基于Methylovorus sp.J1-1基因组尺度代谢网络优化吡咯喹啉醌合成

通过构建Methylovorus sp.J1-1基因组尺度代谢网络模型(genome scale of metabolic network model,GSMM),发掘能够提升吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)产量的发酵策略和相关靶基因。基于其注释的基因组和生化信息,构建J1-1的GSMM。再通过COBRApy预测可能使PQQ产量提高的氨基酸和潜在的靶基因并进行验证。构建了Methylovorus sp.J1-1的GSMM模型iKH584,共有584个基因,779个生化反应,121个交换反应与765个代谢产物,且可以用于后续模拟。根据iKH584模拟,外源添加谷氨酸、谷氨酰胺和脯氨酸、过表达glyA与hps1以及敲除hps2基因,均具有促进PQQ合成效果。结果表明:添加谷氨酸与脯氨酸时,PQQ的产量分别提高了10.4%与22.9%;过表达基因glyA与hps1,PQQ产量分别提高20.6%与14.6%;敲除基因hps2,PQQ产量最高可达140.84 mg/L,提高了8.0%,这与模拟结果基本一致,表明构建的模型基本正确。最后,在5 L发酵罐进行J1-1△hps2的分批补料发酵,PQQ的产量为812.64 mg/L,比亲本菌株提高了11.1%。建立的模型可以用来指导J1-1的发酵和菌株改造,提高PQQ产量。

微生物基因组尺度代谢网络模型构建方法的比较分析

随着后基因时代的到来,微生物的定向菌种改造在生产中发挥着越来越重要的作用.基因组尺度代谢网络模型是微生物定向改造中一种不可缺少的指导性工具,可降低菌种改造的盲目性,增加目的性和成功率.随着研究的深入,基因组尺度代谢网络模型的构建方法也越来越多.究竟选择什么样的方法才能构建出全面准确的基因组尺度代谢网络模型,对于初学者来说是一个大难题.论文结合本课题组的研究,将近年文献报导中出现过的模型构建方法进行了分类和分析,并评述了各种方法的优、缺点,以期为初学者提供参考.具体介绍的方法有:基于基因组注释构建代谢网络模型,基于蛋白组构建代谢网络模型,基于文献挖掘构建代谢网络模型,通过软件和网络平台构建代谢网络模型,基于京都基因与基因组百科全书(KEGG)构建代谢网络模型.五种构建代谢网络模型方法都有其优点,但也有不可避免的缺点,要构建较为准确全面的基因组尺度代谢网络模型,需要将各种方法结合,弥补彼此的不足.

一种基于代谢网络分析最小化基因组的方法及其在大肠杆菌中的应用

最小生命体的合成是合成生物学研究的重要方向。最小化基因组的同时而又不对细胞生长产生影响是代谢工程研究的一个重要目标。文中提出了一种从基因组尺度代谢网络模型出发,通过零通量反应删除及对非必需基因组合删除计算获得基因组最小化代谢网络模型的方法,利用该方法简化了大肠杆菌经典代谢网络模型iAF1260,由起始的1 260个基因简化得到了312个基因,而最优生物质生成速率保持不变。基因组最小化代谢网络模型预测了在细胞正常生长的前提下包含最少基因的代谢途径,为大肠杆菌获得最小基因组的湿实验设计提供了重要参考。

proC及putP基因的敲除对钝齿棒杆菌产L-精氨酸生理代谢的影响

为了选育精氨酸高产菌株,基于谷氨酸棒杆菌的基因组尺度代谢网络模型的指导,以钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)MT-M4为出发菌株,通过基因敲除技术构建了pro C和put P敲除菌株。摇瓶发酵结果表明,pro C敲除菌株精氨酸产量达到9.94g/L,较出发菌株提高了15.90%,葡萄糖转化率提高了26.02%。由于其生长受到明显抑制,因此在发酵液中外源添加24mmol/L的脯氨酸,结果发现其精氨酸产量达到12.22g/L,且菌株恢复生长。put P敲除菌株精氨酸产量达到12.23g/L,较出发菌株提高了42.70%,葡萄糖转化率提高了49.31%。以上结果显示,put P的敲除比pro C的敲除更有利于精氨酸的合成,put P的敲除对菌株的生理代谢基本无影响且无需外添加脯氨酸。

多约束代谢网络模型的研究进展

基于约束的基因组尺度代谢网络模型(genome-scale metabolic models,GEMs)分析已被广泛应用于代谢表型的预测。而实际细胞中代谢速率除计量学约束外,还受到酶资源可用性和反应热力学可行性等其他因素影响,在GEMs中整合酶资源约束或者热力学约束构建多约束代谢网络模型可以进一步缩小优化解空间,提升细胞表型预测的准确性。文中主要对近年来多约束模型的研究进展进行了综述,介绍了不同多约束模型的构建方法,以及其在研究基因敲除影响、预测可行途径和提供代谢瓶颈信息等方面的应用。将多种约束条件进一步与代谢模型整合,可更准确地预测细胞代谢的瓶颈和关键调控改造靶点,从而为工业菌种代谢工程改造提供精确的设计指导。

L-精氨酸产生菌的分子育种

L-精氨酸是一种非常重要的半必需氨基酸,其作为生物体生成NO的前体,参与尿素循环,对人和动物均具有重要的生理功能。现阶段生产精氨酸的主流方法是微生物发酵法,因此,如何快速、高效地选育精氨酸高产菌种成为业内关注的焦点。主要对精氨酸产生菌分子育种方法的最新研究进展进行了综述,并就目前存在的问题和发展方向进行了探讨。

数字细胞模型的研究及应用

组学分析技术的发展推动生物学逐渐成为一门以数据分析为中心的科学。依托生物数据在细胞整体系统水平建立数字细胞模型,对于理解细胞系统组织原理和生命产生进化规律,预测各种环境和基因扰动对细胞功能的影响并指导设计人工生命具有重要意义,因此数字细胞的构建模拟设计已成为合成生物学的核心研究内容与底层支撑技术。本文重点对天津工业生物技术研究所创立十年来在数字细胞研究方面的进展进行回顾介绍,重点包括基因组尺度代谢网络模型的构建、质控以及其在途径设计和指导菌种代谢工程改造方面的应用,进一步结合近年来细胞模型研究的前沿趋势,对整合多种约束的模型的构建和分析研究方面的最新成果进行了介绍,最后对数字细胞研究的未来发展方向进行展望。数字细胞技术将与基因组测序、合成和编辑等合成生物学前沿技术一起提升人们对生命进行读写改创的能力。

比较pta及ack敲除对钝齿棒杆菌产L-精氨酸生理代谢的影响

旁支代谢途径的截断有利于目的氨基酸合成途径的集流。基于基因组尺度代谢网络模型的预测,以钝齿棒杆菌(Corynebacterium crenatum)MT-M4为出发菌株,通过无痕敲除技术分别敲除了编码磷酸乙酰基转移酶的pta基因及编码乙酸激酶的ack基因,阻断了乙酸的合成。摇瓶发酵结果表明,pta缺失菌株精氨酸产量较出发菌株提高了25.60%,达15.46g/L。葡萄糖转化率提高了29.41%;ack缺失菌株精氨酸产量达13.82g/L,较出发菌株提高了12.81%,葡萄糖转化率提高了26.02%。同时,pta及ack敲除菌株的细胞生长较出发菌株均分别提高了9.19%及7.71%。因此,pta、ack的敲除不仅有利于精氨酸的合成,而且对菌体生长具有促进作用;但pta的敲除更有利于精氨酸的积累。

外部代谢物模拟在代谢工程中的应用指导

外部代谢物是代谢网络模型中通过添加运输反应来平衡其在菌体内的通量的一类代谢物,比如底物、产物或副产物、信号分子等。首次通过对模型中运输反应的模拟来预测大肠杆菌和枯草芽孢杆菌在不同的生长状态下外部代谢物的优先排出顺序。部分模拟结果已经通过实验和文献数据得到证实。这一分析对应用代谢工程技术提高目标产物的产量有很大的指导意义。