Codon Usage Database自动寻错平台CUDer的组建与应用

密码子用法数据库(CUD)是密码子用法与密码子优化研究领域的一个重要的在线服务,为了找出该数据库中潜在的两种不再适用的记录,即已过期的陈旧记录和在遗传密码类型上实际无法有效支持的记录(简称不支持记录),本文通过结合前期自主研发的两个软件BestCodon与CUDassist,组建了CUD自动寻错平台CUDer,并应用于上述问题的研究。结果发现,CUD中存在317条陈旧记录与4条不支持记录。对于陈旧记录,这些记录的物种分类号在NCBI中已发生变更,研究者应该避免使用这些记录的相关数据;对于不支持记录,本文借助CUDer计算得到这些记录正确的密码子用法表(CUT),弥补了当前CUD的不足。此外,该平台也为面向CUD的自动化数据处理,提供了一个新的软件框架,具有一定的借鉴意义。     

氨基酸和二肽组成对嗜压微生物蛋白质稳定性的影响

【目的】 比较嗜压和非嗜压微生物中蛋白质在氨基酸和二肽组成上的差异对嗜压蛋白稳定性机理的了解及在此基础上的定向改造具有重要意义。【方法】利用4种微生物全蛋白质组信息,统计了639对直系同源序列二级结构氨基酸组成及二肽组成并计算其偏差。【结果】结果表明：在β折叠和无规则卷曲中二者差异明显,β折叠中,嗜压蛋白含更多的缬氨酸,异亮氨酸,亮氨酸,更少的精氨酸,赖氨酸,天冬氨酸;无规则卷曲中,嗜压蛋白含更多的缬氨酸和异亮氨酸,更少的甘氨酸和脯氨酸。而嗜压蛋白存在更多的YM、MN、KD、QC、CI、MW、MM、CY、WQ、HC、RC和QH,更少TW、MS、VD、DH、YE、CT、MW、CF、CK、CM、MY、QI、TH、MQ、QQ和MC。【结论】二肽比氨基酸包含更多的结构和序列信息,更有利于了解嗜压蛋白稳定性机制及指导其定向改造。     

基于二级结构氨基酸组成识别酸性、中性及碱性酶

本研究系统分析了酸性、碱性和中性酶在二级结构氨基酸组成上的差异。结果发现在形成特定二级结构过程中,酸性酶和碱性酶有着不同的氨基酸使用偏向;同时,在酸性和碱性酶中,中性氨基酸和侧链微小的氨基酸含量明显较高,这可能是它们适应极端pH的普遍机制。基于此,提出了一种提取蛋白质序列特征值的新方法,其10倍交叉验证的精度可达80.3%。与其他常见特征值提取方法相比,其精度提高了9.4%到18.7%不等;而随机森林算法比其他机器学习算法识别精度也高出2.7%到21.8%不等。     

木糖醇发酵状态估算、过程预测与优化

运用广义对数方程拟合不同初始木糖浓度(4.73～94.71g/L)下的木糖醇发酵过程,借助于均匀设计综合考察构建神经网络时第一、二隐层单元数、学习速度、初始权矩阵对模拟结果的影响及不同的初始状态变量对木糖醇发酵过程的影响,建立了一个能够很好地用于不同初糖浓度下木糖醇发酵状态估算和过程预测的四层6-7-6-3拓扑构型的神经网络模型,提出了对改善木糖醇发酵有指导意义的优化方案。     

分批发酵动力学模型参数的估算

本文基于通用的发酵动力学数学模型,导出了用于描述分批发酵特征的解析解。藉助于由FORTRAN－77编写的POWELL优化算法,以赖氨酸分批发酵为倒^［5］,一举估算出该解析解中所有的发酵动力学参数;μ_max、K_s、α、β、Y_G、Y_p,及m。结果表明t(1)用模型所得到的计算值与实测值具有较好的一致性,(2)赖氨酸合成速度取决于微生物的生长速度及浓度。     

计算机模拟短小芽孢杆菌木聚糖酶与底物木聚糖的对接

克隆测序短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)木聚糖酶基因,在同源建模所得三维结构的基础上寻找底物结合可能的活性口袋,用计算机模拟其与底物木聚糖的对接,预测酶与催化反应过程的关键氨基酸残基。所得的信息对木聚糖酶的定向改造有重要意义。     

克氏肺炎杆菌NiFe-氢酶基因的克隆与序列分析

采用CLUSTAL-W软件对Swiss-Prot蛋白数据库中已报道的NiFe-氢酶大亚基氨基酸序列进行比对分析,找到保守区并根据此设计兼并引物。利用其中一对引物进行PCR得到一条大小约为1000bp的DNA序列,并根据此序列设计引物进行反向PCR得到整个NiFe-氢酶的序列。再利用生物信息学软件对此氢酶的序列进行二、三级结构预测及大小亚基的对接(docking)。结果表明克氏肺炎杆菌的NiFe-氢酶属于一类膜结合放氢酶(Ech氢酶)。     

嗜压蛋白氨基酸残基溶剂可及性对其稳定性的影响

【目的】研究嗜压微生物中蛋白质在不同结构区域的特点对了解其稳定的结构基础及设计新型嗜压酶具有重要意义。【方法】利用43对嗜压和非嗜压同源蛋白的晶体结构信息,将氨基酸所处结构分成3种:分子表面、中间区及内核区,统计了不同结构状态中氨基酸的差异。【结果】统计分析结果表明,嗜压蛋白具有明显的溶剂可及性结构特点:其分子表面Cys、Asp、Asn和Lys含量显著高于非嗜压蛋白,而Pro和Arg则相反;中间区域Ile、Met含量显著高,而Trp则相反;内核区Cys、Ile含量显著高,而Ala则相反。同时,非嗜压氨基酸在嗜压蛋白分子表面及内核区含量均显著高于非嗜压蛋白。【结论】嗜压和非嗜压蛋白在分子表面差异最为明显,将是改造嗜压酶的首选区域;同时,需要统计更多的样本,对氨基酸压力不对称指数进行修订。     

单纯形法在微生物生长动力学和能学参数估算中的应用

本文基于作者所导出的用于描述微生物分批和连续培养的数学模型^［6,7］,就单纯形法在微生物生长动力学和能学参数估算中的应用进行研究。根据模型的特点,提出确定目标函数及单纯形初始值的方法,并以大肠杆菌单罐连续培养为例介绍了估算的全过程。