[发明专利]氧化葡萄糖酸杆菌的基因组尺度代谢网络构建和分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种网络构建和分析方法。特别是涉及一种氧化葡萄糖酸杆菌的基因组尺度代谢网络构建和分析方法。

背景技术

氧化葡萄糖酸杆菌属醋酸杆菌科，革兰氏阴性。可以将多种醇类、多元醇和碳水化合物不完全氧化成相应的酮类和糖酸。例如，将甘油氧化为二羟基丙酮，葡萄糖氧化成葡萄糖酸，山梨醇氧化成2-酮基-古洛酸等。

由于其独特且高效的不完全氧化能力，氧化葡萄糖酸杆菌在工业上已经获得广泛地应用。其生产的产品在作为药物或药物合成前体物质领域具有良好的应用价值。对氧化葡萄糖酸杆菌的研究日益受到人们的重视。自2005年氧化葡萄糖酸杆菌的基因组得到测序并且大部分基因被注释以来，对该菌的认识变得更加深入，与其相关的研究也取得了很多非常有价值的成果。不过这些成果大部分只是关于氧化葡萄糖酸杆菌的一种产品或一条代谢途径，而没有从整体角度研究氧化葡萄糖酸杆菌，缺乏一个能够系统的分析该菌代谢行为的工具。本发明所涉及的基因组尺度代谢网络正好填补了这一空缺。

基因组尺度代谢网络包含一种生物体内的全部与小分子代谢有关的基因、酶、代谢物和代谢反应，能够在系统水平上对生物中的各组分进行整体分析，能体现各组分的相互作用关系，对生物的生理功能有全面的了解。利用网络拓扑结构分析可以找到代谢的中心代谢物和关键节点，利用鲁棒性分析可以分析内部或外部扰动对生物代谢状态的影响，基因必要性分析可以分析一个或多个基因对生物量或目标产物合成的必要性，通量可变性分析可以确定在相同表型下特定反应的通量所能达到的最大和最小值。对于氧化葡萄糖酸杆菌目前还没有基因组尺度代谢网络的报道，因此构建氧化葡萄糖酸杆菌的基因组尺度代谢网络，分析它在生产各种产品时的代谢行为，能够更好地指导对氧化葡萄糖酸杆菌的研究和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用所构建的基因主尺度代谢网络分析氧化葡萄糖酸杆菌的中心代谢物，找到对氧化葡萄糖酸杆菌的代谢状态有显著影响的代谢扰动，找到对菌体生长和合成产物所必须的基因和重要代谢反应的氧化葡萄糖酸杆菌的基因组尺度代谢网络构建和分析方法。

本发明所采用的技术方案是：一种氧化葡萄糖酸杆菌的基因组尺度代谢网络构建和分析方法，包括如下步骤：

1)利用KEGG数据库中氧化葡萄糖酸杆菌的基因注释信息和对应酶的生物化学信息构建反应列表草图，为了确保准确性也需要参考其他数据库和相关文献；

2)对反应列表草图进行修改；

3)添加生物量合成反应、运输反应和交换反应，形成代谢网络；

4)将代谢网络转化为SBML格式，利用Matlab和COBRA Toolbox对代谢网络进行调试，分析其中存在缺口和无效循环，并根据调试结果修正所述的缺口和无效循环；

5)根据步骤4)生成的最终代谢网络，利用Pajek绘制代谢网络图，并进行网络拓扑结构分析；

6)根据步骤4)生成的最终代谢网络，利用Matlab和COBRA Toolbox进行鲁棒性分析、基因必要性分析和通量可变性分析中的一种或多种分析。

步骤1)所述的草图中包括有反应的ID、反应名称、反应方程式、催化该反应的酶和与该反应对应的基因ID的信息。

步骤2)所述的修改包括删去蛋白质、DNA、RNA、肽聚糖和碳水化合物这些大分子的合成与修饰反应；同时存在总反应形式和分反应形式的多步反应只能保留其中一种形式；统一各代谢物的ID，确保同一种代谢物只保留一种ID；确定参与反应的辅因子和反应方向。

步骤3)所述的生物量合成反应是：首先将生物量分解成几种成分：蛋白质、DNA、RNA、脂质、肽聚糖和碳水化合物，再按各成分所占的mol比组合而成，最后再分别添加各组分的合成反应。

步骤3)所述的运输反应是根据培养基的成分和氧化葡萄糖酸杆菌产生的胞外发酵产物来添加，所述的交换反应是对所有的胞外代谢物添加交换反应，用来平衡胞外代谢物的合成与消耗，形成系统的边界。

步骤4)所述的代谢网络是由1007个代谢物、860个反应、433个基因和403种酶组成，分类于72个子代谢途径或子系统。

步骤5)所述的Pajek绘制的代谢网络图包括918个节点和1223条连接线。

步骤6)所述的鲁棒性分析，是分析反映生物体的代谢状态对内部或外部扰动的敏感性。

步骤6)所述的基因必要性分析是模拟生物体在基因敲除下的性状，分析各个基因对选定的目标函数的必要性。