基于基因组尺度代谢网络模型的代谢工程设计预测方法技术

一种基于基因组尺度代谢网络模型的代谢工程设计预测方法：分别获取目的菌湿实验数据和高质量基因组尺度代谢网络模型；根据湿实验数据进行模拟条件设定；模拟实验菌的生长状态获得代谢通量分布，模拟优化工程菌的生长状态获得代谢通量分布；将两种代谢通量分布进行比较，确定两者之间的反应通量分布的不同；根据比较结果以及基因组尺度代谢网络模型中的基因-反应对应关系，得到相应的基因预测结果，从而确定将实验菌改造成优化工程菌所需进行的代谢工程改造，进而制定相应的湿实验策略。本发明专利技术可应用于任何具有基因组尺度代谢网络的物种，以及模拟预测网络模型计算能力范围内的任何产品，特别对于基因序列尚不明确的代谢工程菌具有很好的指导意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种代谢工程设计的计算机预测。特别是涉及一种可应用于任何具有基因组尺度代谢网络物种的。
技术介绍
目前利用基因组尺度代谢网络模型进行的计算机预测多为必需基因预测或不同底物利用情况的预测，所用的方法为通量平衡分析，通过计算机预测能够得到目标产物的最优合成途径，但是无法判定野生菌或实验室使用的工程菌经过怎样的改造才能够实现最优合成途径。同时，根据野生菌基因组建立的代谢网络模型无法模拟基因序列尚不清楚的工程菌的代谢状況。另外，对于酿酒酵母，已经有预测通过添加外源基因提高目标产物产量的方法，但是目前还没有对于菌体内已有基因进行代谢工程设计的计算机预测方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够利用基因组尺度代谢网络模型，对生物实验的设计进行计算机预测，从而有针对性的指导生物实验的。本专利技术所采用的技术方案是一种，包括如下步骤I)分别获取目的菌湿实验数据和高质量基因组尺度代谢网络模型；2)根据湿实验数据进行模拟条件设定；3)模拟实验菌的生长状态，获得模拟实验菌的代谢通量分布，以及模拟优化工程菌的生长状态，获得与实验菌同样培养条件下模拟优化工程菌的代谢通量分布；4)将模拟实验菌的代谢通量分布与模拟优化工程菌的代谢通量分布进行比较，确定优化工程菌与实验菌之间的反应通量分布的不同；5)根据步骤4)的比较结果以及基因组尺度代谢网络模型中的基因-反应对应关系，得到相应的基因预测结果，从而确定将实验菌改造成优化工程菌所需进行的代谢工程改造，进而制定相应的湿实验策略。步骤2)所述的模拟条件设定，是按照实验室使用的培养基组成，以及实验测定的溶氧水平、菌体生长速率、目标产物以及副产物产量对模型中的參数进行设定。步骤3)所述的实验菌是野生菌或工程菌。步骤3)所述的模拟优化工程菌的生长状态，是在解除对目标产物以及副产物产量的设定，其他条件保持与步骤I)相同的条件下进行模拟，从而获得与实验菌同样培养条件下优化工程菌的代谢通量分布。步骤4)所述的比较是在模拟实验菌的代谢通量分布与模拟优化工程菌的代谢通量分布有不同的反应中，当ー个反应在优化工程菌中的代谢通量高于实验菌的代谢通量时，表明该反应需要通过过表达进行优化；当该反应在优化工程菌中的代谢通量低于实验菌的代谢通量时，表明该反应需要通过低表达进行优化；当该反应在优化工程菌中的代谢通量为O，而在实验菌中的代谢通量不为O时，表明该反应需要通过敲除进行优化。本专利技术的，很好地解决了野生型菌株基因组尺度代谢网络模型难以应用到工程菌实验指导方面的问题。本专利技术对于指导湿实验设计，从而提高特定的具有商业价值的产物产量具有重要的作用。可应用于任何具有基因组尺度代谢网络的物种，以及模拟预测网络模型计算能力范围内的任何产品，特别对于基因序列尚不明确的代谢工程菌具有很好的指导意义。附图说明图I是本专利技术方法的流程图；图2是核黄素产量提高需改造的预测反应在不同代谢系统中的分布图中a碳代谢，b氨基酸代谢，c辅因子代谢，d核酸代谢，e运输反应，f交換反应。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术的做出详细说明。本专利技术的的实现，首先保证作为基础的全基因组尺度代谢网络模型具有较高的质量。并且，本专利技术是利用COBRAエ具包进行编程计算。如图I所示，本专利技术的，包括如下步骤I)分别获取目的菌湿实验数据和高质量基因组尺度代谢网络模型；2)根据湿实验数据进行模拟条件设定，所述的模拟条件设定，是按照实验室使用的培养基组成，以及实验测定的溶氧水平、菌体生长速率、目标产物以及副产物产量对模型中的參数进行设定；3)模拟实验菌的生长状态，所述的实验菌是指野生菌或工程菌，获得模拟实验菌的代谢通量分布，以及模拟优化工程菌的生长状态，获得与实验 菌同样培养条件下模拟优化工程菌的代谢通量分布，所述的模拟优化工程菌的生长状态，具体是在解除对目标产物以及副产物产量的设定，其他条件保持与步骤I)相同的条件下进行模拟，从而获得与实验菌同样培养条件下优化工程菌的代谢通量分布；4)将模拟实验菌的代谢通量分布与模拟优化工程菌的代谢通量分布进行比较，确定优化工程菌与实验菌之间的反应通量分布的不同，所述的比较是在模拟实验菌的代谢通量分布与模拟优化工程菌的代谢通量分布有不同的反应中，当ー个反应在优化工程菌中的代谢通量高于实验菌的代谢通量时，表明该反应需要通过过表达(overexpress)进行优化；当该反应在优化工程菌中的代谢通量低于实验菌的代谢通量时，表明该反应需要通过低表达(underexpress)进行优化；当该反应在优化工程菌中的代谢通量为0，而在实验菌中的代谢通量不为O时，表明该反应需要通过敲除(knockout)进行优化；5)根据步骤4)的比较 结果以及基因组尺度代谢网络模型中的基因-反应对应关系，得到相应的基因预测结果，从而确定将实验菌改造成优化工程菌所需进行的代谢工程改造，进而制定相应的湿实验策略。下面是将本专利技术的用在野生型枯草芽孢杆菌以及枯草芽孢杆菌工程菌在最小培养基上进行的核黄素生产上的实例。所采用的模型是申请者自行构建的野生型枯草芽孢杆菌基因组尺度代谢网络模型，该模型包含1145个基因和1735个反应，实验菌生长条件的数据来自史硕博等2009年在ME上发表论文中Bacillus subtilis 168的实验数据，该菌种在最小培养基上进行培养，最小培养基包含的元素组成及其在模型中通量的上下限如表I所示。各通量交换反应上下的设定主要依据以下几点(I)K+, Na+，Mg2+，Ca2+，Fe3+，CO2, H2O和H+可以自由地进入和离开网络，因此它们反应通量的上限为 IOOOmmol g DWr1IT1，下限为-IOOOmmoI g Dff_1h_1 ；(2)由于枯草芽孢杆菌为需氧菌，因此设氧气可以自由进入网络，却不可能离开网络(即生成氧气)，因此设定氧气交换反应通量的下限为-lOOOmmol g DW^tr1,上限为O ;(3)碳源、氮源、硫源、磷源作为从培养基中获得的有限底物，其最大吸收速率根据实验设定为5mmol g DiT1IT1,即其通量交换反应的下限为_5mmol g DWr1IT1,上限为IOOOmmolg DW^tT1。其中,根据实验条件,菌体利用的碳源为a-D-葡萄糖。表I最小培养及条件及通量设置权利要求1.一种，其特征在于，包括如下步骤 1)分别获取目的菌湿实验数据和高质量基因组尺度代谢网络模型； 2)根据湿实验数据进行模拟条件设定； 3)模拟实验菌的生长状态，获得模拟实验菌的代谢通量分布，以及模拟优化工程菌的生长状态，获得与实验菌同样培养条件下模拟优化工程菌的代谢通量分布； 4)将模拟实验菌的代谢通量分布与模拟优化工程菌的代谢通量分布进行比较，确定优化工程菌与实验菌之间的反应通量分布的不同； 5)根据步骤4)的比较结果以及基因组尺度代谢网络模型中的基因-反应对应关系，得到相应的基因预测结果，从而确定将实验菌改造成优化工程菌所需进行的代谢工程改造，进而制定相应的湿实验策略。2.根据权利要求I所述的，其特征在于，步骤2)所述的模拟条件设定，是按照实验室使用的培养基组成，以及实验测定的溶氧水平、菌体生长速率、目标产物以及副产物产量对模型中的参数进行设定。3.根据权利要求I所述的，其特征本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝彤，赵学明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：