米曲霉FMME-S-38基因组规模代谢网络模型重构与解析

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作者 高聪 袁炜佳 +2 位作者 叶超 刘佳 刘立明 《食品与生物技术学报》 北大核心 2025年第7期21-30,共10页

【目的】构建并解析L-苹果酸高产菌株米曲霉(Aspergillus oryzae,A.oryzae)FMME-S-38的基因组规模代谢网络模型(GSMM)。【方法】通过粗模型构建和模型精细优化2个步骤,构建L-苹果酸高产菌株米曲霉FMME-S-38的GSMM,命名为iJW1333。【结... 【目的】构建并解析L-苹果酸高产菌株米曲霉(Aspergillus oryzae,A.oryzae)FMME-S-38的基因组规模代谢网络模型(GSMM)。【方法】通过粗模型构建和模型精细优化2个步骤,构建L-苹果酸高产菌株米曲霉FMME-S-38的GSMM,命名为iJW1333。【结果】该模型系统整合了1723个生化反应、1723个代谢物以及1333个功能基因,对底物代谢和菌体生长模拟的预测准确度分别为94.6%和92.0%。通过比较基因组,发现还原磷酸戊糖途径(HMP)和氧化磷酸化基因突变是导致米曲霉FMME-S-38高产L-苹果酸的生理原因。氮源与辅因子(NADH和ATP)是影响L-苹果酸高效合成的关键因素,通过降低氮源质量浓度和溶氧(DO)水平,能弱化HMP并强化还原性三羧酸循环(rTCA)分支,使米曲霉FMME-S-38发酵生产L-苹果酸的产量达到(154.2±1.8)g/L。【结论】该研究有利于确定米曲霉FMME-S-38高产L-苹果酸关键路径和生理机制,为利用其生产其他有价值代谢产物奠定基础。 展开更多

关键词 米曲霉FMME-S-38 基因组规模代谢网络模型 L-苹果酸 流量平衡分析

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基因组规模代谢网络模型的自动化重构 被引量：2

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作者 柴文平 薛卫 +1 位作者 张梁 石贵阳 《食品与生物技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第9期957-965,共9页

对基于KEGG在线数据库、Uniprot-MetaCyc数据库,以及同源比对3种构建基因组规模代谢网络模型的方法进行了自动化研究。同时提出了基于反应式字符频度直方图的马氏距离比对算法,并应用于模型整合和模型核心反应的识别。上述自动化方法的... 对基于KEGG在线数据库、Uniprot-MetaCyc数据库,以及同源比对3种构建基因组规模代谢网络模型的方法进行了自动化研究。同时提出了基于反应式字符频度直方图的马氏距离比对算法,并应用于模型整合和模型核心反应的识别。上述自动化方法的研究均在树干毕赤酵母基因组规模代谢网络重构过程中得到运用实施,对于提高模型构建效率意义重大。 展开更多

关键词 基因组规模 代谢网络 自动化重构 直方图

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基因组规模代谢网络模型自动化修正 被引量：2

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作者 吴晓红 薛卫 +1 位作者 张梁 石贵阳 《食品与生物技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第9期982-989,共8页

基于KEGG在线数据库以及6个蛋白质区间预测数据库,对基因组规模代谢网络模型进行了自动化修正。作者提出了蛋白质区间预测结果的权重打分机制,同时利用图像处理算法确定可信度高的特异性反应。上述修正的研究均在Spathaspora passalidar... 基于KEGG在线数据库以及6个蛋白质区间预测数据库,对基因组规模代谢网络模型进行了自动化修正。作者提出了蛋白质区间预测结果的权重打分机制,同时利用图像处理算法确定可信度高的特异性反应。上述修正的研究均在Spathaspora passalidarum NRRL Y-27907基因组规模代谢网络精炼过程中得到运用实施,对于提高模型构建效率意义重大。 展开更多

关键词 基因组规模 代谢网络 断点补齐 图像处理 区间预测

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机器学习驱动的基因组规模代谢模型构建与优化 被引量：1

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作者 吴柯 罗家豪 李斐然 《合成生物学》 北大核心 2025年第3期566-584,共19页

自1999年首个基因组规模代谢模型(genome-scale metabolic model,GEM)问世以来,GEM已成为解析生物代谢的重要工具。该模型包含代谢基因、代谢物和反应,并结合化学计量矩阵与约束优化,系统描述和模拟生物体内的代谢过程。此外,GEM能够整... 自1999年首个基因组规模代谢模型(genome-scale metabolic model,GEM)问世以来,GEM已成为解析生物代谢的重要工具。该模型包含代谢基因、代谢物和反应,并结合化学计量矩阵与约束优化,系统描述和模拟生物体内的代谢过程。此外,GEM能够整合热力学参数、动力学参数、多组学数据及多细胞过程,构建更精细且具有更强大预测能力的多约束多过程模型。然而,先验知识的局限成为其发展的瓶颈。机器学习技术凭借强大的数据处理和模式识别能力,为进一步扩展GEM提供了新思路。本综述系统总结了传统GEM及多约束多过程模型的构建流程,并着重探讨了机器学习在其中关键步骤中的应用前景,如基因功能注释、途径解析、空缺填补和生物学参数预测。机器学习技术作为新的驱动力,有望大幅度提升GEM的规模和质量,深化对生物代谢机制的理解,并推动实现数字孪生细胞。 展开更多

关键词 基因组规模代谢模型 机器学习 合成生物学 代谢建模 多约束多过程模型

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酵母基因组规模模型进展及发展趋势 被引量：1

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作者 李永珠 陈禹 《合成生物学》 北大核心 2025年第3期585-602,共18页

酵母作为常用的真核模式生物,在合成生物学和系统生物学研究中具有重要地位。然而,由于其代谢系统较为复杂,进行代谢网络研究和设计时存在一定困难,因此,研究人员提出了基因组规模的建模方法,利用基因组序列及注释信息,整合细胞内复杂... 酵母作为常用的真核模式生物,在合成生物学和系统生物学研究中具有重要地位。然而,由于其代谢系统较为复杂,进行代谢网络研究和设计时存在一定困难,因此,研究人员提出了基因组规模的建模方法,利用基因组序列及注释信息,整合细胞内复杂的代谢反应和细胞过程,模拟细胞系统各部分的相互作用,得到对应的表型、功能和行为,辅助寻找代谢工程改造靶点,为理解复杂细胞系统提供了强有力的工具。本文介绍了基因组规模模型中传统代谢模型及整合多种生理学约束和多种细胞过程的模型的构建和分析方法,回顾了酵母属中多种酵母基因组规模模型的发展历程及主要应用,并基于此分析了当前酵母基因组规模模型研究中面临的主要问题,提出了提升模型准确率以及未来进一步优化模型的方法和趋势。 展开更多

关键词 基因组规模模型 酵母 代谢工程 细胞代谢 通量分析

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乳酸菌基因组规模代谢建模研究与在食品体系中的应用进展 被引量：2

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作者 刘子豪 倪皓洁 +3 位作者 李文璐 王凤忠 王彦波 曾黉 《食品科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第24期348-356,共9页

乳酸菌具有改善食品风味、提高营养价值等重要作用,被广泛应用于食品发酵领域。基因组规模代谢模型是研究微生物代谢的重要工具,可以模拟生物体内代谢网络、准确描述基因型-表型关系,目前已成功应用于乳酸菌代谢调控等研究中。本文系统... 乳酸菌具有改善食品风味、提高营养价值等重要作用,被广泛应用于食品发酵领域。基因组规模代谢模型是研究微生物代谢的重要工具,可以模拟生物体内代谢网络、准确描述基因型-表型关系,目前已成功应用于乳酸菌代谢调控等研究中。本文系统回顾了近20年以来构建的乳酸菌基因组规模代谢模型,并重点综述了现有模型在食品体系中的应用情况。本文在分析现有模型存在的主要挑战与局限性的同时,结合目前新技术、新思想对其未来发展方向进行展望,旨在为未来如何更加有效、准确地将乳酸菌基因组规模代谢模型有机地应用在食品工业,辅助食品微生物群落智慧设计提供参考。 展开更多

关键词 乳酸菌 基因组规模代谢模型 代谢模拟 食品工业

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基因组规模代谢模型在细菌感染治疗领域的研究进展 被引量：1

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作者 卞星晨 刘笑芬 +1 位作者 冯美卿 张菁 《中国感染与化疗杂志》 CAS CSCD 北大核心 2020年第4期452-456,共5页

基因组规模代谢模型(genome-scale metabolic model,GSMM)是通过整合基因组学、转录组学、文献组学、蛋白质组学以及代谢组学等多组学数据,建立基因-蛋白质(酶)-生化反应关联组成的特定微生物代谢网络[1]。GSMM将从基因组获得的生化反... 基因组规模代谢模型(genome-scale metabolic model,GSMM)是通过整合基因组学、转录组学、文献组学、蛋白质组学以及代谢组学等多组学数据,建立基因-蛋白质(酶)-生化反应关联组成的特定微生物代谢网络[1]。GSMM将从基因组获得的生化反应信息与代谢表型进行桥接,为从系统上理解微生物生理代谢功能模型提供一个高效平台[2]。 展开更多

关键词 基因组规模代谢模型 细菌感染 抗菌作用机制 新靶标

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基于基因组规模代谢模型探究影响肝癌细胞生长的关键基因 被引量：1

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作者 徐轶舟 王卓 《生物学杂志》 CAS CSCD 北大核心 2021年第1期8-13,共6页

基于全基因组规模代谢模型的模拟分析已被成功应用于探索包括癌症在内的多种疾病的发生机制,通过模拟基因敲除对肿瘤细胞生长的影响,鉴别关键代谢重编程节点。通过分析肝细胞肝癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)不同于正常肝细胞的代谢... 基于全基因组规模代谢模型的模拟分析已被成功应用于探索包括癌症在内的多种疾病的发生机制,通过模拟基因敲除对肿瘤细胞生长的影响,鉴别关键代谢重编程节点。通过分析肝细胞肝癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)不同于正常肝细胞的代谢差异,发现AKG能够调节肿瘤生长,是潜在的抗癌药物靶点;而TECR在HCC细胞中的重要性降低使其成为潜在的抗肿瘤位点。HCC肝癌细胞在胆固醇合成通路上存在代谢重编程:DHCR24和HMGCS2基因的缺失可以帮助肿瘤细胞避免正常凋亡,而IDI2基因的存在能够增强肿瘤细胞增殖、迁移能力;胆碱代谢物可以影响脂肪酸合成通路从而促进炎症反应来加速癌症发展的进程。 展开更多

关键词 全基因组规模代谢模型 肝细胞肝癌 基因敲除 胆固醇合成 L-氯化棕榈酰肉碱

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乳酸菌基因组代谢网络模型的研究进展 被引量：1

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作者 艾连中 侯成杰 《食品科学技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期1-10,共10页

基因组代谢网络模型(genome-scale metabolic models,GEMs/GSMM)是基因组规模的细胞生化反应网络,可以定量描述基因与表型的关系,广泛应用于系统生物学、代谢工程、环境科学等领域。微生物基因组代谢网络模型是基于微生物基因组构建的... 基因组代谢网络模型(genome-scale metabolic models,GEMs/GSMM)是基因组规模的细胞生化反应网络,可以定量描述基因与表型的关系,广泛应用于系统生物学、代谢工程、环境科学等领域。微生物基因组代谢网络模型是基于微生物基因组构建的生理生化知识库,通过数学模型实现对目标微生物生理生化反应的模拟,已成为研究微生物代谢调控的重要工具。基因组代谢网络模型的构建步骤通常包括构建模型草图、人工精炼、模型转换、验证评估4个阶段。在介绍以模式微生物(大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母)为代表的微生物基因组代谢网络模型发展过程基础上,重点聚焦乳酸菌基因组代谢网络模型的研究现状,系统介绍了已构建的乳酸菌基因组代谢网络模型及其应用。对乳酸菌基因组代谢网络模型的发展方向进行了展望,提出未来乳酸菌基因组代谢网络模型的研究应在现有模型的基础上构建更高质量的代谢与大分子表达模型和泛基因组模型,为乳酸菌的研究提供更高效的工具。 展开更多

关键词 基因组代谢网络模型 乳酸菌 代谢规律 高通量数据 计算机模拟 数据整合

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基于Methylovorus sp.J1-1基因组尺度代谢网络优化吡咯喹啉醌合成 被引量：4

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作者 寇航 王艳梅 +4 位作者 李彤 薄明井 张惟材 熊向华 黎明 《生物技术通报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期173-183,共11页

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G... 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。 展开更多

关键词 Methylovorus sp.J1-1 基因组尺度代谢网络模型 吡咯喹啉醌 氨基酸 靶基因预测

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乳酸菌全基因组测序的应用进展 被引量：8

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作者 张彦位 杨玲 +6 位作者 路江浩 严超 仵红岩 李玲 刘明月 齐世华 何方 《食品工业科技》 CAS 北大核心 2022年第15期444-450,共7页

乳酸菌在自然界中广泛存在,具有丰富的物种多样性,在食品、饲料和医药等领域广泛应用,目前市场上绝大多数的益生菌都是乳酸菌。近年来,全基因组测序技术蓬勃发展,大大促进了乳酸菌资源的开发与应用。基于乳酸菌的全基因组信息可以系统... 乳酸菌在自然界中广泛存在,具有丰富的物种多样性,在食品、饲料和医药等领域广泛应用,目前市场上绝大多数的益生菌都是乳酸菌。近年来,全基因组测序技术蓬勃发展,大大促进了乳酸菌资源的开发与应用。基于乳酸菌的全基因组信息可以系统且全面地了解菌株的代谢特征、潜在的益生功能与应用方向,可以更加准确地探究乳酸菌的遗传、进化和分类。乳酸菌安全性评价程序要求在基因组水平检索是否存在耐药、毒力和致病性相关基因,并判定相关基因是否可水平转移。应用全基因组测序技术,比较不同代次菌株基因组中基因序列和结构差异,可高效、完整地判定乳酸菌在产业化应用过程中的遗传性和稳定性。在全基因组信息基础上,重构基因组规模代谢网络模型,可模拟并预测菌体细胞在特定环境下的行为,能系统地指导菌株的代谢工程策略。本文对全基因组测序技术在乳酸菌代谢特性、遗传进化、安全性和稳定性方面的应用现状进行了综述,旨在为乳酸菌基因组学研究提供理论支持。 展开更多

关键词 乳酸菌 基因组学 安全性 稳定性 基因组规模代谢网络模型 (GSMM)

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代谢通量分析在酶合成过程中的应用研究进展 被引量：2

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作者 高振 熊强 +2 位作者 徐晴 宋萍 李霜 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第7期1625-1628,共4页

代谢通量分析可以有效预测微生物的代谢状况,指导生物合成过程,已在多个领域得到成功应用。本文概括分析了三大代谢通量分析技术(基于物料平衡、基于同位素示踪技术以及基于基因组尺度规模网络)在工业生物技术领域的应用,阐述了相关技... 代谢通量分析可以有效预测微生物的代谢状况,指导生物合成过程,已在多个领域得到成功应用。本文概括分析了三大代谢通量分析技术(基于物料平衡、基于同位素示踪技术以及基于基因组尺度规模网络)在工业生物技术领域的应用,阐述了相关技术的优势及局限性。在此基础上重点论述了基于物料平衡及同位素示踪这两类通量分析技术在酶合成领域的研究进展,分析了代谢通量分析应用于复杂代谢产物可能存在的问题,指出如何将信号转导、转录调控等信息纳入代谢网络将成为未来酶合成过程代谢分析的研究重点。 展开更多

关键词 代谢通量分析 物料平衡 同位素示踪 基因组规模代谢网络 酶

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微生物制造绿色化学品研究进展 被引量：3

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作者 毕浩然 张洋 +4 位作者 王凯 徐晨晨 霍奕影 陈必强 谭天伟 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第1期1-13,共13页

微生物制造利用生物质和二氧化碳等可再生原料进行化学品的绿色生产,显示出了巨大的二氧化碳减排潜力,是促进实现“碳中和”目标的重要途径,其核心内容之一是高效微生物细胞工厂的设计与构建。综述了基于基因组规模代谢网络模型的代谢... 微生物制造利用生物质和二氧化碳等可再生原料进行化学品的绿色生产,显示出了巨大的二氧化碳减排潜力,是促进实现“碳中和”目标的重要途径,其核心内容之一是高效微生物细胞工厂的设计与构建。综述了基于基因组规模代谢网络模型的代谢流分析和代谢途径预测研究进展;介绍了新型基因组编辑工具助力微生物细胞工厂的高效开发;总结了代谢调控策略用于提升细胞工厂生产能力。此外,还概述了微生物制造关键技术在第三代生物制造中的应用。最后,展望了未来微生物制造在化学品生产中的应用和发展方向。 展开更多

关键词 微生物制造 代谢网络模型 基因组编辑 代谢调控 微生物利用

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