代謝工程的途徑分析與優(yōu)化

內(nèi)容概要

功能基因組學和蛋白質(zhì)組學的快速發(fā)展，為解決生物技術(shù)中的眾多迫切問題搭建了一個平臺。對生物體的基因和代謝途徑進行方便的目的性操作，與計算能力的空前提高相結(jié)合，為生物技術(shù)的新領(lǐng)域——代謝工程的發(fā)展打開了方便之門。這個新興的研究領(lǐng)域以代謝途徑和基因網(wǎng)絡為研究對象，最終的目標則是最優(yōu)化?！　”緯纱x工程領(lǐng)域從事多年研究工作的國外專家撰寫，是劍橋大學的權(quán)威參考書之一，現(xiàn)在由國內(nèi)從事相關(guān)工作的學者翻譯成中文。系統(tǒng)介紹代謝工程的建模方法與優(yōu)化技術(shù)，檢驗了代謝途徑操作的研發(fā)策略，驗證了系統(tǒng)模型有效的必要性，討論了模型的設(shè)計和分析，重點則是在優(yōu)化上。作者還闡述了生化系統(tǒng)理論中的冪定律模型和方法，由基本原理導出概念，匯集了大量的圖片與研究實例?！　”緯淖x者首推生物工程、生化工程、發(fā)酵工程、生物科學和生物技術(shù)等專業(yè)的高年級本科學生和研究生，可以成為他們了解代謝工程和從事相關(guān)研究時的參考書或教材，也可供從事代謝工程研究的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜摇W者閱讀和參考。

書籍目錄

1　目標——實用模型　1.1 模型選擇的標準　1.2 生物化學過程模型　　1.2.1 熱力學　　1.2.2 動力學　　1.2.3 Michaelis?Menten速度定律　　1.2.4 化學計量系統(tǒng)　　1.2.5 簡化的表達　　1.2.6 波德分析　　1.2.7 冪定律近似法　　1.2.8 S系統(tǒng)　　1.2.9 綜合質(zhì)量作用系統(tǒng)　　1.2.10 代謝控制分析　　1.2.11 豐富的結(jié)構(gòu)　1.3 總結(jié)　1.4 參考文獻2 生化系統(tǒng)理論方法　2.1 模型設(shè)計　2.2 生化系統(tǒng)理論中的方程設(shè)計　2.3 參數(shù)估計　　2.3.1 基于流量的估計　　2.3.2 根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)估算　2.4 動態(tài)分析　　2.4.1 系統(tǒng)特征的變化　　2.4.2 蒙特卡羅模擬　2.5 穩(wěn)態(tài)分析　2.6 穩(wěn)定性分析　2.7 評價和說明　2.8 參考文獻3 黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸模型　3.1 引言　3.2 檸檬酸基本的化學及生物化學性質(zhì)　3.3 基礎(chǔ)數(shù)學模型　　3.3.1 質(zhì)量平衡和S系統(tǒng)方程　　3.3.2 參數(shù)估計和S系統(tǒng)表示法　　3.3.3 基礎(chǔ)數(shù)學模型　　3.3.4 穩(wěn)態(tài)　　3.3.5 局部穩(wěn)定性　　3.3.6 魯棒性　　3.3.7 動態(tài)行為　　3.3.8 最初模型的局限性和缺點　3.4 修訂模型　　3.4.1 新的過程和生化數(shù)據(jù)　　3.4.2 質(zhì)量平衡和S系統(tǒng)方程　　3.4.3 局部穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)的描述　　3.4.4 魯棒性　3.5 修訂模型的性能評價　3.6 附錄——修訂模型中約束條件的數(shù)學表達式　3.7 參考文獻4 優(yōu)化方法　4.1 解析方法　　4.1.1 單變量函數(shù)的極值點　　4.1.2 單變量非線性函數(shù)極值點的解析計算　　4.1.3 多變量非線性函數(shù)極值點的解析計算　　4.1.4 約束非線性函數(shù)的優(yōu)化　4.2 搜索算法　　4.2.1 單變量函數(shù)　　4.2.2 多變量非線性函數(shù)的搜索　　4.2.3 遺傳算法　4.3 參考文獻5 生化系統(tǒng)的優(yōu)化　……6　黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸的優(yōu)化7　用釀酒酵母生產(chǎn)乙醇的最大化8　結(jié)論人名索引主題索引

媒體關(guān)注與評論

　　前言　　如果說上世紀90年代是分子生物學時代的話，隨著人類基因組計劃的完成，21世紀前10年就是將新知識用于解決醫(yī)學、藥學、農(nóng)學領(lǐng)域以及生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中存在的緊迫問題的時代。隨著生物功能基因組學以及對生物基因組成有目的處理的研究取得進展，加上史無前例的計算機應用與普及，生物技術(shù)的一個新的分支——代謝工程產(chǎn)生了。代謝工程為我們描繪了一個不同的研究前景，提供了一種嶄新的思維方式。它不僅側(cè)重于有機體生物操縱的新工具研究上，而且強調(diào)用系統(tǒng)的、綜合的方式深入理解代謝途徑?！　〈x工程是一門交叉學科，它植根于分子生物學、生物化學、遺傳學、化學工程、生物技術(shù)、數(shù)學建模和系統(tǒng)分析等諸多學科之中，其研究對象通常是微生物中的代謝途徑和基因網(wǎng)絡，研究目標是優(yōu)化目的代謝物的產(chǎn)率。在工業(yè)規(guī)模上調(diào)控培養(yǎng)微生物以生產(chǎn)能源（如酒精）、有機溶劑、膠質(zhì)和色素。食品工業(yè)在很大程度上依賴于防腐劑，如檸檬酸，而目前微生物生產(chǎn)檸檬酸的產(chǎn)量已達每年幾十萬噸。醫(yī)藥工業(yè)利用微生物生產(chǎn)維生素、氨基酸、脂類、酶和抗生素的前體。　　代謝工程由兩部分組成：一是研究控制生物代謝途徑的策略；二是將這些策略引入到實際的生物技術(shù)領(lǐng)域。本書側(cè)重于策略部分，并未討論分子生物學和生物技術(shù)的重大研究進展，但它們能使代謝途徑的控制策略研究更有意義。關(guān)于專一性地改變生物基因或基因組的組成的許多新選擇，現(xiàn)代生物學的無限可能性，發(fā)酵技術(shù)和化學過程控制等內(nèi)容超出了我們在本書中所論述的范圍?！　”緯拇蟛糠謨?nèi)容將直接或間接地討論應用于代謝網(wǎng)絡的優(yōu)化方法。當然，無論是優(yōu)化方法的發(fā)展還是代謝網(wǎng)絡研究都不是新事物，但是將一種特定的慣用方法應用于其他領(lǐng)域直到大約十年前還不多見。在發(fā)酵技術(shù)發(fā)展的初期，微生物發(fā)酵單位的提高是通過化學誘變篩選最適菌株來實現(xiàn)的，同時結(jié)合實驗條件的優(yōu)化和培養(yǎng)基的更新，誘變和篩選策略非常富有成效，經(jīng)常會將原始母株的產(chǎn)率提高百倍以上。然而，近年來已研究成熟的系統(tǒng)，如乙醇和檸檬酸的生產(chǎn)開始出現(xiàn)停滯趨勢，誘變?篩選的普通方式在許多方面已明顯地陷于僵局。在逐步去掉代謝途徑中的主要限制瓶頸方面，上述策略已暴露出不足之處?！　∶鎸@種情況，一些有遠見的代謝工程研究者將注意力轉(zhuǎn)移到更深入地探究包含目標產(chǎn)物合成的生化過程的機理上。起初鎖定了一些特定的生化步驟或運送步驟，它們似乎限制了微生物的生產(chǎn)過程，但不久便意識到對代謝途徑應有全面的認識。這種認識應考慮到綜合途徑或下一步要走的步驟以及代謝網(wǎng)絡，因為一個途徑的改變經(jīng)常會直接或間接影響到其他途徑。如果一種微生物用高于正常量的NAD+生產(chǎn)乙醇，NAD+的需求量增大，那NAD+就有可能由其他途徑來滿足。因而代謝工程的研究主題便成為人們?nèi)绾问褂煤线m的動力學信息來使物質(zhì)流向終端目標產(chǎn)物，而不影響其他途徑以及微生物的活力。　　弄清酶促反應、單個途徑和集成的代謝網(wǎng)絡之間的復雜聯(lián)系，需要使用數(shù)學和計算方法。數(shù)學使多成分系統(tǒng)的管理簡易化，并能定量描述過程，這是單靠人腦無法實現(xiàn)的。有效的計算工具必須依賴于數(shù)學表達和數(shù)學分析理論方面的進步。就在幾十年前，真實代謝體系的數(shù)學分析是不可行甚至不可能的，因為方程解不出來。雖然計算機的運算能力每18個月翻一番，但我們?nèi)匀粵]有把握在合理的時間內(nèi)得到每一個數(shù)學問題的數(shù)值解，這就意味著選擇“好”的數(shù)學表達和有效的分析方法是一個重要的問題。例如，理論上非線性回歸和尋找非線性體系中的最大值是很清楚的，然而，大型計算機和最好的軟件都不能給出迅速、滿意的答案?！　∮嬎惴矫娴倪@些挑戰(zhàn)與代謝途徑的分析和優(yōu)化有著特殊的關(guān)系，因為代謝途徑包括許多底物、中間代謝物、產(chǎn)物、酶、輔助因子和調(diào)節(jié)因子，而且酶促反應步驟具有非線性的特征，即排除了簡單的縮放效應。例如，許多反應在底物濃度低時進行得很快，而在底物濃度高時趨于飽和。激活劑和抑制劑以非線性的方式影響反應，可能會導致衰減或增強式振蕩、穩(wěn)定的限制環(huán)或混沌狀態(tài)。這些現(xiàn)象都已在生物體系中發(fā)現(xiàn)過，因此，代謝體系合理的數(shù)學描述應該可以解釋這些問題。由此可見，如果我們的目標是在真實條件下優(yōu)化一些通量或代謝物，那么顯然我們將面對著非線性問題?！　”娝苤蔷€性體系的優(yōu)化是非常困難的，但是代謝工程研究者已經(jīng)確定了一些方式來減小甚至避免非線性問題。經(jīng)過上一段落簡單的討論后，有人可能認為這種嘗試是無用的或是方向錯誤的。然而，這種推論是不完善的。通過關(guān)注代謝網(wǎng)絡的特殊性質(zhì)，并使用漸進的逼近方法，不同研究小組的成員已經(jīng)建立了兩種線性解決方案，每一種都有許多擴展及普適性。其中一種方案基于代謝網(wǎng)絡的化學計量學，它研究的通量特征是單個代謝物的形成及降解。在穩(wěn)態(tài)下，即所有代謝物濃度恒定，進入的通量和輸出的通量絕對平衡時，化學計量法可得到一個矩陣代數(shù)法易于分析的線性體系。除了純粹的化學計量平衡外，化學計量法可以擴展到包括生理學、物理化學和熱力學等在內(nèi)的、生物體必須滿足的約束條件；其他擴展包括研究代謝網(wǎng)絡中假設(shè)途徑的特征以及選擇性地變更代謝路線和重新分配流量的可行性。非常重要的是，化學計量體系的線性特性允許將這種方法放大到任意尺度。　　化學計量法或多或少地忽略了控制酶促反應步驟的非線性問題。一方面，可能會為線性和無限制性尺度等優(yōu)點而付出代價；另一方面，必須搞清楚在何種程度上可以忽略途徑的調(diào)節(jié)特征，顯然這種特征是存在的，并且經(jīng)常導致其他體系作出反映，而不是非調(diào)節(jié)體系。一種方案是基于一種所謂“生化系統(tǒng)理論（Biochemical Systems Theory，BST）”的模型框架基礎(chǔ)上，完全承認非線性，然而最終解決的是線性優(yōu)化問題。這種理論的特點是速率法則與具有冪函數(shù)乘積特點的其他過程的逼近。數(shù)學上，這種類型的表達非常方便，并基于多項式近似函數(shù)的泰勒（Taylor）理論，進而在控制工程的Bode分析和生物學的異速生長法則（the laws of allometry）中也能找到理論支持。異速生長法則廣泛存在于生物學領(lǐng)域，從生物化學和生理學水平到生物生長和種群生物學現(xiàn)象。冪定律也出現(xiàn)在基礎(chǔ)化學動力學中，而且再次表明可以很好地表達完整的生物體內(nèi)的細胞過程?！　≡谶@本書中，我們提出冪函數(shù)逼近法和BST法作為代謝工程中途徑分析和優(yōu)化的工具。用BST法進行途徑分析始于19世紀60年代末，已成功地應用于包括生物學和生物技術(shù)在內(nèi)的許多現(xiàn)象的分析。優(yōu)化方面的成功應用就更近了，關(guān)于此方面的第一篇文章發(fā)表于1992年。如前所述，許多優(yōu)化方面的工作帶有理論或預測的性質(zhì)，但是近年來在文獻中已開始出現(xiàn)實驗報道，來驗證基于BST法優(yōu)化的預期值?！　∽鳛橐婚T高度交叉的前沿學科，代謝工程需要如下幾種領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識：生物學、化學、數(shù)學、計算科學和工程學。這種廣博的知識面對本書內(nèi)容的恰當表述提出了挑戰(zhàn)，我們希望沒幾個讀者會發(fā)現(xiàn)本書的一些章節(jié)太簡單或太難。和生物學家們的合作使我們決定以一個非常感興趣的生物學家的心態(tài)來寫這本書，而且這個生物學家應具備一些基本的計算能力，或至少不應害怕不熟悉的符號或術(shù)語。當然，我們也希望本書能吸引對代謝工程感興趣的其他科學家和工程師。訓練有素的讀者可能會發(fā)現(xiàn)一些關(guān)于優(yōu)化方法的材料，完整而不瑣碎，然后便可以自己決定快速瀏覽或跳過這些章節(jié)?！　∥覀儼慈缦路绞綄Ρ緯M行了編排：第1章討論了尋找實用模型。當我們想分析和優(yōu)化途徑時要尋找什么？我們的選擇是什么？如何區(qū)分一個有用模型和一個應用數(shù)學中的純數(shù)學習題？本章描述了一些已建立的和最近正在建立的生化和代謝網(wǎng)絡的策略，并探討了這些模型對完成代謝工程任務的適用程度?！　〉?章回顧了BST的主要特點和方法，概述模型設(shè)計的過程，討論了應該包括哪些因素，簡化假設(shè)到何種程度是合理和必要的。模型設(shè)計的第一步是建立象征性的模型，接下來從實驗或文獻中獲取信息，給參數(shù)賦值。一旦數(shù)值化模型建立起來，接下來便開始系列化分析?；驈娬{(diào)穩(wěn)態(tài)下模型的性質(zhì)，或評估模型的剛性和穩(wěn)定性，或檢驗微擾或結(jié)構(gòu)變化時其動力學響應。　　第3章將模型設(shè)計和分析方法應用于相關(guān)的特定途徑中，即用黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸。本章從模型構(gòu)建開始，但最終證實該模型并不令人滿意。我們認為這種“失敗的嘗試”是有益的，因為它反映了模型的真實性，這在文獻中很難見到。更進一步講，即使最初的模型不符合實際應用，它所容納的好的或壞的結(jié)果也可以為修正模型提供線索。好的結(jié)果告訴我們哪些信息和模型結(jié)構(gòu)應被保留；壞的結(jié)果同樣重要，它們指明了原始模型的問題所在，對原始模型的診斷結(jié)果可為改進模型的修正過程提供指導。實際上，建模過程是設(shè)計、分析、解釋的多次反復，也難免發(fā)現(xiàn)所考察現(xiàn)象的某些方面沒有引起足夠的重視。第3章僅列舉了兩個模型，但它們應該足以說明修改或更新模型的過程。　　第4章為后續(xù)章節(jié)要討論的代謝網(wǎng)絡的優(yōu)化作準備。本章始于優(yōu)化基礎(chǔ)，討論了單變量函數(shù)中最大值和最小值的確定。大部分讀者都能想起這個題目在大學甚至高中數(shù)學課上講授過，之所以在此提及是因為多變量函數(shù)的最大值和最小值的確定原則非常相似，因此大系統(tǒng)的優(yōu)化問題應該是直接計算的延展。然而，理論研究表明，如何快速克服大網(wǎng)絡實際優(yōu)化問題的障礙是至關(guān)重要的。作為理論方法的一種選擇，第4章介紹了大的非線性體系數(shù)值優(yōu)化的概念。詮釋這些概念的算法應在假設(shè)條件下解決任何尺度的問題，但是實踐又一次顯示了非線性系統(tǒng)的挑戰(zhàn)性?！　×钊烁吲d的是，這些問題在第5章被簡化。第4章列出了所有復雜因素后，本章解釋了如何用線性方法優(yōu)化代謝體系。最后，化學計量法和BST法都能歸結(jié)為約束優(yōu)化問題，也就是人們熟知的線性規(guī)劃問題。線性規(guī)劃問題可用數(shù)學軟件解決，但討論計算的細節(jié)并不是本章的目的。取而代之的是讀者應該為線性規(guī)劃的概念建立一種感覺，或者參考描述數(shù)學和計算詳情的大量文獻，或者信服有效的方法或軟件，本章闡述了線性規(guī)劃的內(nèi)容，特別強調(diào)了與代謝工程相關(guān)的目標函數(shù)和約束條件。　　有了第2章的生化系統(tǒng)理論作基礎(chǔ)，至少從第5章中得到了對線性規(guī)劃的粗淺認識后，第6章描述了檸檬酸途徑的整體優(yōu)化，這在第3章已討論過。本章源于合適的目標函數(shù)，詳細討論了代謝物和通量的約束條件以及代謝負擔問題，并分析了不同條件下獲得的各種結(jié)果，也涉及實驗問題。　　第7章論述了第二個詳細的例子——糖酵解途徑，并為此提出了不同的優(yōu)化任務。首先，乙醇得率為優(yōu)化目標，但接下來，同樣的體系被用來進行甘油和糖生產(chǎn)的優(yōu)化。本章進一步討論了同時完成多種經(jīng)常對立的任務的優(yōu)化方法。起初，兩個任務以一定的方式重新組合，仍然允許包含兩個任務的單獨目標的優(yōu)化，這種策略及其結(jié)果將同一個真正的多目標優(yōu)化進行比較?！　∽詈笠徽略噲D預測代謝工程中途徑分析與優(yōu)化的前景?，F(xiàn)代基因組分析技術(shù)似乎很明顯會對代謝工程產(chǎn)生巨大影響。本章從途徑分析和優(yōu)化的角度指出這些技術(shù)將如何發(fā)揮作用?！　≡S多人幫助我們完成了這本書，如果忽略了那些直接給予我們極大幫助的人，那我們就是不負責任的。下列人士為我們提供了很有價值的反饋和評論，在此對他們表示誠摯的謝意：Fernando Alvarez?Vasquez， Julio Avila， Julio Banga， Agnieszka Bronowska， Carlos M. Gónz?lez?Alcón， W. Chip Hood， Alberto Mar ín?Sanguino， Kellie Sims和Julio Vera。　　其他許多人也為我們提供了全力支持，他們開闊了我們的思維，激發(fā)著我們的創(chuàng)作熱情，進而形成了本書的觀點。謝謝！　　　　序言　　代謝工程是伴隨著生物技術(shù)和計算科學的發(fā)展而形成的，20世紀80年代逐漸形成了代謝工程的理論和方法，其后隨著基因組學和蛋白質(zhì)組學的蓬勃發(fā)展，代謝工程的研究進入了一個新的水平，并逐漸成為系統(tǒng)生物學的重要組成部分。代謝工程是在全面了解細胞代謝網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，優(yōu)化胞內(nèi)物質(zhì)流、能量流和信息流的分布，通過基因工程的手段改變限制細胞代謝的關(guān)鍵途徑，從而實現(xiàn)目標產(chǎn)品的最優(yōu)化生產(chǎn)，因此代謝工程在工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域占有非常重要的地位?！　　洞x工程的途徑分析與優(yōu)化》是一本介紹代謝工程理論與方法的入門性著作，其內(nèi)容包括模型建立、分析與優(yōu)化方法、最大化生產(chǎn)等，并以檸檬酸和乙醇生產(chǎn)為例加以說明。該書最大的特點是通俗易懂，讓讀者盡快理解并掌握代謝工程的基本原理和方法。對于具備生物知識背景的讀者來說，本書不會讓您對晦澀、枯燥、深奧的數(shù)學推理或者公式感到難堪，因為它沒有使用過多的數(shù)學術(shù)語，用數(shù)學語言描述的生物現(xiàn)象不難理解，所以比較容易掌握相關(guān)的內(nèi)容。而對于非生物專業(yè)的讀者來說，比如數(shù)學專業(yè)的朋友，大可不必為看不懂復雜的化學反應（代謝途徑）和分子式而煩惱，本書列舉的代謝網(wǎng)絡不是很多，并且往往比較簡單，從中能體會到如何將熟悉的數(shù)學知識運用到生物領(lǐng)域。對代謝工程感興趣的科技工作者、學生和工程技術(shù)人員都會從本書中受到啟發(fā)，對各自的工作有所幫助?！　”緯姆g工作是由大連理工大學環(huán)境與生命學院生物科學與工程系的部分師生共同努力完成的，下列碩士生和博士生參與了各章的翻譯工作：吳媛媛（第1章）；張杰（第2章）；李錚（第3章）；王冰（第4章）；秦海娜（第5章）；于沈晶（第6章）；王輝、高新亮（第7章）；牟英（第8章）；孫亞琴老師負責對全書的詞匯索引、符號說明和圖表的翻譯整理工作，在此對他們付出的辛勤勞動表示衷心的感謝！　　由于譯者水平有限、時間也比較倉促，加之對其中部分內(nèi)容缺乏科研和教學經(jīng)驗，錯誤之處在所難免，歡迎讀者批評指正。希望本書的翻譯和出版能夠為我國代謝工程的科研和教學以及相關(guān)生物技術(shù)的發(fā)展提供有益的參考。　　譯者　　2005年3月于大連

編輯推薦

　　功能基因組學和蛋白質(zhì)組學的快速發(fā)展，為解決生物技術(shù)中的眾多迫切問題搭建了一個平臺。對生物體的基因和代謝途徑進行方便的目的性操作，與計算能力的空前提高相結(jié)合，為生物技術(shù)的新領(lǐng)域——代謝工程的發(fā)展打開了方便之門。這個新興的研究領(lǐng)域以代謝途徑和基因網(wǎng)絡為研究對象，最終的目標則是最優(yōu)化。

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