实验室适应性进化的方法技术

本发明专利技术涉及细胞和/或生物体的实验室适应性进化。具体地，本发明专利技术涉及用于细胞或生物体的实验室适应性进化的方法，以便在不需要进行基因工程的情况下产生所需代谢特征。此外，本发明专利技术提供了计算机程序单元和计算机可读介质。此外，本发明专利技术涉及由本发明专利技术方法所获得的细胞或生物体。

Laboratory Adaptive Evolution Method

The present invention relates to the laboratory adaptive evolution of cells and/or organisms. Specifically, the present invention relates to a method for laboratory adaptive evolution of cells or organisms to generate the required metabolic characteristics without the need for genetic engineering. In addition, the present invention provides a computer program unit and a computer readable medium. In addition, the present invention relates to cells or organisms obtained by the method of the present invention.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】实验室适应性进化的方法
本专利技术涉及细胞和/或生物体的实验室适应性进化。具体地，本专利技术涉及用于细胞或生物体的实验室适应性进化的方法，以便在不需要进行基因工程的情况下产生所需代谢特征。此外，本专利技术提供了计算机程序单元和计算机可读介质。此外，本专利技术涉及由本专利技术方法所获得的细胞或生物体。
技术介绍
实验室适应性进化(实验室适应性驯化，adaptivelaboratoryevolution)是指在导致适应性变化的限定条件下培养细胞或生物体，这些适应性变化是细胞或(微生物)生物体群体在指定生长条件下的选择期间积累下来的。最近人们对微生物菌株进行经设计的修饰越来越感兴趣，例如在食品工业中，通常不希望进行基因工程或根本不能应用基因工程。此外，即使可以应用基因工程，该方法也是受限的，特别是在发展复杂特征方面。到目前为止，难以预测在实验室适应性进化期间所需特征如何发展。特别是，在不同参数或组分变化的各种条件下，预测所需特征具有挑战性。具体地，难以建立不能将细胞适合性最大化的代谢特征。由于自然选择对适应性更高的细胞有利，因此适应性进化的条件选择是非直观的，尤其是当在目标条件下所需代谢特征不能使细胞适应性最大化时。术语“目标条件”或“目标小生境”是指旨在细胞或生物体的所需应用(例如，生产风味化合物或葡萄酒发酵)的化学环境。因此，需要能够设计对代谢特征进行修饰和/或开发复杂代谢特征的方法。具体地，需要评估化学环境对于所需代谢特征进化的适用性的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供设计用于适应性进化的化学环境以产生所需代谢特征的方法。可以通过根据独立权利要求之一的主题来解决该目的。参考附图，从属权利要求描述了本专利技术的实施方式。所描述的实施方式类似地涉及用于评估化学环境的适用性的方法、计算机程序单元和计算机可读介质。虽然可能未对实施方式的不同组合进行详细描述，但是它们可以产生协同效应。应当注意，在本专利技术上下文中，术语“通量(flux)”和“通量函数(functionofflux)”以及“通量(fluxes)”和“通量函数(functionsoffluxes)”将可互换使用。此外，应当注意，可以按照所描述的步骤顺序进行关于方法的本专利技术所有实施方式，然而这不是该方法步骤唯一且必不可少的顺序。由此描述了该方法步骤所有的不同顺序和组合。根据本专利技术的第一方面，提供了用于评估化学环境对于进化细胞或生物体的所需代谢特征的适用性的方法。该方法包括对代谢模型中的一种或多种通量进行模拟，特别是对代谢模型中的一种或多种通量函数进行模拟。因此，代谢模型包括生化反应和胞外化合物输入和输出的化学计量表示。代谢特征包括目标的集合，后者是在细胞或生物体中存在的通量函数。所需代谢特征在其中旨在细胞或生物体的所需应用的目标环境中不提供适合性益处。具体地，所需代谢特征在其提供适合性益处的进化化学环境中得以进化，而在目标环境中所需特征不提供适合性益处。在目标环境中，利用所需特征。在目标环境中，所需特征允许增加或减少至少一种所需通量和/或避免至少一种通量增加或减少。在一个具体的实施方式中，在目标环境中所需特征允许至少一种所需产物的产生通量增加。技术人员应理解的是，进化环境和目标环境不同，例如，进化环境和目标环境的组成不同。因此，一个具体的实施方式涉及用于评估化学环境对于进化细胞或生物体的所需代谢特征的适用性的方法，其中旨在将细胞或生物体用于其中所需代谢特征不提供适合性益处的不同化学环境中。换言之，一些实施方式涉及用于评估进化化学环境对于进化细胞或生物体的所需代谢特征的适用性的方法，其中将所需代谢特征用于目标环境中，而在目标环境中所需代谢特征不提供适合性益处。采用根据本专利技术的方法，可以确定合适的化学环境，可以将其用于进化细胞或生物体的所需代谢特征。根据本专利技术的一个实施方式，采用化学计量矩阵以表示代谢模型。可替换地，可以提供代谢模型的图表示法。应当注意，在本专利技术上下文中，对模型中的一种或多种通量函数进行模拟可以是指对一种或多种通量函数进行优化。根据本专利技术的代谢特征是由细胞或生物体的相应模型的多种目标之一或其组合所构建的细胞或生物体的代谢特性。因此，代谢特征由至少一种目标、优选至少两种目标(例如3种、4种、5种、6种、7种、8种、9种、10种或更多种目标)构建。目标表示在细胞或生物体中存在的通量函数。通常，代谢特征在细胞或生物体的多个世代中得以进化。这表示进化代谢特征需要细胞或生物体的至少两代，例如至少10代、至少50代、至少100代、至少200代、至少300代或更多代，优选至少50代、更优选约100代。这表示将细胞或生物体在化学环境中培养一段时间，特别是在进化化学环境中培养数天、数周、数月或数年。术语“代谢特征”是指细胞或生物体的代谢性状，例如在某些条件下产生某种产物的能力，在某些条件下存活和繁殖的能力，如某些pH、某些气体水平或某些营养素，优选某些气体水平或某些营养素。如果化学环境适合于建立代谢特征，则认为该化学环境适合于进化代谢特征。这表示，当将细胞或生物体的群体保持(即培养)在该化学环境中时，细胞或生物体的部分群体已经建立了代谢特征，例如至少一个细胞或生物体已经建立了代谢特征。优选地，至少5％、至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％或更多的群体已经建立了代谢特征。术语“已经建立了代谢特征”表示后续世代(如2代、10代、100代、1000代、5000代或更多代)的代谢特征不会在进化化学环境和/或目标化学环境中丧失。具体地，这表示在具有代谢特征的至少50％、60％、70％、80％或90％的细胞中，该特征不会在后续世代中丧失。在本专利技术的上下文中，可能需要使模型中的至少一种通量函数是上调目标，其中上调目标是期望由于暴露于化学环境而增加的通量函数。本专利技术的具体优势在于可以定量估计/评估化学环境对于进化细胞或生物体的特定代谢特征的适用性。本专利技术的所需应用是指在具有本专利技术方法所确定的合适化学环境的进化小生境中的细胞或生物体的进化。在确定的合适化学环境中的进化强化或增强所需代谢特征。随后，将细胞或生物体转移到目标小生境(例如，生产化学环境)中，其中细胞或生物体的被强化或被增强的代谢特征将产生所需产物，如风味化合物，例如由酵母产生的风味化合物。根据本专利技术的实施方式，对一种或多种与生长有关的目标进行模拟。因此，生长是通过产生生物质组分或生物质的一种或多种反应的通量函数。“目标反应”或“目标”被认为与生长有关，以便在本方法的上下文中设定或引入数值范围(scale)。这允许比较彼此之间的不同环境。例如，可以认为在适应性进化中对反应(即对给定酶的活性)的选择压力越高，则每单位生长需要的目标更高。这是因为适应性进化中自然选择有利于快速/高产量生长。例如，在第一环境中，上调目标的与细胞生长有关的值较高。而在第二环境中，相同目标的与细胞生长有关的值较低，在这两种情况中均假定生长最佳。对于生长率或生长产量增加，第一环境情况下目标的值需要高于第二种情况下目标的值。通过分别对这两种情况每一种进行与生长有关的比较，可以将这两种化学环境在定量水平上进行相互比较。在一个实施方式中，至少一种上调目标选自由L-苏氨酸醛缩酶、丙酮酸羧化酶、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于评估进化化学环境对于进化细胞或生物体的所需代谢特征的适用性的方法，所述方法包括对代谢模型中的一种或多种通量函数进行模拟，其中所述代谢模型包括生化反应和胞外化合物的输入和输出的化学计量表示，其中所述代谢特征包括目标的集合，其中所述目标是通量函数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.06 EP 16178113.31.一种用于评估进化化学环境对于进化细胞或生物体的所需代谢特征的适用性的方法，所述方法包括对代谢模型中的一种或多种通量函数进行模拟，其中所述代谢模型包括生化反应和胞外化合物的输入和输出的化学计量表示，其中所述代谢特征包括目标的集合，其中所述目标是通量函数。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述所需代谢特征在旨在使用所述细胞或生物体的目标化学环境中不提供适合性益处。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述所需代谢特征在所述进化化学环境中提供适合性益处。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对一种或多种与生长有关的目标进行模拟，其中所述生长是产生生物质组分或生物质的一种或多种反应的通量函数，并且其中在将所述生长约束为固定值或在一定范围内时进行模拟。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在对任意摄取设定约束时进行模拟，其中所述摄取是表示胞外化合物输入的反应的通量函数。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在将摄取总和约束为固定值或在一定范围内时进行模拟，其中可选地在将摄取总和约束为最佳值时进行模拟，和/或其中在将任意摄取约束为固定值或在一定范围内时进行模拟。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将上调目标和下调目标优化为相反方向，其中所述上调目标是需要增加的那些目标，和其中所述下调目标是需要降低的那些目标，其中任选地，将上调目标的绝对值最小化并且将下调目标的绝对值最大化，和/或其中对超过或低于至少一个阈值的目标数量进行优化。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对超过或低于至少一个阈值的与生长有关的目标数量进行模拟，并且其中可选地针对参考化学环境中的通量函数确定所述至少一个阈值。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述模拟中限定至少一种被抑制的通量，并且其中可选地通过将反应的通量约束为零来进行模拟，所述反应的通量是所述进化化学环境所包含的抑制剂或调节触发剂的目标。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：确定所述进化化学环境的数值得分，其中所述得分指示所述化学环境中最差情况选择压力对所述目标的强度，其中所述得分指示所述进化化学环境中所述选择压力对所述目标的最差情况覆盖度，和/或其中在确定所述进化化学环境的所述得分时，所述得分考虑所述进化化学环境中的组分数量。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中对一种或多种与生长有关的目标反应的通量函数进行模拟，所述方法包括以下步骤：(a)对施加多个约束的所述模型进行第一优化，从而确定第一优化结果，其中约束设定将生长限定为固定值或在一定范围内的条件；其中约束设定所述模型中通量的热力学界限；其中所述模型的所述第一优化使摄取总和优化，(b)采用所述第一优化结果进行第二优化，从而确定第二优化结果，其中约束将生长设定为固定值或在一定范围内；其中约束将摄取总和设定为所述第一优化结果，其中所述第二优化结果指示所述进化化学环境的适用性，其中所述模型的所述第二优化促进被确定为优化上调目标总和的条件，和其中所述模型的所述第二优化促进被确定为优化下调目标总和的条件。12.根据前述权利要求所述的方法，还包括以下步骤：(c)对所述模型进行第...

【专利技术属性】
技术研发人员：宝拉·图拉·裘登，基兰·拉奥萨哈布·帕蒂尔，
申请(专利权)人：欧洲分子生物学实验室，
类型：发明
国别省市：德国,DE