【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
：本專利技術(shù)屬于生物工程和代謝工程領(lǐng)域，涉及一種用于自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化(ale)過程中起始菌株設(shè)計(jì)的方法，特別是針對(duì)如何設(shè)計(jì)起始菌株使其在ale過程中逐步適應(yīng)并最終單獨(dú)依賴某種之前無法利用的碳源進(jìn)行生長(zhǎng)。
技術(shù)介紹
0、
技術(shù)介紹
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1、隨著工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)微生物在生產(chǎn)中面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上使用的碳源如葡萄糖已經(jīng)無法滿足某些工業(yè)應(yīng)用的需求。因此，利用那些之前無法利用的碳源，尤其是可再生資源，成為研究的熱點(diǎn)。然而，許多工業(yè)微生物缺乏利用這些碳源的天然能力，這極大地限制了它們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍。
2、自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化(ale)是一種通過逐步調(diào)整環(huán)境條件，迫使微生物適應(yīng)并最終利用新的碳源的有效方法。然而，現(xiàn)有的ale方法通常需要共底物輔助，并且難以實(shí)現(xiàn)菌株對(duì)單一目標(biāo)碳源的完全依賴。為了解決這一問題，本專利技術(shù)提出了adaptuc-b方法，通過合理設(shè)計(jì)反應(yīng)敲除策略，使菌株能夠在ale過程中逐步適應(yīng)并最終單獨(dú)依賴某種之前無法利用的碳源進(jìn)行生長(zhǎng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
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技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
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1、本專利技術(shù)提出了一種用于ale過程中設(shè)計(jì)起始菌株的方法，稱為adaptuc-b。該方法通過基因組規(guī)模代謝模型和混合整數(shù)規(guī)劃算法，預(yù)測(cè)并設(shè)計(jì)能夠逐步適應(yīng)并最終單獨(dú)依賴某種之前無法利用的碳源進(jìn)行生長(zhǎng)的反應(yīng)敲除(比如通過基因敲除實(shí)現(xiàn))策略。該方法為實(shí)驗(yàn)中的菌株設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了清晰的指導(dǎo)，使得所設(shè)計(jì)的菌株能夠在ale過程中成功適應(yīng)并最終獨(dú)立利用目標(biāo)碳源。
2
3、s1提供如下數(shù)據(jù)，包括菌的種屬、代謝網(wǎng)絡(luò)模型、底物及最大攝入速率的菌株培養(yǎng)條件、目標(biāo)碳源、共底物碳源；
4、s2通過基于基因組規(guī)模代謝模型的雙層混合整數(shù)規(guī)劃算法確定反應(yīng)敲除策略，使得微生物在進(jìn)化過程中能夠逐步適應(yīng)并最終單獨(dú)依賴某種之前無法利用的碳源進(jìn)行生長(zhǎng)；
5、s3將上述反應(yīng)敲除目標(biāo)應(yīng)用于微生物，用于通過自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化ale過程的進(jìn)化起始菌株，以便通過自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化ale過程逐步增強(qiáng)其對(duì)該碳源的利用能力，確保所述微生物最終在沒有其他碳源存在的條件下，能夠獨(dú)立依賴該碳源生長(zhǎng)。
6、進(jìn)一步地，所述的雙層混合整數(shù)規(guī)劃算法進(jìn)一步包括以下步驟：
7、a)在內(nèi)層優(yōu)化問題中，模擬反應(yīng)敲除后的菌株在目標(biāo)碳源和其他共底物條件下的生長(zhǎng)表現(xiàn)；
8、b)在外層優(yōu)化問題中，最大化目標(biāo)碳源的利用率，并確保其對(duì)菌株生長(zhǎng)的必要性。
9、具體地，其中所述的反應(yīng)敲除策略包括：
10、a)選擇能夠耦合目標(biāo)碳源與生長(zhǎng)的反應(yīng)敲除組合；
11、b)確保反應(yīng)敲除后的菌株在無其他碳源的培養(yǎng)基中能夠生長(zhǎng)。
12、4、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)所述的雙層混合整數(shù)規(guī)劃算法的方法如下：最小化∑yj
13、服從于：
14、最大化v1bio＝cv1
15、服從于
16、
17、最大化v2bio＝cv2
18、服從于
19、
20、最大化v3?bio＝cv3
21、服從于
22、
23、最小化
24、服從于
25、
26、v1bio≥0.5v0bio_uc?for?adaptuc?b
27、v1bio≤0.1v0bio_uc?for?adaptuc?a
28、v2bio≤0.1v0bio_cosub
29、v3bio≥v0bio_cosub
30、∑yj＜k
31、v1.v2，v2，v4∈r，y∈[0，1]
32、其中，
33、sij表示代謝物i在反應(yīng)j中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣，v1j是反應(yīng)j的通量變量，lb1j和ub1j分別是v1j的下限和上限，二進(jìn)制變量yj指示反應(yīng)j是否被停用yj＝1或未停用yj＝0。
34、本專利技術(shù)提供用于執(zhí)行所述的方法的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其包括如下模塊：
35、a.數(shù)據(jù)錄入模塊，用于錄入相關(guān)信息，包括包括菌的種屬、代謝網(wǎng)絡(luò)模型、底物及最大攝入速率的菌株培養(yǎng)條件、目標(biāo)碳源、共底物碳源；
36、b.數(shù)據(jù)處理模塊，用于計(jì)算處理；
37、c.結(jié)果輸出模塊。
38、本專利技術(shù)進(jìn)一步提供一種基于所述系統(tǒng)的生物信息學(xué)工具，其包括：
39、a.用戶界面，允許用戶輸入相關(guān)信息；
40、b.所述系統(tǒng)；
41、d.結(jié)果展示模塊，用于向用戶展示預(yù)測(cè)結(jié)果；
42、任選地，還包括：e.報(bào)告生成器，用于創(chuàng)建結(jié)果。
43、本專利技術(shù)的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)包括：
44、混合整數(shù)規(guī)劃算法：該算法結(jié)合了基因組規(guī)模代謝模型和優(yōu)化技術(shù)，能夠有效處理復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)最優(yōu)的反應(yīng)敲除組合。
45、反應(yīng)敲除目標(biāo)的預(yù)測(cè)：本專利技術(shù)通過模擬反應(yīng)敲除后的菌株在目標(biāo)碳源和其他共底物條件下的生長(zhǎng)情況，預(yù)測(cè)并設(shè)計(jì)出能夠促進(jìn)ale過程中微生物對(duì)目標(biāo)碳源依賴性的反應(yīng)敲除策略。其原理在于，通過主要輸入為全基因組代謝網(wǎng)絡(luò)模型，其中包含目標(biāo)菌的上千甚至幾千個(gè)主要的胞內(nèi)小分子代謝途徑，使用通量平衡分析算法，給定目標(biāo)函數(shù)和培養(yǎng)基成分，可以預(yù)測(cè)出胞內(nèi)代謝流分布，adaptuc-b方法的每一個(gè)子問題都是一個(gè)通量平衡分析問題。所有的子問題構(gòu)成內(nèi)層問題，內(nèi)層問題和外層問題構(gòu)成組合成adaptuc-b。
46、作為案例研究，我們提出了ale起始菌株的代謝工程策略，既包括與其他碳源共利用甲醇的策略，也包括僅使用甲醇作為唯一碳源的策略。在我們的案例研究中，考慮了大腸桿菌和谷氨酸棒狀桿菌等重要工業(yè)物種。我們基于初始菌株在未適應(yīng)碳源上的生長(zhǎng)難易度以及同化更多未適應(yīng)碳源的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力來評(píng)估這些策略。為了驗(yàn)證我們的方法，我們將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)上有效的策略進(jìn)行了比較。通過深入的代謝水平分析，發(fā)現(xiàn)了具有更高潛力的新策略。我們預(yù)期我們的工作將加速工業(yè)生物學(xué)的轉(zhuǎn)型，使更多的工業(yè)微生物能夠利用先前未適應(yīng)但有前景的可再生底物。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種用于自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化過程中設(shè)計(jì)起始菌株的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的雙層混合整數(shù)規(guī)劃算法進(jìn)一步包括以下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中所述的反應(yīng)敲除策略包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)所述的雙層混合整數(shù)規(guī)劃算法的方法如下：
5.用于執(zhí)行如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，包括如下模塊：
6.一種基于如權(quán)利要求5所述系統(tǒng)的生物信息學(xué)工具，其包括：
7.如權(quán)利要求6所述的生物信息學(xué)工具，其特征在于，還包括：e.報(bào)告生成器，用于創(chuàng)建結(jié)果。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化過程中設(shè)計(jì)起始菌株的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的雙層混合整數(shù)規(guī)劃算法進(jìn)一步包括以下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中所述的反應(yīng)敲除策略包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的方法，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔡敬一，馬紅武，袁倩倩，劉嘉鈺，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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