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1、團2014，Voll31No．02億與生物7-貍Chemistry&Bioengineeringdoi：10．3969／j．issn．1672—5425．2014。02．008克雷伯氏桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)的基元模式優(yōu)化分析闞南方。張青瑞。楊曉萌，曹長青(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島266042)摘要：對克雷伯氏桿菌代謝甘油產(chǎn)1，3一丙二醇的代謝網(wǎng)絡(luò)進行了基元模式分析，并結(jié)合不同發(fā)酵階段下的胞外代謝產(chǎn)物積累速率，以生物量最大化為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用線性規(guī)劃對其微氧和厭氧條件下的代謝網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化分析．得出不同發(fā)酵階段各基元模式的通量值。結(jié)
2、果表明：微氧條件下不同發(fā)酵階段生物量合成的最優(yōu)基元模式相同；厭氧條件下延遲期和穩(wěn)定期的最優(yōu)基元模式相同，對數(shù)期的最優(yōu)基元模式不同；各最優(yōu)基元模式對1，3一丙二醇合成貢獻(xiàn)較大；氧化磷酸化途徑在維持NAD／NADHz和ATP／ADP平衡中起重要作用，更有利于生物量和1，3～丙二醇的合成。關(guān)鍵詞：基元模式分析；克雷伯氏桿菌；代謝網(wǎng)絡(luò)；生物量最大化；1，3一丙二醇中圖分類號：TQ35文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672—5425(2014)02—0030—05細(xì)胞內(nèi)的代謝網(wǎng)絡(luò)是一組酶反應(yīng)及傳輸互動的過解、生物過程模擬、菌株設(shè)計等方面的
3、應(yīng)用。程。體內(nèi)途徑通量的量化是細(xì)胞生理學(xué)和代謝工程學(xué)l，3一丙二醇(1，3-PD)作為具有優(yōu)良性質(zhì)的聚酯、的一個重要目標(biāo)。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，憑借聚醚和聚亞胺酯的單體，是一種應(yīng)用前景廣闊的化工數(shù)學(xué)和計算機系統(tǒng)結(jié)合理論方法對代謝過程進行量化原料l-8]。生物柴油的生產(chǎn)過程中會副產(chǎn)1O9／6的粗甘分析，從而提高反應(yīng)效率和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率，有助于改進現(xiàn)油，而克雷伯氏桿菌(K．pneumoniae)可將此粗甘油作有的生物反應(yīng)技術(shù)[1]。為碳源和能源物質(zhì)來生產(chǎn)高附加值的1，3-PD，既解決大多數(shù)理論方法，例如代謝通量分析(MFA)，
4、都了粗甘油的處理問題又降低了不可再生資源的消耗，是以代謝網(wǎng)絡(luò)中各種代謝產(chǎn)物的化學(xué)計量反應(yīng)為基減少了環(huán)境污染。因此，微生物法生產(chǎn)l，3-PD越來礎(chǔ)]。代謝網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)細(xì)節(jié)與實驗測得的胞外代謝產(chǎn)越受到人們的重視[IJ]。物積累速率相結(jié)合，以此為約束條件來確定通量分布。作者在此利用K．pneumoniae不同發(fā)酵階段下實以化學(xué)計量為約束，線性規(guī)劃被用來最大化目標(biāo)函數(shù)，驗測得的胞外代謝產(chǎn)物積累速率，以基元模式為約束這同樣在通量平衡分析(FBA)中使用[3]。這些方法已條件，應(yīng)用線性規(guī)劃對其微氧和厭氧發(fā)酵進行優(yōu)化分廣泛應(yīng)用于各種微生物
5、系統(tǒng)中。近年來，代謝網(wǎng)絡(luò)的析，擬為菌株改造和l，3一PD生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。反應(yīng)細(xì)節(jié)已經(jīng)被用來確定基元模式，它被定義為與胞外代謝產(chǎn)物相關(guān)的最小酶集合]，這些酶可以使該模1克雷伯氏桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)模型與算法式能夠在穩(wěn)定的代謝通量分布狀況下朝一定方向進1．1代謝網(wǎng)絡(luò)模型行?；Ｊ椒治鲆坠烙嫶x產(chǎn)物的最大產(chǎn)量，確定根據(jù)文獻(xiàn)口o]和相關(guān)的生物化學(xué)知識構(gòu)建反應(yīng)方向所固有的通量分布以及使用矩陣代數(shù)確定代謝網(wǎng)絡(luò)的通量[5]。Xu等利用基元模式分析了釀酒K．pneumoniae代謝甘油的代謝網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。酵母(Saccharomycesc
6、erevisiae)的葡萄糖厭氧發(fā)酵過為減少不必要的基元模式，便于分析，該代謝網(wǎng)絡(luò)程，預(yù)測出了最佳代謝路徑及代謝表型，有效地指導(dǎo)了未考慮胞外代謝物琥珀酸和乙醛酸循環(huán)。微氧代謝網(wǎng)工程菌株釀酒酵母的構(gòu)建，提高了乙醇產(chǎn)量。趙權(quán)宇絡(luò)包括38個胞內(nèi)代謝物、17個胞外代謝物、52個不同等【7綜述了基元模式分析(elementarymodesanaly—的反應(yīng)，該網(wǎng)絡(luò)主要存在于糖酵解途徑(EM)、戊糖磷sis，EMA)的算法和軟件開發(fā)現(xiàn)狀及其在代謝通量分酸途徑(PP)、完整的三羧酸(TCA)循環(huán)、氧化磷酸化基金項目：山東省自然科學(xué)基金資
7、助項目(ZR2O13BM001)收稿日期：2013-11-21作者簡介：闞南方(1987-)，女，安徽宿州人，碩士研究生，研究方向：化工系統(tǒng)工程。E—mail：nanfang一722@163．corn；通訊作者：張青瑞，副教授，E—mail：zhangqingrui@qust．edu．cn。闞南方等：克霄伯氏桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)的基元模式優(yōu)化分析／2014年鞭2期表1各種代謝產(chǎn)物在不同時間點的積累速率／(mmol·L_?！)Tab．1Accumulationratesofvariousmetabolitesatdifferent
8、timepoints／(mmol·L·h)由表l可看出，延遲期u(0～2h)，細(xì)胞物質(zhì)開始增加，菌株幾乎不增加；對數(shù)期(2～6h)，菌株生長提供了足夠的物質(zhì)基礎(chǔ)，代謝旺盛，1，3一PD有較高的積累速率；穩(wěn)定期(6～8h)，營養(yǎng)物質(zhì)不斷消耗，菌株數(shù)目保持相對穩(wěn)定，1，3-PD積累達(dá)到最高峰。2結(jié)果與討論利
