An Indirect Optimization Method for Biochemical Systems: Description of Method and Application to the Maximization of the Rate of Ethanol, Glycerol, and Carbohydrate Production in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Néstor V. Torres, Eberhard O. Voit, Carlos Glez-Alcon, Felipe Rodríguez
- 单位
- Grupo de Tecnología Bioquímica y Control Metabólico, Departamento de Bioquímica y Biología Molecular, Facultad de Biología, Universidad de La Laguna, 38206 La Laguna, Tenerife, Islas Canarias, España; Department of Biometry and Epidemiology, Medical University of South Carolina, Charleston, South Carolina 29425-2503; Departamento de Estadística, Investigación Operativa y Computación. Facultad de Matemáticas, Universidad de La Laguna, 38206 La Laguna, Tenerife, Islas Canarias, España
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（1997）
- DOI
- 10.1002/(SICI)1097-0290(19970905)55:5<758::AID-BIT6>3.0.CO;2-A
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发一种间接优化方法，将非线性生化系统（如米氏方程或GMA模型）的优化问题转化为S-系统的线性规划问题，并应用于酿酒酵母中乙醇、甘油和碳水化合物生产效率的最大化
研究策略
利用S-系统在稳态时呈现线性对数方程的性质，对原MM/GMA模型进行幂律近似，通过线性规划求解最优酶活性谱，再将优化结果转移到原模型验证
研究路线图
创新点
提出间接优化方法（IOM），允许对非线性系统进行线性优化；通过S-系统近似与约束调整确保原模型稳定；系统比较了S、GMA、MM模型的优化结果
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | 糖转运系统 (Vin, X6) | 转运 | 葡萄糖摄取，乙醇优化的首要调制酶 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | 己糖激酶 (hexokinase, VHK, X7) | 催化 | 葡萄糖磷酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | 磷酸果糖激酶 (phosphofructokinase, VPFK, X8) | 催化 | 糖酵解关键调控酶 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 (GADP, X9) | 催化 | 参与糖酵解 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | 丙酮酸激酶 (pyruvate kinase, VPK, X10) | 催化 | 乙醇生产通量即V4-，受X10调控 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | 糖原合成酶 (glycogen synthetase, Vcarb, X11) | 催化 | 碳水化合物分支关键酶，碳水优化唯一关键酶 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | 甘油-3-磷酸脱氢酶 (Vgro, X12) | 催化 | 甘油分支关键酶，甘油优化唯一关键酶 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | ATPase (VATPase, X13) | 能量供给 | ATP消耗，乙醇优化中需上调4.25倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 厌氧发酵（葡萄糖→乙醇/甘油/碳水化合物） | — | NADH/NAD+ (X14) | 调控 | 氧化还原辅因子，优化中保持恒定 |
关键发现
- 以乙醇生产最大化为目标，S-系统优化使乙醇速率提高3.2倍，需调控6种酶（X6,X7,X8,X9,X10,X13），GMA和MM模型分别提高3.14倍和3.48倍
- 以甘油最大化为目标，仅需调控甘油-3-磷酸脱氢酶（X12）至10倍，S、GMA、MM模型甘油速率分别提高10.95、9.05、8.81倍
- 以碳水化合物最大化为目标，S解提高234.33倍，GMA解提高59.38倍，MM解提高106.77倍，仅需调控糖原合成酶X11（或X11+X6）即可将碳水化合物通量提高到106.77倍。乙醇优化时酶过表达倍数在3.15-4.25之间，代谢物波动限制在20%内
- 甘油优化中酶活性上限超过10倍会导致MM模型不稳定
研究结论
间接优化方法能够有效优化非线性生化系统，其预测的酶活性谱可在原模型中实现显著的通量提升；与Kacser和Acerenza方法结果相似，但适用性更广，能处理反馈、变构等复杂特征。对于乙醇生产需要多酶协同调制，而甘油和碳水化合物的生产仅需较少酶即可大幅提高