融合原子交换特征信息的代谢路径预测

为获取从任意起始代谢物到目标代谢物的生化相关性较好的代谢路径,提出一种融合原子交换特征信息的基于约束的代谢路径预测算法PVA。结合代谢网络中具有的原子交换特征信息,建立一种基于约束的混合整数线性规划(MILP)代谢路径预测模型,以搜索从任意起始代谢物到目标代谢物并包含特定原子交换信息的代谢路径。实验结果表明,与同类方法相比,PVA能够有效地发现生化相关性更好的代谢路径。

融合关键反应段特征信息的代谢路径排序方法

针对现有代谢路径预测算法仅以单一代谢反应为特征进行路径排序,难以得到高质量路径预测结果的问题,本文引入代谢路径关键反应段的概念,用以捕捉和度量代谢路径的结构功能特征,为充分利用路径的结构功能特征信息,提出一种融合代谢路径关键反应段的信息熵与互信息对代谢路径进行评分和排序的模型,在此基础上设计一种融合关键反应段特征信息的代谢路径排序方法KPRank.在KEGG代谢数据库上的实验结果表明,本文方法KPRank有效提高了代谢路径预测结果的质量.

一种基于代谢路径构建系统发生树的有效方法

构建系统发生树是研究物种起源和演化的重要手段.本文基于KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)代谢路径,引入图论的"核"概念,提出一种构建系统发生树的方法.首先解决在无数据丢失前提下,代谢路径数据的提取和表示问题,其次将不同代谢路径的相似度定义为图的核部分与非核部分各自匹配程度的加权之和,利用距离矩阵构建物种间的系统发生树.通过大量试验数据和NCBI(National Center for Biotechnology Information)分类法进行比较,验证了本文方法的有效性.

微生物代谢路径的优化与调控

代谢路径平衡对化学品、药品和生物燃料的生产具有重要的作用。为了满足工业化生产的需求,维持代谢路径最优平衡是实现代谢流高效化导向目标代谢产物的必要手段。从DNA、RNA、蛋白质和代谢物四个水平,分析归纳了微生物代谢路径的优化与调控策略,并展望了代谢路径平衡进一步精深调控的发展方向。

基于改进MILP算法的甘油发酵产1,3-丙二醇最优可行代谢路径分析

针对混合整数线性规划(MILP)算法求解所有最优可行解时变量搜索范围过大的问题,提出了用通量可变性分析(FVA)改进MILP算法;并以克雷伯氏杆菌发酵甘油产1,3-丙二醇(1,3-PD)为研究对象,以1,3-PD产率最大为优化目标,利用改进MILP算法得到不同氧气消耗下所有最优代谢路径;进一步通过ATP消耗总量分析,确定ATP消耗最小的最优代谢路径。

一株脱氮菌的氮代谢路径研究

从环境中筛选出一株异养硝化-好氧反硝化门多萨假单胞细菌P.mendocina L2,通过实验发现L2细菌的生长和脱氮最适碳源为柠檬酸钠,最适C/N为15,最适培养温度为30℃,最适培养转速为200 r/min,最佳接种量为1%。其在该条件下能够使用氨氮、亚硝态氮和硝态氮作为反应底物进行硝化或反硝化反应,48 h后总氮去除率达40%以上。使用分子生物学手段从L2细菌中扩增出氮转化途径相关基因,推测菌株L2的完整硝化及反硝化路径为NH_(4)^(+)→NH_(2)OH→NO_(2)^(-)→NO_(3)^(-)→NO_(2)^(-)→NO→N_(2)O→N_(2),为异养硝化-好氧反硝化现象发生机理的研究提供参考。

基于代谢路径优化提升丁烯基多杀菌素产量的研究进展

丁烯基多杀菌素(butenyl-spinosyn)是一种由须糖多孢菌(Saccharopolyspora pogona)产生的大环内酯类抗生素,属于绿色环保型生物农药,在防治害虫和粮食储藏方面具有很高的应用价值。野生型菌株产量较低,限制了丁烯基多杀菌素的应用,高产菌株的育种和发酵工艺优化是提升丁烯基多杀菌素产量的有效方法。对近年来遗传育种提高丁烯基多杀菌素的方法进行总结,分析须糖多孢菌的碳、氮、磷酸盐代谢通路改造及转录调控对丁烯基多杀菌产量的影响,展望异源表达进行菌株育种的前景,以期对丁烯基多杀菌素高产菌株的构建和优化提供有价值的参考。

从“脾主化”角度探讨湿阻中焦证大鼠线粒体能量代谢路径的影响及平胃散的干预作用

目的 从'脾主化'角度探讨湿阻中焦证大鼠线粒体能量代谢路径的影响,揭示湿阻中焦致能量代谢失衡的部分分子机制和脾胃调控线粒体能量代谢路径的作用靶点及平胃散对其修复作用机制的科学内涵。方法 模拟'外湿过盛、困阻脾胃、饮食不节,湿从内生、情志不遂,气机受阻、水湿不运'三大致湿病因,建立湿阻中焦证模型。用超微量ATP酶试剂盒检测肝脏组织Na^+-K^+-ATP酶活性;用酶联免疫法(ELISA)法检测肝脏组织中柠檬酸合酶(CS)及呼吸链复合体I(RCCI)、呼吸链复合体IV(RCCIV)活性;微量法检测肝脏组织中α-酮戊二酸脱氢酶(α-KGDHC)、异柠檬酸脱氢酶(IDH)活性;高效液相色谱技术检测组织中ATP、ADP含量;分光光度法检测组织中NAD^+含量。结果 与正常组相比,模型组大鼠Na^+-K^+-ATP酶活性降低,CS,IDH,α-KGDHC活性均升高;ATP、NAD^+含量及RCCI、IV活性均降低。与模型组相比,平胃散组大鼠Na^+-K^+-ATP酶活性;α-KGDHC活性升高明显,IDH显著降低;RCCI、 IV活性及ADP、NAD+含量均升高,ATP含量有升高趋势。结论 湿阻中焦证模型可以影响线粒体能量代谢路径的相关因子,这可能是湿阻中焦致细胞能量代谢失衡的机制之一;基于'脾主化'理论平胃散能够改善缺损状态,参与能量代谢输布,这可能是脾胃调控能量代谢系统方面的作用靶点及平胃散燥湿健脾的作用机制之一。

酿酒酵母JP2代谢苹果酸途径及其关键基因解析

【目的】酿酒酵母JP2(Saccharomyces cerevisiae JP2)是从自然发酵枇杷酒醪中分离得到一株具有较好代谢苹果酸的酵母菌。为深入研究其内在降酸机理,对其进行全基因组测序和基因组序列信息解析,并分析其可能的代谢苹果酸途径,找出影响降酸的基因。【方法】基于Illumina Miseq和PacBio测序平台,联用第二代和第三代测序技术对酿酒酵母JP2和模式菌株酿酒酵母S288c进行全基因组测序,采用生物信息学方法对其进行序列组装、基因预测与功能注释,并挖掘JP2可能的苹果酸代谢路径。【结果】(1)通过对酿酒酵母JP2基因组组装共得到52个重叠群,整个基因组大小为11.98 Mbp,GC含量38.07%;JP2和S288c二者的全基因组大小和GC含量差异不大。(2)JP2代谢苹果酸的途径有3个:苹果酸→草酰乙酸→丙酮酸;苹果酸→丙酮酸;苹果酸→富马酸。相关的主要基因分别为maeA、MDH及fumC,其中苹果酸→草酰乙酸→丙酮酸是主要代谢路径,关键基因是maeA。(3)模拟发酵过程苹果酸代谢及其关键基因表达量变化显示,JP2的苹果酸含量下降了35.8%,下降程度显著高于S288c;与S288c相比,JP2的maeA基因呈现表达极显著上调(P<0.01),在发酵后期,其相对表达量达到起始值的130%。【结论】JP2在果酒发酵过程中呈现maeA基因高效表达,从而显著提高了苹果酸降解效率。研究结果可为酿酒酵母JP2降酸功能基因的研究以及降酸工程菌的研发提供技术支撑。

代谢工程改造微生物利用甲酸研究进展

微生物利用甲酸生产高附加值产品,是实现碳资源回收利用与绿色产业发展的重要策略之一。然而,在微生物利用甲酸过程中存在甲酸利用效率偏低、细胞生长速率缓慢、目标代谢物产量不高等问题。为了解决上述问题,本文从甲酸利用的微生物、代谢路径与代谢工程策略三个方面,系统总结分析了代谢工程改造微生物利用甲酸的研究进展。在甲酸利用微生物方面,概述了天然甲酸利用微生物的代谢特点以及模式微生物的代谢工程改造潜能;在甲酸利用代谢路径方面,梳理了天然的甲酸利用路径、重构与优化的甲酸利用路径与人工的甲酸利用路径的关键步骤、能量/还原力消耗与特点;在甲酸利用代谢工程策略方面,阐述了提高甲酸同化效率与改善甲酸利用微生物细胞生长的关键方法。最后,从甲酸利用的微生物、代谢路径与代谢工程策略三个方面,展望了微生物利用甲酸的发展方向,为甲酸生物经济的发展奠定了基础。

新型合成大麻素ADB-BUTINACA在不同时间段斑马鱼体内的代谢组学分析

采用液相色谱-高分辨质谱技术对不同时间段斑马鱼体内ADB-BUTINACA的21种代谢产物进行分析。首先采用正交信号变换的偏最小二乘判别分析和层次聚类分析方法筛选出7种具有显著性差异的组间代谢物,以7种差异代谢物为特征建立Stacking集成学习模型,对4组不同时间段的斑马鱼体内样本进行分类预测。结果显示,模型预测准确率高达98%,表明筛选的潜在差异代谢物能够有效反映不同时间段原药在斑马鱼体内的变化情况;对7种潜在差异代谢物在4类样本体内的含量变化进行富集分析,结果表明差异代谢物的总体含量随着染毒时间的增加而降低,各类代谢物的含量分布由最初的不均衡趋向于均衡分布。此外,实验发现大部分差异代谢物的代谢路径与羟基化反应密切相关,推测原药在生物体内发生羟基化反应与给药时间推断方面具有一定关联性。实验结果可为药物服用时间推断等相关领域分析提供依据。

小鼠对量子点的透皮吸收和代谢

皮肤是身体的最大器官,能够直接与含纳米材料的防晒霜、化妆品等接触,但是人们对纳米材料的皮肤渗透性却了解不多.本文研究了水溶性硫硒化镉(CdSeS)量子点纳米颗粒的皮肤渗透性和在体内的代谢情况.将雄性ICR鼠背部脱毛,在脱毛部位涂抹直径约为5 nm、发光波长为620 nm的量子点0.32 nmol,然后检测皮肤和心、肝、脾、肺、肾中量子点沉积量随时间的变化情况.荧光显微像显示,量子点能够堆积在皮肤的表皮层中和真皮层的毛囊和腺体中,电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)结果表明,透皮吸收的量子点能够沉积在器官中,并且肝和肾中沉积的量子点代谢缓慢,涂抹量子点5天之后,肾脏中残存的镉离子浓度仍超过14 ng/g.这些结果表明,量子点能够被小鼠透皮吸收,而且对肝和肾产生严重影响.

恩诺沙星在水生生物体内代谢产物的分析

抗生素因有高效、广谱的特点而被广泛使用。由于这类化合物具有亲水、弱挥发性等特征,使得天然水体可能成为其存在的主要"汇",进而对水生生物体造成一定的毒害效应。该研究以鲤鱼(Cyprinus carpio)为受试生物,以恩诺沙星为给药化合物,采用高效液相色谱串联三重四级杆质谱仪(HPLC-MS/MS),在电喷雾离子源正离子模式下进行选择离子(SIR)扫描,分析了恩诺沙星在鲤鱼肝脏中的代谢产物及转化路径。实验结果表明,在肝脏中共鉴定出8种代谢产物,包括脱乙基产物(M1)、哌嗪环降解产物(M2)、脱乙炔产物(M3)、脱氟产物(M4)、羟基化产物(M5、M8)、甲酰化产物(M6)和甲基化产物(M7),其中,脱乙基生成环丙沙星为主要物质。该研究结果为深入了解恩诺沙星在水生生物体内的生物转化提供了理论基础。

产酯酶格氏乳球菌的筛选、鉴定与基因组注释

本研究从浓香型白酒大曲进行初筛和复筛,得到一株高酯酶活力的菌株S5-4,对其全基因组测序、酯酶注释和代谢通路分析。该菌株的最大透明圈D/d比值(细菌透明圈直径与菌落直径之比)达到了2.27±0.02,经鉴定为格氏乳球菌(Lactococcus garvieae)。对其形态及生理生化特性进行鉴定,并对其产酯酶的酶活力进行测定,其产酯酶的活力为15.74 U/mL,在35℃厌氧发酵15 d能够合成乙酸乙酯(0.345 0±0.160 0)g/L、乳酸乙酯(0.298 3±0.230 0)g/L。S5-4基因组测序与注释结果显示,其基因组大小为2 191 113 bp,GC相对含量为37.99%,预测得到了1 486个基因,其中4个核糖体RNA、69个转移RNA和34个非编码RNA基因。S5-4基因组共注释出11种产酯酶基因,其中包括磷酸酯酶(胞内酶5个和细胞膜酶2个)、酰基辅酶A脱酰酶(胞内酶)、丙酸三酯酶(胞外酶)、羧酸酯酶(胞外酶)和木聚糖酯酶(胞内酶)的基因。基于功能基因组注释构建了S5-4以淀粉和半乳糖为碳源生产乙酸乙酯和乳酸乙酯代谢路径,与实验结果相符。根据菌株产酯酶特性,可用作在白酒酿造中酯化液的生物催化剂,或者将其作为大曲增香的强化剂。

稳定性同位素在植物次生代谢中的研究进展

植物次生代谢是植物在长期的进化过程中与环境相互作用的结果,其产物在植物生命活动的许多方面起着重要的生理作用,同时也是药物、香料和工业原料的重要来源。早期有关植物次生代谢路径的研究主要是通过放射性同位素示踪技术完成的。本文就稳定性同位素发现、理化特性、示踪原理和特点,及其在植物次生代谢路径研究中的应用进展进行了总结,分析了该技术对已知植物次生代谢路径的修正和未知代谢路径研究等方面的贡献,并提出了未来稳定性同位素示踪技术在植物次生代谢物合成路径领域的研究方向和前景。

强化前体(UDP-GalNAc)合成路径提高果糖软骨素的生产

硫酸软骨素是一种重要的糖胺聚糖,广泛应用于医药、食品、保健品行业。为了提高硫酸软骨素类似物果糖软骨素的生产,通过过量表达磷酸葡糖胺变位酶(GlmM)、葡萄糖胺合酶(GlmS),优化融合蛋白glmM-glmS的表达水平,获得了最优工程菌株E.coli K4-H-glmM-glmS,并确定了最适IPTG浓度(0.4 mmol/L)以及诱导温度(37℃)。最后,在5-L罐水平下,借助DO-stat补料模式,果糖软骨素的产量达到了3.99 g/L,较原始菌株提高了108.9%,为工业化生产果糖软骨素奠定了基础。

基于代谢组学研究原花青素B_(1)的肠道微生物代谢

目的:利用猪盲肠微生物通过体外静态培养的方式探究原花青素B_(1)的肠道微生物代谢。方法:在厌氧操作条件下,从新鲜屠宰的猪盲肠肠腔中获得孵育模型所需肠道微生物,配制培养基,孵育原花青素B_(1)。采集0,2,4,6,10,18 h的孵育液,用超高效液相色谱-飞行时间质谱联用仪(UHPLC-TOF-MS/MS)检测不同时间点的代谢产物,借助非靶向代谢组学分析方法,确定原花青素B_(1)代谢过程中的差异性代谢产物,并以此解析原花青素B_(1)的代谢。结果:共筛选和鉴定到21种代谢产物,其中原花青素B_(1)经肠道菌群的代谢快速,在6 h时消耗殆尽;代谢产物儿茶素和5-(3',4'-二羟基苯基)-γ-戊内酯在2~4 h间大量产生;苯丙酸和苯甲酸等为主要的代谢产物,在6 h达到峰值,在4~18 h间持续产生。通过以上结果分析原花青素B_(1)的代谢路径,原花青素B_(1)可能通过3种路径代谢,分别是:经历黄烷键断裂,下部结构形成儿茶素,儿茶素进一步发生C环开环,形成儿茶素开环产物(DHP-OL);原花青素B_(1)下部结构单元经历A环裂解,形成苯基-γ-戊内酯;原花青素B_(1)上部结构单元裂解直接形成酚酸类化合物。

吡虫啉在人体肝微粒体中的代谢产物和代谢途径研究

吡虫啉作为新烟碱类农药是目前我国使用量最大的杀虫剂之一,不合理的施用使其残留在果蔬等食物和环境中,并导致其在人体中富集,危害人体健康。然而目前吡虫啉在人体内的代谢产物和代谢路径仍不明确,导致质量安全监管和毒性评价仍然只是针对吡虫啉本身,因此亟需开展吡虫啉的生物体内代谢研究,以明确吡虫啉的代谢产物和代谢途径。本文通过人肝微粒体体外孵育模型模拟吡虫啉在人体内的代谢过程,在男性人肝微粒体孵育体系中加入1μL浓度为10 mg/m L的吡虫啉标准溶液,37℃下孵育4 h,使用Agilent Poroshell 120 EC-C18色谱柱(2.1mm×100 mm,2.7μm)进行分离,用5mmol/L甲酸铵-0.1%甲酸水(A相)和5 mmol/L甲酸铵-0.1%甲酸乙腈(B相)进行梯度洗脱,利用超高效液相色谱串联四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱对代谢产物进行分离鉴定。实验结果表明,吡虫啉经代谢共产生5种代谢产物,包含的主要代谢途径有加羟基、脱硝基、还原、烯烃化、氧化。本研究初步阐明了吡虫啉的I相代谢途径,为吡虫啉及其代谢物的毒性研究提供了数据基础。

吡啶及其衍生物微生物降解研究进展

吡啶及其衍生物由于难降解、毒性、致畸变等特性而引发的环境污染日益得到人们的关注,受其污染的水和土壤环境的生物修复是目前环境治理领域的重要课题。该文综述了近年来国内外吡啶类化合物生物降解的研究进展,对好氧和厌氧情况下的微生物代谢路径及共代谢进行了讨论,并指出今后吡啶类化合物的研究方向。

生物支架系统在合成生物学中的应用

合成生物学作为一种新兴的工程化生物学,可以在底盘细胞中引入外源基因模块实现新功能。但是如何将多种外源模块(酶)进行有效地组装从而提高其协同催化功能是急需解决的一个重大问题。由于异源酶在新宿主中存在内源环境适应性问题,限制了酶的生物活性。生物支架系统作为一种有效手段,可以提供有效的多酶组装系统。恰当的生物支架能够提供适应环境的柔性平台,实现多酶体系的表达调控,稳定性组装,利于酶与底物结合的区域化设计。本综述对不同类型的生物支架的研究进展进行了系统的总结。文中根据不同类型支架(蛋白型、核酸型)的特点,介绍了典型的应用范例,论述了每种支架的优势与不足,并对生物支架的常见工作机制做了详细讨论。最后对生物支架在人工细胞器设计和复杂聚合物降解等方面的应用做出展望。