Large-Scale Bi-Level Strain Design Approaches and Mixed-Integer Programming Solution Techniques
- 作者
- Joonhoon Kim, Jennifer L. Reed, Christos T. Maravelias
- 单位
- Department of Chemical and Biological Engineering, University of Wisconsin-Madison; DOE Great Lakes Bioenergy Research Center, University of Wisconsin-Madison
- 杂志
- PLoS ONE（2011）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0024162
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在基因组规模代谢模型中识别大量遗传扰动策略时，计算资源不足问题突出，现有方法难以处理大规模组合优化。
研究策略
提出两种新的双层菌株设计方法（SimOptStrain同时考虑基因删除和非天然反应添加；BiMOMA首次将MOMA作为内层问题），并开发基于对偶理论的混合整数规划求解技术，包括对偶变量边界紧缩、扰动惩罚、搜索空间缩减和迭代求解。
研究路线图
核心内容
针对基因组规模代谢模型中大规模遗传扰动策略搜索面临的计算瓶颈，本研究提出了两种双层菌株设计方法并配套开发了混合整数规划求解技术。SimOptStrain能够同时优化基因删除与非天然反应添加，弥补了传统多步流程可能遗漏最优策略的缺陷；BiMOMA则首次将最小代谢调整（MOMA）作为内层问题，转化为可直接求解的单层混合整数二次约束规划问题。在求解层面，研究基于对偶理论开发了变量边界紧缩、扰动惩罚、搜索空间缩减及迭代求解等通用技术，大幅降低了计算负担。以大肠杆菌为对象，OptORF的计算时间从约10天缩短至约5分钟；SimOptStrain预测琥珀酸产量在3基因删除加1个反应添加时可达32.5%的理论最大产量（TMP），而5基因删除加1个反应添加时进一步提升至67.5%；甘油产量在引入非天然反应后从6.8% TMP跃升至106% TMP。BiMOMA预测丙酮酸和谷氨酸在10基因删除策略下产量分别达到41.03%和43.70% TMP，显著优于OptGene的2–5%。这些结果表明，所提出的方法在计算效率和策略质量上均实现了显著提升，能够有效加速复杂菌株的设计与开发进程。
创新点
1. SimOptStrain同时优化基因删除和非天然反应添加，弥补OptStrain多步流程可能遗漏最优策略的缺陷；2. BiMOMA首次将MOMA（最小代谢调整）内层问题转化为MIQCP单层问题；3. 开发通用MIP求解技术，显著降低计算时间，支持大规模扰动策略搜索。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 糖酵解 | eno | 烯醇化酶 | 催化 | OptORF靶点，删除可提高乙酸产量 |
| Escherichia coli | 氨基酸代谢 | glyA | 丝氨酸羟甲基转移酶 | 催化 | OptORF靶点，SimOptStrain琥珀酸策略中也涉及 |
| Escherichia coli | 混合酸发酵 | adhE | 乙醛脱氢酶/乙醇脱氢酶 | 催化 | 多策略中删除（OptORF、SimOptStrain） |
| Escherichia coli | 芳香化合物降解 | mhpF | — | 催化 | OptORF靶点，与adhE共同删除 |
| Escherichia coli | 氨基酸代谢 | ydfG | — | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 糖酵解/磷酸戊糖途径 | pgi | 葡萄糖-6-磷酸异构酶 | 催化 | OptORF和SimOptStrain中涉及 |
| Escherichia coli | 甲醛代谢 | frmA | 甲醛脱氢酶 | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 醇代谢 | adhP | 醇脱氢酶 | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 氧化磷酸化 | atpC | ATP合酶ε亚基 | 能量供给 | OptORF靶点，删除影响能量代谢 |
| Escherichia coli | 糖酵解/糖异生 | fsaA | 果糖-6-磷酸醛缩酶A | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 糖酵解/糖异生 | fsaB | 果糖-6-磷酸醛缩酶B | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 磷酸戊糖途径 | zwf | 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 发酵（乳酸） | ldhA | 乳酸脱氢酶 | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 发酵（D-乳酸） | dld | D-乳酸脱氢酶 | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 糖酵解 | tpiA | 磷酸丙糖异构酶 | 催化 | OptORF和BiMOMA谷氨酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 氨基酸代谢（丝氨酸） | serB | 磷酸丝氨酸磷酸酶 | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 呼吸链 | nuoN | NADH脱氢酶I亚基N | 能量供给 | OptORF和SimOptStrain甘油策略中涉及 |
| Escherichia coli | 甘油代谢 | gldA | 甘油脱氢酶 | 催化 | OptORF和SimOptStrain甘油策略中涉及 |
| Escherichia coli | 丙酮酸代谢 | mgsA | 甲基乙二醛合酶 | 催化 | OptORF靶点 |
| Escherichia coli | 氨基酸代谢（谷氨酸） | gdhA | 谷氨酸脱氢酶 | 催化 | OptORF和BiMOMA丙酮酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 三羧酸循环 | sdhC | 琥珀酸脱氢酶亚基C | 催化 | SimOptStrain琥珀酸策略和BiMOMA谷氨酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 乙酸代谢 | pta | 磷酸转乙酰酶 | 催化 | SimOptStrain琥珀酸策略和BiMOMA谷氨酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 乙酸代谢 | eutD | 磷酸乙酰转移酶 | 催化 | SimOptStrain琥珀酸策略和BiMOMA谷氨酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 磷酸戊糖途径 | gnd | 6-磷酸葡糖酸脱氢酶 | 催化 | SimOptStrain和BiMOMA多策略中涉及 |
| Escherichia coli | 呼吸链 | cyoA | 细胞色素o泛醇氧化酶亚基I | 能量供给 | SimOptStrain琥珀酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 呼吸链 | cydA | 细胞色素bd泛醇氧化酶亚基I | 能量供给 | SimOptStrain琥珀酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 能量代谢 | pntA | 吡啶核苷酸转氢酶α亚基 | 催化 | SimOptStrain琥珀酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 丙酮酸脱氢酶复合体 | lpd | 硫辛酰胺脱氢酶 | 催化 | SimOptStrain和BiMOMA丙酮酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 磷酸转移酶系统（糖转运） | ptsH | 磷酸载体蛋白HPr | 转运 | SimOptStrain琥珀酸策略和BiMOMA谷氨酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 氧化磷酸化 | atpA | ATP合酶α亚基 | 能量供给 | SimOptStrain琥珀酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 氧化磷酸化 | atpH | ATP合酶δ亚基 | 能量供给 | SimOptStrain琥珀酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 甘油代谢 | glpK | 甘油激酶 | 催化 | SimOptStrain甘油策略中涉及 |
| Escherichia coli | 糖酵解 | pgk | 磷酸甘油酸激酶 | 催化 | SimOptStrain甘油策略中涉及 |
| Escherichia coli | 糖异生 | fbp | 果糖-1,6-二磷酸酶 | 催化 | SimOptStrain甘油策略中涉及 |
| Escherichia coli | 甲基乙二醛代谢 | gloB | 羟酰谷胱甘肽水解酶 | 催化 | SimOptStrain甘油策略中涉及 |
| Escherichia coli | 丙酮酸脱氢酶复合体 | aceE | 丙酮酸脱氢酶E1组分 | 催化 | BiMOMA丙酮酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 氨基酸转运 | brnQ | 支链氨基酸转运蛋白 | 转运 | BiMOMA丙酮酸和谷氨酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 丙酮酸代谢 | poxB | 丙酮酸氧化酶 | 催化 | BiMOMA丙酮酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 回补反应 | ppc | 磷酸烯醇丙酮酸羧化酶 | 催化 | BiMOMA丙酮酸策略中涉及 |
| Escherichia coli | 糖异生 | pps | 磷酸烯醇丙酮酸合酶 | 催化 | BiMOMA丙酮酸策略中涉及 |
关键发现
- OptORF计算时间从约10天降至约5分钟（4个基因删除策略）
- 识别出苹果酸和丝氨酸的生产策略，而其他方法无法找到。SimOptStrain预测琥珀酸产量（3基因删除+1反应添加）达32.5% TMP（野生型TMP=1.5 mol/mol），加2个反应达37.3% TMP，5基因删除+1反应添加达67.5% TMP
- 甘油产量（5基因删除+1反应添加）达106% TMP，而无添加时仅6.8% TMP。BiMOMA预测丙酮酸（10基因删除）产量达41.03% TMP，谷氨酸（10基因删除）达43.70% TMP，而OptGene仅达2-5%。计算时间上，SimOptStrain从约15 CPU小时降至0.4 CPU小时（琥珀酸，3基因删除+1反应添加），BiMOMA从约65 CPU小时降至2 CPU小时（丙酮酸，3基因删除）。
研究结论
开发的双层菌株设计方法和混合整数规划求解技术显著提高了菌株设计的计算效率和策略质量，可应用于代谢工程中复杂菌株的设计，加速菌株开发过程。