典型工业微生物基因组规模代谢网络模型的构建与解析

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透彻理解微生物复杂代谢过程能够为微生物的工业应用提供指导。基于基因功能注释的基因组规模代谢网络模型(GSMM)构建了微生物基因组至代谢活动的关联,为全面解析微生物生理功能提供了高效平台。但是模型构建过程繁复,增加了模型开发的时间成本,限制了其在生物过程解析中的应用。本文利用MATLAB编写了具有普适性的、基于同源比对的基因组规模代谢网络初模型自动化构建程序。在该程序的辅助下完成了典型工业微生物干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)和土曲霉(Aspergillus terreus)GSMM的构建,并利用模型解析了两种微生物的基本生理特征。主要结果如下:(1)基于菌间蛋白质序列同源比对,利用MATLAB编程自动化基因组规模代谢网络初模型的构建,自动化程序包含参照模型格式处理、同源关联、反应提取、基因-蛋白-反应(GPR)构建、和粗模型文件生成等连续的处理节点。(2)借助自动化程序和L. pantarum WCFS1GSMM构建了L. casei LC2W初模型,包含410个基因和374个反应。结合KAAS、CELLO、TCDB和文献挖掘等方法精炼初模型,得到完整GSMM iJL760,包含688个代谢反应、591个代谢物和760个基因(占LC2W全部基因的24.0%,高于其他乳酸菌GSMM指标),其中具有重注释代谢功能的基因247个。FBA分析发现L. casei LC2W维持生长需要10种氨基酸和7种维生素,且具有75~111个必需基因。L. casei LC2W能够利用>20种碳源合成细胞物质,且氧气能够促进其对乙醇等碳源的利用。碳源受限的乳酸发酵中,L. casei LC2W将消耗天冬氨酸或丝氨酸。此外,天冬氨酸等6种氨基酸的添加能够促进胞外多糖合成。(3)借助自动化程序、A. niger GSMM iMA871和A. oryzae GSMM iWV1314构建了A. terreus NIH2624初模型,包含1263个基因和1169个反应。结合KAAS、WoLFPSOT、TCDB和文献挖掘等方法精炼初模型,得到完整GSMM iJL1454,含1451个代谢反应、1155个代谢物和1454个基因(占NIH2624全部基因的14%,高于其他曲霉属GSMM指标)。iJL1454包含土曲霉合成细胞物质、同化重要碳氮源的全部代谢途径,分布于3个细胞分区中。分析结果显示:iJL1454能够表征土曲霉对多种碳氮源及基因缺失的生长表型;从葡萄糖开始的衣康酸合成途径由转运和酶催化反应等29个生化反应和55个基因构成,其中葡萄糖激酶和衣康酸质膜转运蛋白等9种酶或蛋白在衣康酸合成中具有重要作用;土曲霉生长和产酸需求不同的培养条件,对pH和磷的需求差异较大。
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