整合組學(xué)分析的黑曲霉代謝控制論模型研究.pdf

1、檸檬酸是一種重要的有機(jī)酸，安全無毒，廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，年產(chǎn)量已達(dá)160萬噸。中國是世界上最大的檸檬酸生產(chǎn)國與出口國，黑曲霉發(fā)酵是工業(yè)生產(chǎn)檸檬酸的主要途徑，因此研究黑曲霉的代謝過程有著重要的意義。
　　本文以黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸為研究對(duì)象，建立了發(fā)酵過程的控制論模型。首先結(jié)合文獻(xiàn)中已經(jīng)取得的研究成果和組學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（根據(jù)代謝組學(xué)數(shù)據(jù)確定參與代謝的主要物質(zhì)），構(gòu)建了黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸的中心代謝網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包含21個(gè)生化反應(yīng)

2、。然后根據(jù)模型的特點(diǎn)和計(jì)算要求，并結(jié)合蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)中心代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，得到了包含有15個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)和胞內(nèi)代謝反應(yīng)的簡(jiǎn)化代謝網(wǎng)絡(luò)。
　　根據(jù)控制論模型的基本假設(shè)和代謝通量分析，確定了簡(jiǎn)化代謝網(wǎng)絡(luò)中的基本代謝途徑（收斂代謝或者發(fā)散代謝）及相應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)類型（替代型競(jìng)爭(zhēng)或者互補(bǔ)型競(jìng)爭(zhēng)）?；诟?jìng)爭(zhēng)類型和最優(yōu)化原理，通過匹配定律和比例定律計(jì)算得到控制變量。對(duì)胞外非生物物質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)平衡建模，包括底物的吸收和產(chǎn)物的生成，并引入調(diào)

3、節(jié)器模型描述發(fā)酵初期酶系未完全建立的情況下底物的轉(zhuǎn)運(yùn)情況。對(duì)胞內(nèi)的生物物質(zhì)，包括細(xì)胞的生長(zhǎng)過程和胞內(nèi)主要代謝物，以及胞內(nèi)的酶建立物質(zhì)平衡，并將控制酶活性的控制變量u和控制酶生成速率的控制變量v耦合到物質(zhì)平衡方程中，對(duì)模型進(jìn)行修正。此外，建立了 ATP和NADH的動(dòng)態(tài)平衡，并對(duì)在線發(fā)酵數(shù)據(jù)，主要是OUR和CER進(jìn)行了仿真研究，并建立了胞外淀粉水解和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)模型。
　　給出了控制論模型的仿真結(jié)果及其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：胞