[发明专利]一种基于通量平衡分析的代谢网络关键因子挖掘方法

说明书

本发明公开了一种基于通量平衡分析的代谢网络关键因子挖掘方法。该方法不需要复杂的领域知识，通过输入代谢网络以及目标化合物，可以直接挖掘对目标化合物影响最大的多个反应，用于快速辅助生物学家优化的代谢网络。本发明首先对已有代谢网络进行建模，并且确定需要生产的目标产物，并依据FBA对代谢网络中可以产生目标产物的反应进行分析，进而使用基于遗传算法的最大通量变化计算方法来计算每个反应对目标代谢物通量对影响，并依次确定对通量影响最大的top‑k个代谢反应作为关键因子。本发明为代谢途径设计和优化提供了候选的关键因子。

技术领域

本发明属于生物工程领域，具体涉及一种利用通量平衡分析以及代谢网络进行关键因子挖掘的方法，其可用于通过分析目标反应通量对代谢产物的动态调节结果，来确定影响代谢产物的代谢网络中的关键因子。

背景技术

在工业生产中，很多生活必需的化合物如燃料和塑料、聚合物和药物材料等都可以通过微生物代谢工程生产。代谢工程通过操纵微生物的基因或者酶为制造天然产品提供了一条绿色可持续的代谢途径，用于进行进一步的途径改造和大规模生产。但是在很多情况下，由于途径中参与反应的酶活性不足和中间代谢产物利用不充分的限制，导致细胞工厂目标代谢产物的产量不足，这种在代谢网络中对代谢产物的产量具有较大的影响的反应，被定义为促进目标代谢产物的关键因子。

由于代谢网络中生化反应和酶的对应关系，有一些工作是基于限速酶来定位关键反应的。例如，异戊烯基二磷酸(IPP)-二甲基烯基二磷酸(DMAPP)异构酶(IDI)是异戊二烯生物合成的一个限速酶，由于它具有调整IPP和DMAPP的细胞内浓度方面的作用，并发现其对应基因的有序共表达可以明显改善大肠杆菌中的异戊二烯生产，这些限速酶的过表达可以有效提高对应关键反应的代谢通量，进而提高MEP途径的通量，最终提高目标产品的前体供应和最终产物的生产。

现阶段，对于关键因子的挖掘和定位研究大多都是基于生物实验，体外模拟途径等。例如，通过遍历代谢途径中的所有基因，按顺序敲除单个目标基因，对比敲除前后底盘细胞对于目标化合物的产量，依此来判断目标基因对应的生化反应是否为影响代谢的关键因子，但由于实验成本和技术限制，很难扩大评估目标途径。体外实验是通过在含有底物和辅助因子的溶液中加入催化途径反应的酶的混合物来启动代谢途径，模拟体内的代谢过程，这一方法将体内的整条途径搬到体外来进行产物提取分析，从而定位到目标酶所对应的关键反应。由于代谢系统的复杂性，这一方法缺少生物体内酶的相互作用信息，不能完全模拟代谢过程。

之前的工作由于生物实验和体外模拟途径的限制，不能有效地提取多个代谢关键因子。并且，对于代谢途径中的大多数酶来说，直接对其产物进行高通量检测可操作性不高。此外，对多个关键酶进行单独的酶修饰难度也极大，而且可能会产生新的关键因子。有的工作是基于文献整理收集了不同物种的限速酶数据库，缺乏对其他未测量菌株或者生物的关键酶的注释。还有的方法是基于单独一种底盘细菌进行的关键因子或者限速步骤的研究，对其它菌株缺少指导价值。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于通量平衡分析的代谢网络关键因子挖掘方法。该方法不需要复杂的领域知识，通过输入代谢网络模型以及目标化合物，可以直接挖掘对目标化合物影响最大的k个反应，用于快速辅助生物学家优化代谢网络。本方法所描述的关键因子指代谢网络中的特定生化反应，然后可以根据代谢网络中反应和酶的对应关系，可以定位该生化反应对应的催化酶，从而从蛋白质组学和代谢组学分析目标途径。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于通量平衡分析的代谢网络关键因子挖掘方法，包括以下步骤：

步骤一：从已知代谢网络N中获取反应集合R以及代谢物集合M，给定目标代谢物m_T，其中，m_T∈M；

步骤二：从反应集合R中获取所有反应产物为m_T的反应集合R_T，其中