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C_(40)类胡萝卜素代谢网络重建预测及大肠杆菌产番茄红素的通量分析

作　者: 任晓婧
导　师: 阎爱侠
学　校: 北京化工大学
专　业: 微生物与生化药学
关键词: 类胡萝卜素系统生物学代谢网络番茄红素基于约束的通量分析（COBRA）
分类号: R96
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

类胡萝卜素是一类由异戊二烯单元组成碳骨架的化合物，它们广泛的存在于自然界中，具有许多的生理和药理功能，对人类健康有着重要的影响。尽管到目前为止至少有700多种类胡萝卜素已经被分离和鉴别出来，但人们只对其中大约30%的类胡萝卜素有所研究。因此，整个类胡萝卜素代谢网络有着极大的研究空间。番茄红素作为一类非常重要的工业类胡萝卜素，异源合成是目前研究的一个新方向，随着系统生物学的迅速发展，在代谢工程设计中加入计算预测研究则能达到事半功倍的作用。本文第一部分，通过对类胡萝卜素代谢反应相关文献的检索，获取了目前通过生化分析手段已经得知的170个与类胡罗卜素生物合成相关的生化反应并将这些反应输入到BioPath.Database中。通过对BioPath.Database中存储的791个类胡萝卜素分子及这170个已知代谢反应的分析，最终选择对类胡萝卜素中所占比例最大的C₄₀类的类胡萝卜素进行研究，共涉及541个分子和138个反应，通过对138个已知反应，计算分析共得到63个―反应转化规则‖，将这些―反应转化规则‖用于这541个C₄₀类胡萝卜素分子，其中90%以上的类胡萝卜素能够形成一个完整的网络，最终预测得到1104个反应。随后对这一预测的网络进行了计算分析，包括转化规则的全面性，预测未知的中间代谢产物，代谢网络的连接度，预测途径的准确性和可行性。第二部分，通过引入MEP途径，在iAF1260模型的基础上搭建了大肠杆菌产番茄红素的全基因组规模代谢网络，通过对网络进行代谢通量平衡分析，预测得到番茄红素在以葡萄糖为底物的培养基上产率最高，通过鲁健性分析和相面表型分析得出番茄红素的合成过程中，初始阶段葡萄糖和氧气同时作为番茄红素产率的限制条件，而到后期只有葡萄糖影响最终的产率；番茄红素的产率和细胞生长成反比关系。通过OptKnock算法计算，最终没有得到番茄红素与细胞生长相偶联的理想结果，分析发现这可能与番茄红素的高含碳量及作为次级代谢产物产出有关，这需要实验进一步去确定合适的稳定期的生物质合成反应。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-24
  1.1 系统生物学概述  12
  1.2 代谢网络的研究现状  12-14
  1.3 基于约束的通量分析算法  14-20
    1.3.1 FBA 代谢通量平衡分析  16-18
    1.3.2 OptKnock  18-20
  1.4 类胡萝卜素概述  20-22
    1.4.1 类胡萝卜素种类和分布  20
    1.4.2 类胡萝卜素生理功能及代谢工程  20-21
    1.4.3 番茄红素(Lycopene)的合成  21-22
  1.5 本课题的主要研究工作  22-24
第二章 C40 类胡萝卜素代谢网络重建及预测  24-48
  2.1 研究背景  24
  2.2 材料和方法  24-33
    2.2.1 类胡萝卜素数据库构建  24-27
      2.2.1.1 类胡萝卜素化合物数据库的构建  25-26
      2.2.1.2 类胡萝卜素生化代谢反应数据库的构建  26-27
      2.2.1.3 简化的类胡萝卜素化合物数据库构建  27
    2.2.2 转化规则的产生  27-29
    2.2.3 反应产生过程  29-30
    2.2.4 最短路径算法的实施  30-33
  2.3 结果与讨论  33-46
    2.3.1 简化数据库代谢网络的构建  33-35
    2.3.2 类胡萝卜素合成中间代谢物的预测  35-36
    2.3.3 类胡萝卜素代谢网络构建  36-38
    2.3.4 代谢网络的连接度  38-39
    2.3.5 验证文献中提出的假设途径  39-41
    2.3.6 预测新的类胡萝卜素代谢途径  41-43
    2.3.7 获取整个网络的子集  43-46
  2.4 结论  46-48
第三章大肠杆菌产番茄红素系统生物学研究  48-68
  3.1 研究背景  48-49
  3.2 材料和方法  49-54
    3.2.1 实验材料  49
    3.2.2 实验技术方案  49-54
      3.2.2.1 产番茄红素的大肠杆菌代谢网络的重建  49-52
      3.2.2.2 FBA 计算  52-53
      3.2.2.3 OptKnock 计算  53-54
  3.3 结果与讨论  54-67
    3.3.1 FBA 计算结果  54-63
    3.3.2 OptKnock 计算结果  63-67
    3.3.3 计算时间  67
  3.4 结论  67-68
第四章结论与建议  68-70
  4.1 全文小结  68
  4.2 建议  68-70
参考文献  70-76
附录  76-78
致谢  78-79
研究成果及发表的学术论文  79-80
作者简介  80-81
导师简介  81-82
附件  82-83

C_(40)类胡萝卜素代谢网络重建预测及大肠杆菌产番茄红素的通量分析

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