞内反应速率。该技术在系统理解细胞代谢特性、指导代谢工程改造和揭示病理生理学等方面起着重要作用,引起研究者的广泛重视。文中重点综述了代谢流分析30年的发展历程,尤其在工业生物技术和生物医药领域的应用,并对未来的发展方向进行展望。     

生理代谢参数RQ在指导发酵过程优化中的应用

过程在线参数检测是进行发酵过程工程优化控制的基础。呼吸熵RQ是微生物胞内微观代谢流在宏观代谢参数上的响应,反映了微生物培养过程中底物的利用情况、产物和副产物的合成情况、及微观代谢途径通量的变化。结合发酵葡萄糖酸、2,3-丁二醇谷氨酸、柠檬酸、头孢菌素C、毕赤酵母α-干扰素产品的工业生产过程,分析了以微生物胞内微观代谢与宏观的生理参数RQ为指导的发酵工艺优化策略。RQ值在发酵过程中可以根据尾气数据进行在线采集,对指导通过宏观代谢参数的调控来最优化微生物胞内的代谢途经通量,提高目的产物的产率具有非常重要的意义。     

核磁共振技术在微生物代谢研究中的应用

介绍了核磁共振的种类,并结合具体实例阐述了核磁共振技术在微生物代谢研究领域的应用。主要包括在代谢工程、环境保护及生态学研究、以及人与动物健康几个方面的应用。     

放线菌次级代谢途径的设计

近来有关放线菌次线产物生物合成的分子遗传学和生物化学方面的进展为我们改造其代谢途径提供了一个明确的方向。近年来,对微生物的初级代谢途径进行基因改造取得了成功,但放线菌的次级代谢工程产物却都没有达到中试或生产规模。     

工业微生物中NADH的代谢调控

NADH是微生物代谢网络中的一种关键辅因子。调节微生物胞内NADH的形式与浓度是定向改变和优化微生物细胞代谢功能, 实现代谢流最大化、快速化地导向目标代谢产物的重要手段之一。以下在详尽总结了NADH生理功能的基础上, 从生化工程(添加外源电子受体、不同氧化还原态底物及NAD合成前体物, 调节培养环境和氧化还原电势)和代谢工程(过量表达NADH代谢相关酶、缺失NADH竞争途径及引入NADH外源代谢途径)两方面分析、归纳了NADH代谢调控策略, 进而凝练出调控NADH/NAD+比率调节微生物细胞代谢功能研究方面亟待解决的3个科学问题及可能的解决途径。     

酵母内源性海藻糖代谢调控研究进展

作为一种天然稳定剂的双糖,海藻糖(Trehalose)在逆境下对生物体活性的保护功能既吸引了广泛的研究兴趣,也使其具有良好的应用价值和潜力。本文聚焦重要模式微生物和工业应用微生物酵母,结合组学研究最新进展,从海藻糖代谢途径、应激条件下的海藻糖代谢和转录特征以及提高胞内海藻糖含量策略等方面,对内源性海藻糖研究新进展进行了综述。     

基于Matlab对解脂耶氏酵母基因组规模代谢网络模型仿真结果的可视化分析

【目的】近十年来,基因组代谢网络模型迅速发展。通过构建基因组代谢网络模型进行计算机仿真模拟已成为研究生物体复杂的生理代谢不可或缺的工具。实现对仿真结果的可视化分析,可以直观地追踪模型中的代谢流向,从而更好地对仿真结果进行分析。【方法】在简要概述目前可视化方法的基础上,提出了一种基于Matlab实现基因组规模代谢网络模型仿真结果可视化的方法：通过CellDesigner预先绘制与模型相匹配的图,通过RAVEN toolbox中的函数于Matlab进行读图、并实现仿真结果的可视化。【结果】以解脂耶氏酵母基因组规模代谢网络模型iYL619_PCP v1.7为对象,实现并阐明其仿真结果的可视化。【结论】通过该方法可以清晰地监测模型中的流量和流向变化,提高仿真结果的分析效率。     

基因组尺度分析和代谢工程策略

代谢工程是近年来发展起来的新技术,随着各种组学技术的发展,高通量数据整合方法用于分析细胞的代谢网络,改造代谢途径,以提高目标产物的产量。本文就代谢工程的发展状况,基因组尺度的分析技术,以及代谢工程策略进行了综述。分析了生物信息学和系统生物学方法在代谢途径构建和代谢网络分析中的作用,并就存在的问题和可能的解决途径进行了阐述。     

多约束代谢网络模型的研究进展

基于约束的基因组尺度代谢网络模型(genome-scale metabolic models,GEMs)分析已被广泛应用于代谢表型的预测.而实际细胞中代谢速率除计量学约束外,还受到酶资源可用性和反应热力学可行性等其他因素影响,在GEMs中整合酶资源约束或者热力学约束构建多约束代谢网络模型可以进一步缩小优化解空间,提升细...     

Genome-scale model for Clostridium acetobutylicum: Part I. Metabolic network resolution and analysis

A genome-scale metabolic network reconstruction for Clostridium acetobutylicum (ATCC 824) was carried out using a new semi-automated reverse engineering algorithm. The network consists of 422 intracellular metabolites involved in 552 reactions and includes 80 membrane transport reactions. The metabolic network illustrates the reliance of clostridia on the urea cycle, intracellular L-glutamate solute pools, and the acetylornithine transaminase for amino acid biosynthesis from the 2-oxoglutarate precursor. The semi-automated reverse engineering algorithm identified discrepancies in reaction network databases that are major obstacles for fully automated network-building algorithms. The proposed semi-automated approach allowed for the conservation of unique clostridial metabolic pathways, such as an incomplete TCA cycle. A thermodynamic analysis was used to determine the physiological conditions under which proposed pathways (e.g., reverse partial TCA cycle and reverse arginine biosynthesis pathway) are feasible. The reconstructed metabolic network was used to create a genome-scale model that correctly characterized the butyrate kinase knock-out and the asolventogenic M5 pSOL1 megaplasmid degenerate strains. Systematic gene knock-out simulations were performed to identify a set of genes encoding clostridial enzymes essential for growth in silico.     

A review on metabolic pathway analysis with emphasis on isotope labeling approach

The recent progress on metabolic systems engineering was reviewed based on our recent research results in terms of (1) metabolic signal flow diagram approach, (2) metabolic flux analysis (MFA) in particular with intracellular isotopomer distribution using NMR and/or GC-MS, (3) synthesis and optimization of metabolic flux distribution (MFD), (4) modification of MFD by gene manipulation and by controlling culture environment, (5) metabolic control analysis (MCA), (6) design of metabolic regulation structure, and (7) identification of unknown pathways with isotope tracing by NMR. The main characteristics of metabolic engineering is to treat metabolism as a network or entirety instead of individual reactions. The applications were made for poly-3-hydroxybutyrate (PHB) production usingRalstonia eutropha and recombinantEscherichia coli, lactate production by recombinantSaccharomyces cerevisiae, pyruvate production by vitamin auxotrophic yeastToluropsis glabrata, lysine production usingCorynebacterium glutamicum, and energetic analysis of photosynthesic microorganisms such as Cyanobateria. The characteristics of each approach were reviewed with their applications. The approach based on isotope labeling experiments gives reliable and quantitative results for metabolic flux analysis. It should be recognized that the next stage should be toward the investigation of metabolic flux analysis with gene and protein expressions to uncover the metabolic regulation in relation to genetic modification and/or the change in the culture condition.     

谷氨酸棒状杆菌集成细胞网络的构建与结构分析

谷氨酸棒状杆菌是一种重要的传统工业微生物,其基因组学和分子遗传操作工具的快速发展使得谷氨酸棒状杆菌具备了作为新型细胞工厂的潜力。但是,相对于大肠杆菌等模式生物,对于棒杆菌的代谢调控研究较少,特别是目前还缺乏谷氨酸棒状杆菌集成细胞网络的研究,这一现状阻碍了谷氨酸棒状杆菌的系统生物学研究和大规模菌种理性设计优化。文中综合应用公共数据库、文献数据库资源,首次构建了谷氨酸棒状杆菌的集成细胞网络,包含1 384个反应,1 276个代谢物,88个调节子,999对转录调控关系。其转录调控可分为5层,代谢网络呈现出清晰的bow-tie结构。文中还以赖氨酸的生物合成为例,提出了一种提取代谢调控子网络的新方法,这对氨基酸等产品高产生物机制的研究和工程菌株的重新设计具有指导意义。     

丝状真菌代谢工程研究进展

丝状真菌(Filamentous fungi)作为重要的工业发酵微生物,在有机酸、蛋白质及次级代谢产物等关键生物基产品生产方面发挥着重要作用。自20世纪90年代代谢工程理念提出以来,尤其是代谢工程使能技术的创新及发展,极大地促进了丝状真菌细胞工厂的构建及其在工业发酵领域的应用。文中将系统介绍近年来丝状真菌代谢工程技术的发展,及其在生物基化学品细胞工厂构建中的应用,最后讨论丝状真菌代谢工程中关键问题并展望其未来发展。     

生产聚羟基脂肪酸酯的微生物细胞工厂

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类由微生物合成的、生物可再生、生物可降解、具有多种材料学性能的高分子聚合物,在很多领域有着广泛的应用前景。以下从辅酶工程、代谢工程、微氧生产等方面综述了微生物法生产PHA的研究进展,并对利用PHA合成基因提高基因工程菌的代谢潜能进行了讨论。     

代谢工程应用研究进展

代谢工程发展已有二十多年的时间,其利用重组DNA技术,调控细胞生理功能,在微生物、植物和动物细胞中得到了广泛的应用。综述了代谢工程在微生物、植物和动物细胞中应用研究的最新进展,并对其今后发展方向做出展望。