[发明专利]一种根据基元反应拓扑结构构建动态代谢网络的方法

说明书

本发明公开了一种动态代谢网络构建方法，其包括步骤(a)对于欲构建的动态代谢网络，找出所有的孤立反应和调控反应，确定每一个孤立反应中冗余的基元反应速率常数数目；(b)通过体外实验测定或从现有的酶学数据库获得所有孤立反应和调控反应的米氏动力学参数；(c/d)每一个孤立反应和调控反应中，计算出所有其余的基元反应速率常数的绝对值和/或相对值；(e)利用步骤(c)和(d)获得的基元反应速率常数，通过计算机构建基元反应拓扑结构型动态代谢网络。本发明方法无需逐一推导米氏动力学类速率方程解析式，在有热力学平衡常数的前提下，获得调控反应所涉及的基元反应速率常数比较简单，适合于计算机构建大型代谢网络。

技术领域

本发明属于酶反应动力学领域，具体涉及一种根据基元反应拓扑结构构建动态代谢网络的方法。

背景技术

已有的描述代谢网络的模型主要分为两种：1)基于网络拓扑结构的化学计量学的模型(O'Brien,E.J.et al.,Cell,2015:161,971-987；Schuster et al.,NatureBiotechnology,2000:18,326-332)；2)引入代谢物浓度，酶量以及代谢调节作用的动态代谢网络模型(Khodayari,A.et al.,Metabolic Engineering.2014,25:50-62)。前者只涉及代谢流(即反应速度)，方法简单，但信息有限；后者比较全面，但是得到模型参数是个巨大的挑战。

关于动态代谢网络模型，相对于经验或半经验速率方程，只有米氏动力学类速率方程是理论性动力学形式。米氏动力学速率方程的获得需要，(a)对酶中间复合物进行稳态假设或对某个基元反应作快速平衡假设，(b)利用基元反应的质量作用定律，对基元反应参数进行整合，获得代谢物浓度和参数的解析式，进而获得系列速率方程，经典的米氏方程就是典型的例子。米氏动力学类的参数(如k_cat,K_mS,K_mp等)可以通过体外实验反应速率测定得到，而基元反应速率常数(k_i)则一般不能。一些专业的酶学数据(如BRENDA，SABIO-RK等)也对几十年实验测定的米氏动力学类参数做了整理和收录。利用米氏动力学类速率方程构建动态网络，对于单个酶反应这样的处理并不十分困难，但是代谢网络中的反应经常会引入效应物与酶之间的相互作用(例如调控反应)，这个过程越来越复杂(有时根本就不存在解析式)，且不容易计算机自动处理。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的根据基元反应拓扑结构构建代谢网络的方法，可以通过单个体外反应(即孤立反应)速率实验确定代谢网络中所有酶反应涉及到的基元反应速率常数，以克服基元反应速率常数过多且无法完全实验测定的问题。

基元反应拓扑结构只有质量作用定律一种形式，只要网络结构和内部调节性作用合适并有其动力学参数，整个网络的构建过程可以完全由机器来完成，从而为构建大型的动态代谢网络提供新的方法。

本发明的动态代谢网络构建方法，包括以下步骤：

(a)对于欲构建的动态代谢网络，找出所有的孤立反应和调控反应及涉及的米氏动力学参数和基元反应速率常数，确定每一个孤立反应和调控反应的独立动力学参数数目，进而确定每一个孤立反应中冗余的基元反应速率常数数目；其中，每一个孤立反应和调控反应中冗余的基元反应速率常数数目分别为其涉及的基元反应速率常数总数与独立动力学参数数目之差；

(b)通过体外实验测定或从现有的酶学数据库获得所有孤立反应和调控反应的米氏动力学参数；

(c)每一个孤立反应中，利用步骤(b)获得的米氏动力学参数，对冗余的基元反应速率常数赋值或者定为固定常数，结合米氏动力学参数和基元反应速率常数之间的关系，计算出孤立反应涉及的其余所有的基元反应速率常数的绝对值或者相对值；