代谢网络刚性与代谢工程

本文介绍了有关代谢网络，网络刚性和代谢工程的基本观点，特别是关于网络刚性和载流途径的工作建设，还讨论了代谢工程的应用与面临的难题。     

代谢工程的发展及其应用

本首先论述了代谢工程的代谢网络理论、代谢分析、节点分析和中心代谢物作用机理等代谢工程理论基础。然后,分析了代谢工程的各种具体设计思路,并以实际例子作了详细说明。另外还对代谢工程的新兴研究方向－逆代谢工程进行了简单说明。     

微生物代谢工程原理与应用

代谢工程是利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络,并通过DNA重组技术和应用分析生物学相关的遗传学手段对细胞进行有精确目标的基因操作,改变微生物原有的代谢或调节系统,实现目的产物代谢活性的提高。代谢工程综合了生物化学、化学工程、数学分析等多学科内容,是当前国内外学者研究热点之一。论述了微生物代谢工程的理论基础及其应用进展和前景。     

应用代谢网络模型解析工业微生物胞内代谢

为了快速、高效地理解工业微生物胞内代谢特征,寻找潜在的代谢工程改造靶点,基因组规模代谢网络模型(GSMM)作为一种系统生物学工具越来越受到人们的关注。文中在回顾GSMM 20年发展历程的基础上,分析了当前GSMM的研究现状,总结了GSMM的构建及分析方法,从预测细胞表型和指导代谢工程两个方面阐述了GSMM在解析工业微生物胞内代谢中的应用,并展望了GSMM未来的发展趋势。     

基于酶约束的代谢网络模型研究进展及其应用

基因组尺度代谢网络模型已经成功地应用于指导代谢工程改造,但由于传统通量平衡分析法仅考虑化学计量学和反应方向约束,模拟得到的是理论最优结果,对一些现象如代谢溢流、底物层级利用等无法准确描述。近年来人们通过在代谢网络模型中引入新的蛋白量、热力学等约束发展了新的约束优化计算方法,可以更准确真实地模拟细胞在不同条件下的代谢行为。文中主要对近年来提出的多种酶约束模型进行评述,对酶约束引入的基本思路、酶约束的数学方程表示及优化目标设定、引入酶约束后对代谢通量计算结果的影响及酶约束模型在代谢工程菌种改造中的应用等进行了全面深入的介绍,并提出了已有各种方法存在的主要问题,展望了相关方法的未来发展方向。通过引入新的约束,代谢网络模型能够更精确模拟和预测细胞在环境和基因扰动下的代谢行为,为代谢工程菌种改造提供更准确可靠的指导。     

燃料乙醇的代谢工程研究进展

乙醇是来自可再生资源的最有发展前景的液态燃料,目前采用生物发酵法生产乙醇仍然是最重要的途径。利用代谢工程技术改造乙醇代谢网络、提高乙醇产量是生物工程科学家的研究重点。从扩展代谢途径和构建新的代谢途径等方面全面阐述了代谢工程技术在燃料乙醇生产中的应用。     

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。     

代谢流量比率分析及其在代谢工程中的应用

细胞内代谢反应流量在系统理解细胞代谢特性和指导代谢工程改造等方面都起着重要的作用。由于代谢流量难以直接测量得到,在很多情况下通过跟踪稳定同位素在代谢网络中的转移并进行相应的模型计算能有效地定量代谢流量。代谢流量比率分析法能够高度体现系统的生物化学真实性、辨别细胞代谢网络的拓扑结构,并且能够相对简单快速地定量反应速率等,因此受到代谢工程研究者越来越多的重视。以下着重介绍并讨论了利用代谢物同位体分布信息分析关键代谢节点合成途径的流量比率、基于流量比率的代谢流量解析、以及应用于代谢工程等的相关原理、实验测量、数据分析、使用条件等,以期充分发挥代谢流量比率分析法的优势,并将其拓展推广至更多细胞体系的代谢特性阐明和代谢工程改造中去。     

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。     

代谢网络定量分析研究进展

综述了代谢工程中代谢控制分析、代谢通量分析、生化系统理论、途径分析、控制论模型等定量分析方法的基本理论,以实例说明了这些方法的应用,并对代谢分析方法的发展进行了展望。     

基元模式分析在生物网络和途径分析中的应用

基元模式分析是应用最广泛的代谢途径分析方法。基元模式分析的研究对象从代谢网络发展到信号传导网络;研究尺度从细胞到生物反应器,甚至生态系统;数学描述从稳态分解到动态解析;研究领域从微生物代谢到人类疾病。以下综述了基元模式分析的算法和软件开发现状,以及其在代谢途径与鲁棒性、代谢通量分解、稳态代谢通量分析、动态模型与生物过程模拟、网络结构与调控、菌株设计和信号传导网络等方面的应用。开发新的算法解决组合爆炸问题,探索基元模式与代谢调控的关系以及提高菌株设计算法效率是今后基元模式的重要发展方向。     

Metabolomics assisted metabolic network modeling and network wide analysis of metabolites in microbiology

Metabolomics is the science of qualitatively and quantitatively analyzing low molecular weight metabolites occur in a given biological system. It provides valuable information to elucidate the functional roles and relations of different metabolites in a metabolic pathway. In recent years, a large amount of research on microbial metabolomics has been conducted. It has become a useful tool for achieving highly efficient synthesis of target metabolites. At the same time, many studies have been conducted over the years in order to integrate metabolomics data into metabolic network modeling, which has yielded many exciting results. Additionally, metabolomics also shows great advantages in analyzing the relationship of metabolites network wide. Integrating metabolomics data into metabolic network construction and applying it in network wide analysis of cell metabolism would further improve our ability to control cellular metabolism and optimize the design of cell factories for the overproduction of valuable biochemicals. This review will examine recent progress in the application of metabolomics approaches in metabolic network modeling and network wide analysis of microbial cell metabolism.     

基因组尺度代谢网络研究进展

基因组尺度代谢网络从基因组序列出发,结合基因、蛋白质、代谢数据库和实验数据,从系统的角度定量研究生命体的代谢过程,了解各个组分之间的相互作用关系。这类网络模型对于生命活动理论研究和优良工程菌的构建都具有重要的理论和实践意义。以下结合作者的实际研究经验,对基因组尺度代谢网络从重构到模拟直至应用进行了较为详细的介绍,并讨论了一些目前存在的难题和未来的研究方向。     

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。     

基因组尺度代谢网络自动重构及分析工具研究进展

高通量数据的产出为基因组尺度代谢网络的构建提供了基础,但同时也对网络构建和分析方法的改进提出了挑战。随着数据量的不断增大,耗时耗力的人工构建及分析已经无法满足模型发展的需要,因而各种自动化的方法应运而生。模型构建和分析的自动化不仅能够大幅度提高模型构建和解析的速度,同时对于模型构建和分析方法的标准化和程序化也有着不可替代的作用。文中结合作者的实际研究经验,对基因组尺度代谢网络构建的自动化进程和主要的代谢网络分析工具进行了较为详细的介绍,总结了代谢网络自动重构的流程,并提出了目前面对的主要问题和未来的研究方向。     

Interpretation of metabolic flux maps by limitation potentials and constrained limitation sensitivities

Two new concepts, "Limitation Potential" and "Constraint Limitation Sensitivity" are introduced that use definitions derived from metabolic flux analysis (MFA) and metabolic network analysis (MNA). They are applied to interpret a measured flux distribution in the context of all possible flux distributions and thus combine MFA with MNA. The proposed measures are used to quantify and compare the influence of intracellular fluxes on the production yield. The methods are purely based on the stoichiometry of the network and constraints that are given from irreversible fluxes. In contrast to metabolic control analysis (MCA), within this approach no information about the kinetic mechanisms are needed. A limitation potential (LP) is defined as the reduction of the reachable (theoretical) maximum by a measured flux. Measured fluxes that strongly narrow the reachable maximum are assumed to be limiting as the network has no ability to counterbalance the restriction due to the observed flux. In a second step, the sensitivity of the reduced maximum is regarded. This measure provides information about the necessitated changes to reach higher yields. The methods are applied to interpret the capabilities of a network based on measured fluxes for a L-phenylalanine producer. The strain was examined by a series of experiments and three flux maps of the production phase are analyzed. It can be shown that the reachable yield is drastically reduced by the measured efflux into the TCA cycle, while the oxidative pentose-phosphate pathway only plays a secondary role on the reachable maximum.     

基于代谢网络预测菌种基因改造靶点方法的研究进展

高产特定产品的人工细胞工厂的构建需要对野生菌株进行大量的基因工程改造,近年来随着大量基因组尺度代谢网络模型的构建,人们提出了多种基于代谢网络分析预测基因改造靶点以使某一目标化合物合成最优的方法。这些方法利用基因组尺度代谢网络模型中的反应计量关系约束和反应不可逆性约束等,通过约束优化的方法预测可使产物合成最大化的改造靶点,避免了传统的通过相关途径的直观分析确定靶点的方法的局限性和主观性,为细胞工厂的理性设计提供了新的思路。以下结合作者的实际研究经验,对这些菌种优化方法的原理、优缺点及适用性等进行详细介绍,并讨论了目前存在的主要问题和未来的研究方向,为人们针对不同目标产品选择合适的方法及预测结果的可靠性评估提供了指导。     

Genome-scale models of bacterial metabolism: reconstruction and applications

Genome-scale metabolic models bridge the gap between genome-derived biochemical information and metabolic phenotypes in a principled manner, providing a solid interpretative framework for experimental data related to metabolic states, and enabling simple in silico experiments with whole-cell metabolism. Models have been reconstructed for almost 20 bacterial species, so far mainly through expert curation efforts integrating information from the literature with genome annotation. A wide variety of computational methods exploiting metabolic models have been developed and applied to bacteria, yielding valuable insights into bacterial metabolism and evolution, and providing a sound basis for computer-assisted design in metabolic engineering. Recent advances in computational systems biology and high-throughput experimental technologies pave the way for the systematic reconstruction of metabolic models from genomes of new species, and a corresponding expansion of the scope of their applications. In this review, we provide an introduction to the key ideas of metabolic modeling, survey the methods, and resources that enable model reconstruction and refinement, and chart applications to the investigation of global properties of metabolic systems, the interpretation of experimental results, and the re-engineering of their biochemical capabilities.