（化学工艺专业论文）代谢网络通量和结构分析.pdf

夫连璎：大学顼士学像论文 接癸 生物体功能不仅涉及某个代谢物的单独作硝，丽是通过网状的交互 乍稻究戒。因此， 不仪臻对擎个代谢物深入研究，闻时随着数据海蛰增长，也必然需簧将大爨数据整合趣 采进霉亍分辨，嚣要以系统款溉点磅究生物网络蛇缀织结搀。本文圈绕代谢网络佟了一鉴 磷究工 乍。主簧结聚麴下： 1 当前町以清楚的知道一些模式生物的代谢网络拓扑结构，然而其代谢通量分稚并 不十分清晰，特别是对于基圈敲除后的代谢通量分布还需要深入研究。本文针辩不同鲍 萄标函数，翱阁约束优化方法来计算代谢网络的代谢流分布，同时考察了不嗣的约束优 他方法对代溅滚分毒的黪响。蓠先辊建犬爨枵菰中心碳t 谢网络，然蘑以代谢平赞分氍 ( f 】u xb a l a n c ea n a l y s i s ，f b a ) 秘最小代溅调节势橱( m i n i m i z a t i o no f 漱t a b o l i e a d j u s t m e n t m o m a ) 这两种方法为基础，构建多个代谢流数学模型，以碳摩尔流率计算 基满敲除稀的代谢流分布。终果裘明标准化后的m o k a , 是比较台理的计算方法。 2 基元通照模式( e l e m e n t a r yf l u xm o d e ，e f m ) 鼹以计量学为基础，通过枚举输 入物裂达誉静产臻过程中的潞径来表示找谢避程，路径数硼对多少寝示生长艇力躺强 弱。舞丽瓣予计量学藩踌瓣邂攫平衡分橱 f 戳莰定输入铭妻搴鬃，遥过实现最大 毫蜡 橡函数来计算摄多能够生成的生物质量在预测生物体的生长现蒙上，e f m 和f b a 分别 能够傲到定性预测和定蘸预溯通过e f m 预测了基因突变盾的酵母细胞生长现象，模拟 预测结果和实验结果很好吻合；通过与f b a 方法得到的模拟结果比较，e f m 方法能更好 镌把蒸因突变鞠其表型( 生长) 联系怒漱 3 赉于代滋逶爨并不帮转交水乎存在联系，在基元遴爨模式酌蒸嵇上计算路轻耋 要性( c o n t r o l e f f e c t i v ef l u x e s ，c e f ) ，然后与转渌表达数据比较。褥i 4 饯谢路径姆转 蒙水平存在定联系，通过馊用路径羹簧性把鹣能力与路径效率联繇起采。 网络的快速发展照示了细胞中也存在通用规则，它提供了一种全新的概念来使我们 羹新谈谈生秘学。 蓑键谲；代谢秘络代谢潞径分橱代谢平衡分橱 。查垄蓬羔杰妻堡生堂燕篓兰 n e t w o r k b a s e dm e t a b o l i cf l u xa n ds t r u c t u r ea n a l y s i s a b s t r a c t l th a sb e e nr e c o g n i z e dt h a tt h eb i o l o g i cf u n c t i o ni sn o to i l l yi n v o l v e d 濂as i n g l e m e t a b o l i t eb u ta l s ot h em u l t i p l ei n t e r a c t i o no fm a n ym e t a b o l i t e s t h e r e f o r e ，as y s t e m v i e w p o i n ts h o u l db et a k e na c c o u n tt oa n a l y z et h eb i o l o g i e a n e t w o r k 。n o w a d a y s ，t h o u 曲t h e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e so ft h ec e n t r a lm e t a b o l i cn e t w o 矗so fc e r t a i no r g a n i s mh a v eb e e n c l a r i f i e d t i t e i rm e t a b o l i ef l u xd i s t r i b u t i o n sr e m a i nu n c l e a r m o r e o v e r , s o l n er e s e a r c h e ss h o u l d b et a k e ni n t od e e pi n v e s t i g a t i o ne s p e c i a l l yo nt h eg e n e - k n o c k o u tm u t a n t + t h a tt h ef l u x d i s t r i b u t i o n so fl a r g es c a l em e t a b o l i cn e t w o r kh a v eb e e na n a l y z e db yv a i l o u st a r g e tf u n c t i o n s i sa l s oo u rc o n c e r n ，s i n c ew h i c hm a yc a u s e n c o n s i s t e n tr e s u l t s a n o t h e rp u r p o s eo f 也i sw o r k i st 0i l l u s t r a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e n o t y p ea n dp h e n o t y p ei nt h ec o m 4 ，l e xc e l l u l a r n e y g v o r ko fs a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e t h em a i nr e s u l t sa r es u n a m a r i z e da sf o l l o w s ： l 强ee 。c o l lc e n t r a lc a r b o nm e t a b o l i cn e t w o r ki ss t u d l e df i r s t l y , b a s e do nf i n xb a l a n t e a n a l y s i s ( f b a ) a n dm i n i m i z a t i o no fm e t a b o l i ca d j u s t m e n t ( m o m a ) , s o m em a t h e m a t i c a l m o d e l sw e r ec o n s t r u c t e dt oc o m p u t et h ec a r b o nd i s t r i b u t i o n si nt h eg e n e k n o c k o u tm u t a n t m e t a b o t i cn e t w o r k c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e n o r m a l i z e dm o m aa n a l y s i si si _ e a s o n a b l et os o l v et h ec a r b o nd i s t r i b u t i o no fm u t a n t m e t a b o l i cn e t w o r k 2 a s8s t r n c t u r e - o r i e n t e dm e t h o d 、e l e m e n t a r yf l u xm o d e ( e f m ) a n a l y s i sh a so b t a i n e d t s p o p u l 蕊钾i na n a l y s i so f t h er o b u s t n e s so f t h ec e n t r a lm e t a b o l i s m ，a sw e l la sn e t w o r kf u n c t i o n o fs o m eo r g a n i s m s h o w e v e r , t h i sm e t h o dh a sn o tb e e nw i d e l yu s e di nm o d e l i n go fg e n e d e l e t i o np h e n o y p eb ye n u m e r a t i n ga l lt h em e t a b o l i cp a t h w a y s ，t h ee f m a n a l y s i sp m s e n m d h e r e i nh a si d e n t i f i e dt h ef u n c t i o n a lf e a t u r e sa n dp r e d i c t e dt h eg r o w t hp h e n o t y p eo ft h e s c e r e v i s i a e ，a sc o m p a r e dw i t ht h ef b a , t h ep e r f o r m a n c eo fe f ma n a l y s i sw a ss u p e r i o rt o f b aj np r e d i c t i o no fg e n ed e t e t i o np h e n o t y p e ，e f ma n a l y s i sh a sb e e nd e m o n s t r a t e da s 寰挂 e f f e c t i v et o o lt ob r i d g et h eg a pb e t w e e nm e t a b o l i cn e t w o r ka n dg r o w t hp h e n o t y p e 3 ；c o n t r o l e f f e c t i v ef l u x e s f c e f ) a r ed e t e m f i n e dd i r e c t ! y f r o mt h es e to fe f m r e p r e s e n t i n gt h ei m p o r t a n c eo fe a c hr e a c t i o nf o rt h ee f f i c i e n ta n df l e x i b l eo p e r a t i o n so ft h e e n t i r en e t w o r k t oo u rk n o w l e d g e ，t h e r em a yb en or e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h em e t a b o l i cf l u x d i s t r i b u t i o na n dt h eg e n et r a n s c r i p t i o nl e v e l ，h o w e v e rt h ec e f a n a l y s i sp r e s e n t e dh e r em a y e x h i b i tar e a s o n a b l ec o r r e c t i o nf u n c t i o nb e t w e e nt h ep a t h w a ys t r u c t u r ea n dt h ee x p e r i m e n t a l t r a n s c r i p t i o nd a t a ， k e yw o r d s ：m e t a b o l i cn e t w o r k ；m e t a b o l i cp a t h w a y a n a l y s i s tf l u xb a l a n c e a n a l y s i s i l 独刨性说明 作者郏羹声明：本硕士学位论文是我个人农导舾指导下进行的研究工 作及取得研究成染。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其镱人已经发表或撰写装秘究残暴，瞧不毯含为获褥大连理 工大学或学蕊健单髓瓣学位袋证书艨使麓避静材料。与我一同工俸的同意 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 馋者签名：章虹霹期：乏墅地 灾连理三大学硕士学像论文 大连瑾王大学攀镶论文黢权蠖麓授敬慕 本学位论文作者驶指导教师宠全了解“大连避正大学硕士、博士学位论文版权使鲻 规定”，同意大连琏工大学谦留并向国家有关部门硪机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被盎瓣弱偻阕。本人授投大连理工大学可澄将本学篷论文的全部藏部分肉 容编入毒关数攥疼进行检索，逛霹采髑影印、绩霹】或扫搭等复裁手段像存鞫秘二编学槛论 文。 作者麓名：荔选 薪篷备邀跬 盈! 堑已年月卫翻 f 大连理王大学爵士学接论文 孽|富 随着对垂棚胞代谢研究的发展，出现了三个主要方向：代谢控制分析，代谢遇量分析， 代谢网络分析。如暴测定出姆个酶的动力学数撂，通过遵爨控制分攒，就能更加深入理 解生物调控过程。德现阶段研究水平还处于比较小的调控过程，没有能够发挥其真正作 用。代谢邋遂是在代落黠径潘楚盼涛况下，遇避铡定部分道萎，可戳计篝舞整个网络中 熟遘量，键褥人们可醛深入瑶瓣生秘饩谢漉过程。研究分拆代辩潮络豹拓羚绪构静方法， 不考虑细胞的内部结构，把细胞看成一个反应器，仅仅需要化学汁熬系数和反应的方向 梭( 可逆或不可逆反应) 。飙丽得到代谢网络功靛。 全文共分5 章，第一章介绍代谢通量分析和代谢网络分析的研究进展。第= 章深入 奔绍代澍遗遂分析中静平衡努稀方法，以及在魏鼙疆上进行扩充讶究。第三章介绣栈谢 爨络分橱申豹嫠元逶餐模式，椽建酵母纲匏代辩礴络自答确上，搦示藻元遵璧攘式貔够 连接揍因型和淡现性。籀四章研究了酵母细胞灼基因表达馒与路径黧要性之问的关系。 第五巍给出了全文总结以及晨蓥。其中薷二章、第三章、第四章蹙本论文姻主要工作。 代谢网络通量和缩构分析 1 绪论 1 1 代谢组学和代谢途径数据库 运卡年来，涟蛰生螽辩擎研究豹发震，出现了许多帮豹概念秘新翡学瓣。热基强组 学( g e n o m i c s ) 、转录组学( 垤a n s c r i p t o m i c s ) 和蛋白质组学( p r o t e o m i e s ) 等等。生 命科学的磷究芷发生麓墨掰月是鲍变化。基因缆( g e n o a ) 是指慕一生物戆辫毒d n a ，萋 因组学是- - i 研究生物的整个基因缀的科学：转录组是指某一生物或细胞所有基因寝 达的r n a ，转录组学魁一门对某一生物戏细胞所商基因表达的r n a ( 女n m r n a ) 进行全瑚分 辑豹科学；蛋南矮缀( # r o t e o ：h l e ) 是指策一皇穆躐掘巍在各辩不弼环境篆释下表达的掰 有灏自质，摄白质组学是- - i 对某一生物或细胞在各种不同环境浆件下表达的所有鬣白 质进章亍定性髑定量分辨的科学。转录缝学和蛋叁康组学是分裂在基因驰转袭秘转录藤爨毒 蛋囱质翻译与修饰的水平上研究基因的功能。 受基因组、转泶组和蛋白质组等概念的启发，人们掇出了代谢组( m e t a b o l o m e ) 的 鬣念。找谢缀学燕静分褥技术，它孺予识巍著薰他在捂定条停下生长的垒物体样本中 所有代谢物。以无目标、无偏倚的、全丽的方式使用多种分析技术摄化代谢物，这般分 橱技术包括：棱磁麸援( n i v i r ) 秘囊落( m s ) 。这些工熬选经鬻缝合其德不羁魏按零， 如：气相色谱( g c ) ，液相色谱( l c ) 和毛细管电泳( c e ) 。严格地说，代谢组成该 是搬某一生物或细胞所有的代谢产物( m e t a b o l i t e ) 。在安际工彳乍中，更多的人倾向于 疆代澈组蔼鞭于菜一露耪或鲔耱中新有的低分子置代翡产物。代谢组学与蘩圈组学、转 录纽学、蛋囱质组学之间有着明显的差别。基因、m r n a 和蛋白质之间具有一一对应的 关系( 嚣果不包括蛋鑫覆鲍修馋的帻提) ，孽一个基嚣对藏于一静m r n a ，一耱m 蹦a 对 应于一种蛋白质，而燕因、m r n a 或蛋肉质与代谢产物之间则不存在一一对应的关系， 一个基因、一种m r n a 或一种缀自质对应的代谢产物可能不只是一荦申。代谢缀学研究具 有燕要意义，它是各缀学中与表现型联系最紧密豹一个帮分“1 ，翻l 显示了各组学之间 的相互关系。 尽譬伐澈组学是避几年发鼹起来懿，整是缀产生7 许多静垒物系统懿大麓模钱瓣 物动态概况，并成功的应用于备种微生物，植物和人类。代谢组学逐渐被认为是种能 够临床应用的有前景的技术。例如：近期研究提出分析线粒体中整个代谢概况有助予摊 述源发注脖瘸，丽戳翁的研究主要聚焦予小部分基因起源的特殊生物标签矾“。另外，给 出所有代谢物概况可能提供疾病危害( 如：糖尿病，心胀瘸，癌症) 定量估计，并提供 一秘针对瞧静治疗策酶p 。 垄燮! ：盔堂堡巡兰 代谢维学继重要厦屋有穗太港能，德是宦的模拟馈祈避r 是剐刚开始恩然t 分攒 技术逐渐变褥便宝姨涎，僵悬金垂瀑瓣辩精确谶鄹耩毒魏戴游物嚣终是一个撼菠。存在 理论期望值和也台物测量健之间的差异。这主鐾鼹睡| 于许多代谢物的浓度非辩低，这就 有崧要开袋新游工其麓予识i 低浓囊戆代谢谤。骧了鼗灌代滏反盛祭范塞。嚣鬟魏_ = 爰努 力用于开发新技术。陶此，基于代谢物浓度概况豹模拟方法阍限于斟知i ；j 匀嘲绦结构，相 关的动力学约囊色势币清糍。她并，在实验上溅爨遴囊努礤拘定量方法代滏遥赞羚 拆，藏觏魁懑帮通量的大蕊摸系统方商发展。 图l 。1 蕊函组学、转录组学，蛋暖质缬带、代谢懿学之闻豹篾系 f 垴1 1t h er d a t i o a s h i p o f t h e 鳓0 l i i i e 斡扫a n 蝌p t o 删e s ，p m _ t e o m i e , sa n d l ，l e t a b o l o r n l e s 垡遨鹜燮量塑壁塑坌篓一。 袭1 ，1 代女燧缀邓生物化学数攫臻 一tabl1 t h em e t a b o l i s m p a t h w a y a n 。d 。b ，i o c h e m i s t ，r ，y d a t a b a ，s e 名称 两垃 a m a z e a r a c y c b i n d b i o c a r t a b i o c y c b i o m o d e l s b i o s i l i e o b r e n l ) a c e l l m l e c o c y c 毯氛瘴p e n z v m 嚣 嚣r e x p a s y i p a t h f u b a 疽b k e g g m p b m e t a c y c m r a d p n 国b p a t h g u i d e p a t i k a p d s p u m a 2 $ o y b a s e u 氛，b 努d w r r b t t p ：t w w w a m a z e u l b - a c - b e b t 印：l l w w v f a r a b i d o p s i s o r g t o o l g a r a c y c h t t p ：b i o i n f o m s h r i o n c a c g i b i n b i n d d a t a m a n h t t p ：l l w w w 。b i o c a r t a c o r r d h t t p ：p o i o c y c o r e , h t t p ：t l w n a v o b i a c u k b i o m o d e l s h t t p ：b i o s i l i c o 。k a i s t + a c ，k r h t t p ：t a n v w ，b r e n d a 。u n i - k o e l n 。d e h t t p ：t a m , w c e l l m t o r g e x a m p l e s r e p o s i t o r y l i n d e x + h t 燃l h t t p ：e c o c y c p a n g e a s v t e m s c o m j e e o c y e e c o c y c 。h u n l h t t p ：删 e m p p r o j e c t 。c o m h 挂p ：w w w 。e x p a s y e h e n z y m e ! h t t p ：w - w e r g o l i g h t c o n w t h t t p ：w w we x p a s y c h c g i - b i n s e a r e h - b i o e h e m i n d e x h t t p ：l e s c i e n c e i n v i t r o g e n c o m i p a t t v h t t p ：w w w , t c d 、i d b i o d l a e m i s t a 3 , i u b m b - n i e h o l s o n h t t p ：w w w + g e n o m e a d , j p k e g g m e t a b o l i s m h t m l h t t p ：w w w 。g w u ，e d t d p b h t t p ：t i m e t a e y e o r g ! h t t p ：c a p b ，d b i u d e l e d u w h i s l e f f h t t p ：, & v w w n e g r o r g p a t h d b h t t p ：w w w p a t h g u i d e 。o r g h t t p ：r w ，p a t i k a o f h t t p ：n a s h u a + e w r u e d u p a t h w a y s d h t t p ：c o m p b i o m c s a n l g o v l p u m a 2 h t t p ：e g s c ，b i o l o g y y a l e 。e d u m e t a b h t m l h t r p ：l u r n b b d a h c u m n e d u h t t p ：w i t m c s a n l g o v w i t 2 从一个非常拯象的承平上，纲照我辩可竣被囊成一个连接务个节点妨质复杂煞辩 络。理解、分掇代谢网络的功& 是当静研裳代谢缀学静内缨之一。雀剩周动力学方法模 拟找谢系统彗孪，常缺少菠应掰霈梳理帮渤力学参数f 2 】，耦蔽，结构谨两分析只需要常稻 的缩构完整黼络拓扑。所馘，宝物反应系统的化学计嚣嗣络分析( s t o i e h i o m e n i e n e t w o r k l 大连瑗王大学醭士学位论文 a n a l y s i s ) 成为一令瑗撩伐落嘲络重簧瓣a 毯。十漆潮络分辑是代谢缓孥磷究必不可少 静互蒸，两代谢阚终分褫分析离不嚣备静找谖| 逡经和生躲化掌数撂蓐。袭i 。1 给蠢了主 受粒饩落 途径数摆露。 。2 健滋鬻终魏蒸零瞧羲 ，2 奎 鎏器瞧曩 诲多生物学家遵避以我游物作为结点，反斑作为边，嬉径长发波示舞掰个代辩物之 潮逑接熬爱残数采袋示戴谢瓣终。在阑络中，糍强黠其蠢大数簇系数巍小煞平均鼷褒嚣 拿疑诗蒋挺合在一熬秣为枣墩器往囊，其套这静簸应麓嬲络裁是小键器瓣缀，这是一转 介予撬刘稠终霸蕤枫稠络之闼熬网络。j e o n g 譬q 疆究代瓣阏缨瓣，诗算毽辐了参与反 斑缝辑鸯钧袋，诗舞褒惩绣弱平均鼯褒为3 2 。w a g n e r 等 s “瑟究了太赫楞蘸中懿2 8 7 个爱瘦，为了考虑酶浓度或瘸物浓度的扰动在魏终土的传攘影响，他们选择了无态翔柬 袭累代滚翘绻，谤嚣镪黧兹掰络平均薅经长发怒3 8 。m a 等 9 。1 霹8 0 个生物髂鲍代澈网 络避芎亍磺究分撬，淡豫了流遴逶量秘鞲劫因豢，计聱褥劐豹弼络息豹平量霉释径为8 2 ， 强瓣发臻粪棱生耪耧毒菌( a r c h a e a ) 乎臻鞭饔大予缨蕊蕊平稳距离。a 蠢镪嘲凌意型主述几 个磷究褒诗篱f 瓣臻强辩没褰考虑缝擒繁元，麸嚣褥到缝论为找瀣鞠与臻统瓣代纛路径 不鞠簿的情况。剥翔跟踪碳蹶予豹方法蓬辨诗雾太骚拇耱我谢掰络，褥出大肠抒蔚代澍 嬲络平均鼯褒鸯8 a 。惑熬采淡，生物饯瀑耀终枣奄或了耱夸煎努毽屡，这季牵短鼹经长 发撼示了代落物滚篷瓣弱部撬魏麓菲霹瞧速褥传遂至l 整个涎络。 ，2 2 无拣瘦性质 节点熬涟结发瓣鼠幂律分姆携连续度静节点数嚣与这个特定豹瘦之阑酌关系霹议 翔一个幂添数逶骰媲表示。攀蕊数酋线是一条下辫提霹缓疆款夔绞，这疆褥连接寰大戆 节患霹越在瓣终中存在。对予隧枫疆络葶霹麓雯l | 瓣络，凄分蠢送阉嚣鬻获霉+ 凡乎我不到 臻离节点寝瀚值较大豹点，故其乎均袭冒数被餐搏箕节点发熬一个特征标壤。在这个意 义上，恕萤点度藤觚箨簿分蠢瓣网络噬傲无稼痍网络( s c a l e 。f r e en e t w o r k s ) ，并穗这秘 节煮度豹攀德分梅为瓣络静嚣栎瘦簿健 ， 。b a r a l - a s i f 8 翻绘接了薅概褥络、无标褒网络鞠 袋次蕊终瓣戮较。灏t 2 中露示了无椽凄露络懿毒隧辊翅络豹平穗路经长度，圈瓣爨骞 溪坎瓣终熬连接度分枣趋势。b a r a b , s i 耨a l b e r t 绘出了梅造秃拣发耀终静滨纯模羹， 把窦突系统避过囊缀织生成冀标度数瓣络 舞秘予两个主袋嚣素：增长( g r o w t h ) 秘偏好 涟接( p r e f e r e n t i a la t t a c h m e n t ) 。第一个将点衰翱秃足囊瓣终霹激不赣缝扩张，第二二拿醇 患粥蠹昧骜鼹个节患连接畿力麴差舅可以随整嬲终靛骞。搬两磺大；最初连接竣多豹节意 代澍蹲络邋量秽结搀分橱 可啦蟛成更箩的连接，印“富嚣嫩宦”。当然在代谢阏络中+ 带点盼瘦爝长也不是无暇利 拣，霄两令麴窳器释寒爨汪隧终的生长；菅点戆警龄释警点汝漫涮往。警个蕊点麴 度假太时，就会停止增长。研究钟”舟利尉基因组数据库，对连接动物、植物、微生物三 六癸蓬分舔于生禽镞壤孛赞囊菝绥藏，缀菌鞠誊莓) 中秘4 3 秘坐物傣滟代溅瘸终进 行了劳辑，发稀这些我谢弼络痨瀚循着茏瓣度阏络瓣嚣镕泸，属予离凄 i 辫一褴豹搿络。 重轴黼晒憾删轴瓣鸯e 目自“# 矗馥 戤景飘熬 嚣 鹫l * 2 三释萃瓣灏露。如靛辊瓣绻；b ：嚣榉麇网终；珐屡敬瓣瓣。弛、黔、穗努鬻 弋裘节壶度 势撇。a c 、舭、c c 分别激示节点艘的簇系数势毒。 f 诲1 2 t h r e e t y p e s o f n e t w o r k s a ：r a n f l o m n 州k 零：s 。越和镰e e n e 触。披，c ：h i 。憾批h 龃ln 时溅a b 、龇 a 瓣c bs h 。w t h e n 。毛e 如g 堵8 s d l s t r i b # t l o n ；a 口、瓢a n d 秘赫o w 壤。# l 础畴疽n g 础西钟t 螽# 嘲“毛 。n t + 2 3 簧棒涟、嚣余蹙 艇物具替露我动辫乎德性徽t 许雾徽生物嬲皴除变辩仍然豫辫生型熬一样生妖 1 3 ，鲁棒姓避卷定义必对系巯中参数敬交驰葶敏感挂，穗爝结褥壤棒性势群艇，骶藏 6 大连理工大学硕士学位论文 临的问题是细胞是否能够容怨酶的突然缺失或失活。结构鲁棒性芹冗余度照联系在起 的。如采没有冗余震的话，当中断菜一路径，或者说失活菜一酶届，由于潮络中没肖其 他替代路径涟接起来，从而导致细胞正常功能的丧失。在许多细胞中，都具有平行的代 落熬径，圆越也是冗余携。毽是在避攀情况下，撮难壹接番出俄谢系统熬旁路，毒必要 运用一些理论工具【t 5 - t 8 1 理解像代谢过稷复杂系统的鲁棒性。冗余艘越大，则柔性也越大， 这里所蜕的柔性是搬可选择的路径越多。则容忍错误的能力越强，当然，真实的容锩能 力还要包括动力学参数帮调节环 l q 。 。3 基手蠲络秘遴量分聿嚣 1 3 ，1 代谢邋量分析 代谢通鬣分析i 2 # , 9 2 - 9 6 1 是涮用所测出的产物质燕流和所构建韵代谢网络，以质量守恒 的方法把系统中各代谢物联系起来，绘出整个网络的质擞流分布。运用化学计量学方法 磷究叛稳态下懿爱痘过程，苓需要考虑复杂戆动力学遘糕，降 蕞了诗算静难度。醴下是 计算确定的通量分布计算方法： 代谢物浓度、反应的流量、化学计量矩阵和时间之间敬关系为： d x 。s v d t ( 11 ) x 是浓瘦岛量；v 是代游流囱量；t 是时阚；s 是n 维缒簿，萁中s “是指代谢镑 i 在反应i 中的计量系数。在拟稳定状态下，x 浓度向量可看作常爨，所以得到： 对= o ( 1 2 ) j 是准稳定状态下的v ；农s 中的每一行i 和j 中的列相乘后得出代谢物i 的积累鬣； s 中的每一行是相互独立的。因此矩阵s 的秩为m ( m n ) ，则矩阵s 的自由度为( n m ) 。 茧新撵列短落s ，凳它分成可测的s 。鞠计算的s 。相应静也把j 分成靠和j 。 躐刚卧。 s 。和s 。分别是m x ( f r m ) 维和m r m 维矩阵。 r m 1 维向量。鼓等式( 4 ) 孛可以褥到： s , i 。= 一s 。j 。 如果我们在j 。中选择合适的邋量使褥s 。成为满嚣矩阵 j 。= - s ? s 。j ， ( 1 3 ) j u 和j m 分别是( r * r 。) 1 维和 则可以得到方程 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 代谢鼹终避量和结搀分橱 这样就褥到了整个代谢网络的袋量滤分森。 3 2 戏溜孚蕊分橇 当方程数等于寒知遁量数，这 愤糖是秘擞燕单的憷提，可以确惠唯一螅邂爨转 糍，称为确定方程鲢求解；滥腰测数攥大予自出魔个数时，裁是求髂超定方勰；当掰潮 数据小于自由度个数时，就是求解不定方程。其中求解不定方程是个重要方向，在真 宴的代谢黼络中，代谢过程镑综复杂，很多生物的代谢网络都比较陵丈p l ，常常悬数露 个代谢耪藕邋千个代谢反应，雨通过现祷的实验手段霹毹检测少数几种物蕊的葳应速 率，版缛到螅实验数撰远远小于代谢鄹终鲍皇出度，不能剥用求解确定方程驰方法寒求 瓣代溅通懿分毒，因此只枣增搬约衷条 牛对代谢燃终优傀球怨，对伐谢题络德化求解瓣 设计r ”，这就不需要额外的动力学信息。但是约束方式也有多种，目标函数的不同会 对代激流分布计算产生影响。 基于麴菜分析逐渐显示出域为分析垒亿网络的有用工具，可以敬生仡网络中揭示形 成稳定状恋约束瘊蒜的各秽酶之闽最大反应逮攀荧系。基子约寨分糖戆核心毒嚣令方 藤：网络处于稳定状态帮物理纯学约东，妇：计鼗学鲤寨，热力学鳃素 2 4 j ，爨太霞癍遮 率约束。计量学约束限制了反应的质摄平衡和能量平衡关系；热力学约束限制了反应方 向；最大投应速率定曳了单独酶反应的栽力一芝述这些分析描述生物组织潜在的行为， 燕假定在所有给定的环境下，生物体将会达到一个满足物瑷化学约柬的稳定状态。由予 在缨脆系绞中靛约裘不瓣完全获强，就戆存滚多摹孛稳定状态j 。冀了谈别一个其骞物 臻化学意义瓣稳定状态，忧纯方法裁舞黪予找禽达至莱一特殊骞稼功能翡佬纯 基。f b a 是个基于约束的模拟方法，它使用生化网络的计量学约荣来实现。 f b a 缓定代谢嗣络将会达到一个受计量学约束的稳定状态。计量学约柬导致一个非 确定的系统；然而，能够产生个有边界的对所脊通量可行的解答空间。这个可行空间 可以遴一步渡撵定的最小最大遴霪或英它的一楚黪理纯攀饿凌掰隈铡。嚣此，通过实现 这些终隶，袋褥我稍能够更鸯羹穗确遮褥裂栈 鲑瓣终酝经演。然鑫这些约束毽够被嚣缕 的实黢数据所精化。当限定了描述生物体s 力的空间，通过设定某旦标功能质达g q 优 化的稳定状态，再对它的网络行为进彳亍研究。模拟结果能被实验所谖朗，然媾用于进一 步翰模型构造。最终，通过厦复选代，提炼模裂精度，生成能够预测细胞代谢行为的预 测模爨。 1 3 3 代谢平衡分耩模鼙 为了更好豹理解f b a ，分下尼争步骤来解释。 然一步；系统皂义 大连理：太学硕士学位论文 通量平衡模型需腰定义所有代谢反应和代谢物，尽管在真实的生物体中，环境条件 的不同会对各条路径调控。在f b a 中，试为系统楚于撼稳态弑惫中，反敷藏路径瀚调 控是可以被忽略，数学模型仪用于预测路径通爨。代谢重构的理想的起始点是基因组测 露注释；出基因序列缀过转蒙翻译获驳蛋皇质( 代巍酶) ；接下浓，描述遴过这些酶催 化的反应，这需要为每个酶反应设定反应物和产物。为了对所有酶反应进行定性，需幕 考虑包括麒扩散和跨膜传输机制。 第二步：质量平衡 当所有的反应和传输机制被确定后，将从代谢网络中获得所有的代谢物的动态质量 平衡。按照透过每个反应涎遇蠹定义壤量平骛，这藏产雯了一系列翡常徽分方程。微分 方程能够用矩阵形式来表达，其中s 表示计缀学矩陴，“v ”装示通量向量。分析代 谢嘲络，可以描述成为硬件和软件两个部分，静态反应嘲络描绘了硬件，蕊潜在的调节 策略就是软件。基予约束分析的内容，s 可班看作硬侔，v 可以糟作软件，约束分拼可 以分析网络的综合功能。f b a 的目的在于识别稳定状态下的代谢通量。由于其中反应数 大予我爨镌蕊数量，穗定状淼翡伐落遴藿是不是匏，因魏霉要有增燕懿鐾寒来决定稳定 状态通量分布。 第三步：定义可测量的邋攮 获取额外约束的办法是测辍代谢润络的通薰( 至少等于零空间的维数) 。然而在实 验中，测量内部通量是很难的通常情况下，不能得到精确地通量慎，但是可是给出一个 道爨范围 乍为蕺增约束条 串。 第四步，优化 生物代谢网中邋爨数( 反应) 总是大于代谢物数，但是优化结果可 鬟豫为一个测量 内部通量韵办法。在没有增加测量的通照数目前提下，道过设定菜一优化翻标来确定通 量分布。这就使得不定系统转化成优化问题。如果目标函数是线性的，那么优化问题就 是绫洼蕊翊滴嚣。翻瑶生长债况作为蠢标函鼗模羧计算不定系统静内部逶羹茅蟊实验数据 一教 2 6 , 2 7 , 2 8 1 。 上述耍个过程可爆图l ，3 表示 a ) 模型包括三个代谢物( a ，b ，c ) ，三个反应( 其中一个时可逆反应) ，三个交换通量 ( b l b 2 ，b 3 ) ； b ) 对矫有爱应帮传输梳嗣静旗量平鬻方程，然嚣这些方程霜矩阵的形式袭示出来。在 稳定状态中，s v = 0 ； 磅系笼中蝗逶量基予热力学鞠实验缝暴嚣约袭，遂量镶体代表生物俸懿代落自力； d ) 通过不间的目标方程( z ) ，第一种。隋况是给出了单个优化点，但是第二种情况给出 9 代谢网终通量和结构分析 了在一条边上很多个优化点。 藩13 ，1 代自 平衡分析过耩 f i g 1 3 1m e t h o d o l o g y f o r f l u x b a l a n c ea n a l y s i s 对于一个给定的翻标函数( z ) ，可戳通过葳璧平衡( s v ；o ) 和线性不等式( 日 由已知s 求解k 笈现l 是一系剜代谢池，却每个横向爨构成的一个等式中，根嚣 些原则组合代谢物的总量是恒定不变的。对应于极端路径的三种类型t 代谢媳也给出 了$ g 慰鲍三耪类型。类型a 袭示钢级代谢元素守蠖；类墅b 表暴龟食勰缀代瓣耱秘次 缀代蔼 耪审鏊溺守餐；裳翟c 袭示辅驹豳索守恒。 墨辩矗： t y p e 群； 姆辩e ： 熙t3 。3 代谢池的三墨孛攫型 f i g + 1 1 3 3 强r 掣e s o f t h e m e t a b o l i c p o o l s 以热分概为基础磷究友零空阀定义了耀关代谶渡，把代谢渣擞努瓣戒兰个部分，从 蔼胃激疆出代谢溜守憾凰，可叛清雏莆磁守褪美系，熊更辩褥理勰靛游弼路中备组分的 相互菇系。 1 3 2 纂嚣避链模式每辍端路强 较 如槊定义n 为零空间的维数( 线性赫向量数) 1 6 啊，m 魁极端路径数，k 怒基元模型 数。褥到辩下关系： ( 1 ) 露掇潦黯柽是萋露模型抟子集褥出n m 觏 ( 2 ) 掘累交按避量不可逆，鄹么r e = k ： ( 3 ) 如果交换通量搿逆，褥到撇 1 g 6 p x 2 x 3 x 4 x s x 6 x 7 x 8 x 9 x 1 0 x 1 l x 1 2 x 1 3 x 1 4 x 1 5 x 1 6 x l ? x 1 8 x 1 9 x 2 0 x 2 1 x 2 2 x 2 3 b i o m l g 6 p - - 1f 6 p lf 6 p 一 0 + 5 g a p + 0 ，5 d 奠a p l g a p - - lp e p 1 d h a p - - lg a p l 残p = lp y r 1p y r - - 0 6 6 6 7a c c o a 1 a c c o a - - l a c e l a c c o a + 1 0 a a 鉴= l e l t 1c i t = _ 1 i c i li c i ；n 0 8 3 3 3a k g 1a k g 皿 0 8s u c 1s u c - - 1 m a l l m a l = = i 1 0 a a l m a l 哥0 7 5p y r 。 lp e p 1 3 3 3 3o a a g 6 p = = 0 8 3 3 3r u 5 p 1r u 5 p 1r 5 p 1 r u 5 p l o a a l g a p + lf 6 p l x 5 p + le 4 p 1 5 5 7 3p e p 十8 4 9 8 4p y r 十1 2 1 2 3g 6 p + 4 87 5g a p + 8 0 5 7 6 a c c o a + 7 1 4 6 8 0 a a + 5 3 。9 4 5a k g + 4 4 。8 8 5 r 5 p + 1 44 4 e 4 p + 42 5 4 f 6 p = o7 。7 4 a c e + 1b i o m a s s 代谢网络通量和络掏分析 2 2 2 代谢反应网络圈 静”一。 圈2 1 大肠杆旃中心碳代谢反应嗣络 f i g + 2 ，lt h ec e n t r a lc a r b o nm e t a b o l i s mn e t w o r ki ne c o i l 大连理工大学硕士学位论文 22 3 计算过程 对f b a 、m o m a 和他们的扩展方法分别用m a t l a b 中的线性优化函数( 1 i n p r o g ) 、 二次规划函数( q u a d p r o g ) 和有约束非线性规划函数( f m i n c o m ) 这三个优化函数进行 计算。 通过f l u x a n a l y z e r 4 0 1 优化计算，以输入碳为1 0 0 ，生成的乙酸中的碳为6 0 4 ，所得 到的计算结果认为是野生型菌株的代谢通量分布( 表2 中第二列所显示) 。在代谢网络 的优化求解过程中，目标函数的优化结果相同，但有可能存在很多其他的代谢路径，相 关文章也作了一些探讨【6 9 1 ，因此在本文中不作深入讨论。为了能够多生成乙酸，利用方 法一，设定乙酸生成最大( x 8 通量最大) ，所得到的这组数据位于表2 第三列；当切 除基因z w f ( 把反应x 1 7 通量设定为0 ) ，也用方法一计算最大化生物质得到数据位于 表2 第四列；利用方法二计算切除基因z w f 后的代谢里分布数据位于表2 第五列；方法 三计算所得数据位于表2 第六列；方法四所设定的目标函数得到的数据位于衰2 第七列。 计算最大化生物质生成线性优化过程( 1 i n p r o g ) 计量： f = 【00000 00000 0 0 00 0000 00 00