Estimating Optimal Profiles of Genetic Alterations Using Constraint-Based Models
- 作者
- Kapil G. Gadkar, Francis J. Doyle III, Jeremy S. Edwards, Radhakrishnan Mahadevan
- 单位
- Department of Chemical Engineering, University of California, Santa Barbara; Department of Chemical Engineering, University of Delaware, Newark; Department of Bioengineering, University of California, San Diego
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2004）
- DOI
- 10.1002/bit.20349
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决如何确定基因改造的最优时间谱以实现产物产量最大化的问题，即动态调控关键代谢酶的表达而非在过程开始时进行简单的基因敲除。
研究策略
采用基于约束的代谢网络模型（通量平衡分析，FBA）结合双层优化框架：外层优化寻找被操纵反应的最优时间通量谱以最大化批次终点的产物浓度，内层优化在每个采样时间点以最大化细胞生长速率为目标分配未操纵的通量。
核心内容
该研究提出了一种基于约束代谢模型的双层优化框架，用于确定代谢工程中基因操纵的最优时间谱，而非在批次开始时简单地敲除或诱导关键酶。外层优化搜索被操纵反应的通量时间曲线以最大化终点产物浓度，内层优化则在每个采样点以生长最大化为目标分配其余通量。在甘油生产案例中，最优甘油激酶通量谱为前3.25小时为零、之后达到最大2 mmol/g biomass/h，使最终甘油浓度达2.28 mmol/L，比全程保持最大通量的菌株高30%。在乙醇生产案例中，最优乙酸通量谱（前7小时约5 mmol/g biomass/h，之后降为零）使最终乙醇浓度达11.92 mmol/L，显著优于无乙酸通量的8.36 mmol/L和完全活跃的6.22 mmol/L。此外，考虑生长抑制时最优通量谱相应调整，且当批次时间较长时双基因敲除更为有利。结果表明，为最大化产量，通量的诱导或抑制应在特定时点引入，且最优谱随氧传递、生长抑制和批次时间等操作条件改变，该框架为动态代谢工程策略设计提供了有效工具。
创新点
['提出双层优化框架用于确定基因操纵的最优时间谱', '证明从生产力角度，诱导基因改造在过程开始时进行是次优的', '分析了氧传递系数、生长抑制和批次时间对最优通量谱的影响']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 甘油生物合成 | glpK | 甘油激酶 | 催化 | 操纵该酶反应的通量以最大化甘油产量 |
| Escherichia coli | 甘油生物合成（还原分支） | — | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 将磷酸二羟丙酮转化为甘油-3-磷酸 |
| Escherichia coli | 乙酸/乙醇代谢 | ackA | 乙酸激酶 | 催化 | 操纵乙酸通量以最大化乙醇产量 |
| Escherichia coli | 乳酸发酵 | ldh | 乳酸脱氢酶 | 催化 | 敲除该基因以增加乙醇通量 |
关键发现
- 在甘油生产案例中，最优甘油激酶通量谱（前3.25 h为零，之后达到最大2 mmol/g biomass/h）使最终甘油浓度达到2.28 mmol/L，比全批次保持最大甘油通量的菌株（1.75 mmol/L）高30%
- 在乙醇生产案例中，最优乙酸通量谱（前7 h约5 mmol/g biomass/h，之后降为零）使最终乙醇浓度达到11.92 mmol/L，优于无乙酸通量菌株的8.36 mmol/L和完全活跃乙酸通量菌株的6.22 mmol/L
- 考虑乙醇生长抑制时，最优乙酸通量提高到约7 mmol/g biomass/h并持续9 h，最终乙醇浓度9.4 mmol/L
- 对于批次时间≥13.75 h，最优为ldh+ackA双敲除菌株，最终乙醇浓度12.37 mmol/L。
研究结论
研究开发了基于约束模型的双层优化方案来确定代谢工程中基因操纵的最优时间通量谱。结果表明，为最大化目的产物产量，必须在最优时间引入通量的诱导或抑制，而不是一开始就使用基因改造菌株；且最优谱随操作条件（氧气可用性、生长抑制、批次时间）变化。该方法可作为代谢工程动态策略设计的有效框架。