产电微生物代谢网络重建及分析

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微生物燃料电池(microbialfuelcell,MFC)以微生物为阳极催化剂、将化学能直接转化成电能,是一种新型绿色环保能源,具有广阔应用前景。产电微生物的生物学特性、代谢特征直接影响MFC的产电效率。筛选产电效率高的菌种对MFC产电效率提高具有决定性影响。代谢网络建模和模拟为研究微生物代谢特点和产电机制,指导基因工程、代谢工程改造微生物基因组、代谢通路或引入新的反应,以定向改进产物的生成或细胞的性质,提高产电效率提供了可靠工具。  本论文整理了现有的微生物代谢网络建模方法,提出了改进的全基因组水平代谢网络重建方法。整理收集功能注释信息,再对注释信息进行整合,得到基因-蛋白(GP)关系列表。然后,参考反应数据库和已有的产电微生物代谢网络模型,初步建立基因-蛋白-反应(GPR)列表。最后,添加生物量合成反应,填补空缺(Gap),调试网络直至和实验数据结果相接近。  针对重要的产电微生物ShewanellaloihicaPV-4的代谢网络,我们开展了系统的研究。首先构建了其全基因组代谢网络模型,包含反应902个,其中交换反应71个,代谢物797个,涉及到的基因有790个,涵盖了碳代谢、能量代谢、氨基酸代谢、核酸代谢、脂类代谢等主要通路。  S.loihicaPV-4代谢网络模拟计算主要涉及生长速率、ATP最大合成速率、代谢网络流量平衡分析、基因敲除等几个方面。模拟菌体生长速率,乳酸盐(lactate)吸收速率下限为10mmol/gDW/h时,生长速率为0.2882。研究铁还原速率与生物合成间的关系,得到反比关系,与文献报道一致。此外,还模拟了该菌株以其他碳源为能量来源时的生长速率。  流量平衡分析过程中,我们考察稳定状态下,以乳酸盐为碳源时,糖酵解/糖异生和TCA循环代谢通路中的反应在整个线性优化解空间中的流量分布情况。考察乳酸盐对生长速率以及铁还原速率的影响,得到最高铁还原速率为47.6mmol/gDW/h;通过单一改变氧气的吸收速率,得到生物合成反应的流量变化和铁还原代谢反应的流量变化;模拟稳定状态下,乳酸盐代谢通路中反应流量分布情况。模拟单基因和双基因敲除实验,筛选关键基因。
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