代谢网络通量和结构分析--硕士

代谢网络通量和结构分析

大连理工大学

硕士学位论文

代谢网络通量和结构分析

姓名：蒋达

申请学位级别：硕士

专业：化学工艺

指导教师：张述伟

20060601

代谢网络通量和结构分析

夫连璎』：大学顼士学像论文

接癸

生物体功能不仅涉及某个代谢物的单独作硝，丽是通过网状的交互｛乍稻究戒。因此，不仪臻对擎个代谢物深入研究，闻时随着数据海蛰增长，也必然需簧将大爨数据整合趣采进霉亍分辨，嚣要以系统款溉点磅究生物网络蛇缀织结搀。本文圈绕代谢网络佟了一鉴磷究工｛乍。主簧结聚麴下：

１．当前町以清楚的知道一些模式生物的代谢网络拓扑结构，然而其代谢通量分稚并不十分清晰，特别是对于基圈敲除后的代谢通量分布还需要深入研究。本文针辩不同鲍萄标函数，翱阁约束优化方法来计算代谢网络的代谢流分布，同时考察了不嗣的约束优他方法对代溅滚分毒的黪响。蓠先辊建犬爨枵菰中心碳ｔ≮谢网络，然蘑以代谢平赞分氍（Ｆ】ＵＸＢａｌａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓ，ＦＢＡ）秘最小代溅调节势橱（ＭｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎＯｆ漱ｔａｂｏｌｉｅＡｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．ＭＯＭＡ）这两种方法为基础，构建多个代谢流数学模型，以碳摩尔流率计算基满敲除稀的代谢流分布。终果裘明标准化后的ＭＯＫＡ，是比较台理的计算方法。

２．基元通照模式（ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｆｌｕｘｍｏｄｅ，ＥＦＭ）鼹以计量学为基础，通过枚举输入物裂达誉静产臻过程中的潞径来表示找谢避程，路径数硼对多少寝示生长艇力躺强弱。舞丽瓣予计量学藩踌瓣邂攫平衡分橱＜Ｆ戳≥莰定输入铭妻搴鬃，遥过实现最大｛毫蜡橡函数来计算摄多能够生成的生物质量．在预测生物体的生长现蒙上，ＥＦＭ和ＦＢＡ分别能够傲到定性预测和定蘸预溯．通过ＥＦＭ预测了基因突变盾的酵母细胞生长现象，模拟预测结果和实验结果很好吻合；通过与ＦＢＡ方法得到的模拟结果比较，ＥＦＭ方法能更好镌把蒸因突变鞠其表型（生长）联系怒漱．

３．赉于代滋逶爨并不帮转交水乎存在联系，在基元遴爨模式酌蒸嵇上计算路轻耋要性（ｃｏｎｔｒｏｌ—ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｆｌｕｘｅｓ，ＣＥＦ），然后与转渌表达数据比较。褥ｉ４饯谢路径姆转蒙水平存在…定联系，通过馊用路径羹簧性把鹣能力与路径效率联繇起采。

网络的快速发展照示了细胞中也存在通用规则，它提供了一种全新的概念来使我们羹新谈谈生秘学。蓑键谲；代谢秘络代谢潞径分橱代谢平衡分橱

代谢网络通量和结构分析

——。查垄蓬羔杰妻堡生堂燕篓兰

Ｎｅｔｗｏｒｋ—ｂａｓｅｄＭｅｔａｂｏｌｉｃＦｌｕｘａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

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代谢网络通量和结构分析

独刨性说明

作者郏羹声明：本硕士学位论文是我个人农导舾指导下进行的研究工作及取得研究成染。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其镱人已经发表或撰写装秘究残暴，瞧不毯含为获褥大连理工大学或学蕊健单髓瓣学位袋证书艨使麓避静材料。与我一同工俸的同意对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。馋者签名：章虹霹期：乏墅地

代谢网络通量和结构分析

灾连理三大学硕士学像论文

大连瑾王大学攀镶论文黢权蠖麓授敬慕

本学位论文作者驶指导教师宠全了解“大连避正大学硕士、博士学位论文版权使鲻规定”，同意大连琏工大学谦留并向国家有关部门硪机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被盎瓣弱偻阕。本人授投大连理工大学可澄将本学篷论文的全部藏部分肉容编入毒关数攥疼进行检索，逛霹采髑影印、绩霹】或扫搭等复裁手段像存鞫秘二编学槛论文。

作者麓名：荔选

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代谢网络通量和结构分析

大连理王大学爵士学接论文

孽｜富

随着对垂棚胞代谢研究的发展，出现了三个主要方向：代谢控制分析，代谢遇量分析，代谢网络分析。如暴测定出姆个酶的动力学数撂，通过遵爨控制分攒，就能更加深入理解生物调控过程。德现阶段研究水平还处于比较小的调控过程，没有能够发挥其真正作用。代谢邋遂是在代落黠径潘楚盼涛况下，遇避铡定部分道萎，可戳计篝舞整个网络中熟遘量，键褥人们可醛深入瑶瓣生秘饩谢漉过程。研究分拆代辩潮络豹拓羚绪构静方法，不考虑细胞的内部结构，把细胞看成一个反应器，仅仅需要化学汁熬系数和反应的方向梭（可逆或不可逆反应）。飙丽得到代谢网络功靛。

全文共分５章，第一章介绍代谢通量分析和代谢网络分析的研究进展。第＝章深入奔绍代澍遗遂分析中静平衡努稀方法，以及在魏鼙疆上进行扩充讶究。第三章介绣栈谢爨络分橱申豹嫠元逶餐模式，椽建酵母纲匏代辩礴络自≈答确上，搦示藻元遵璧攘式貔够连接揍因型和淡现性。籀四章研究了酵母细胞灼基因表达馒与路径黧要性之问的关系。第五巍给出了全文总结以及晨蓥。其中薷二章、第三章、第四章蹙本论文姻主要工作。

代谢网络通量和结构分析

代谢网络通量和缩构分析

１绪论

１．１代谢组学和代谢途径数据库

运卡年来，涟蛰生螽辩擎研究豹发震，出现了许多帮豹概念秘新翡学瓣。热基强组学（ｇｅｎｏｍｉｃｓ）、转录组学（垤ａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｉｃｓ）和蛋白质组学（ｐｒｏｔｅｏｍｉｅｓ）等等。生命科学的磷究芷发生麓墨掰月是鲍变化。基因缆（ｇｅｎｏａ）是指慕一生物戆辫毒ＤＮＡ，萋因组学是－－Ｉ＇］研究生物的整个基因缀的科学：转录组是指某一生物或细胞所有基因寝达的ＲＮＡ，转录组学魁一门对某一生物戏细胞所商基因表达的ＲＮＡ（女ＮｍＲＮＡ）进行全瑚分辑豹科学；蛋南矮缀（＃ｒｏｔｅｏ：Ｈｌｅ）是指策一皇穆躐掘巍在各辩不弼环境篆释下表达的掰有灏自质，摄白质组学是－－Ｉ＇］对某一生物或细胞在各种不同环境浆件下表达的所有鬣白质进章亍定性髑定量分辨的科学。转录缝学和蛋叁康组学是分裂在基因驰转袭秘转录藤爨毒蛋囱质翻译与修饰的水平上研究基因的功能。

受基因组、转泶组和蛋白质组等概念的启发，人们掇出了代谢组（ｍｅｔａｂｏｌｏｍｅ）的鬣念。找谢缀学燕～静分褥技术，它孺予识巍著薰他在捂定条停下生长的垒物体样本中所有代谢物。以无目标、无偏倚的、全丽的方式使用多种分析技术摄化代谢物，这般分橱技术包括：棱磁麸援（ＮＩｖＩＲ）秘囊落（ＭＳ）。这些工熬选经鬻缝合其德不羁魏按零，如：气相色谱（ＧＣ），液相色谱（ＬＣ）和毛细管电泳（ＣＥ）。严格地说，代谢组成该是搬某一生物或细胞所有的代谢产物（ｍｅｔａｂｏｌｉｔｅ）。在安际工彳乍中，更多的人倾向于疆代澈组蔼鞭于菜一露耪或鲔耱中新有的低分子置代翡产物。代谢组学与蘩圈组学、转录纽学、蛋囱质组学之间有着明显的差别。基因、ｍＲＮＡ和蛋白质之间具有一一对应的关系（嚣果不包括蛋鑫覆鲍修馋的帻提），孽一个基嚣对藏于一静ｍＲＮＡ，一耱ｍ蹦Ａ对应于一种蛋白质，而燕因、ｍＲＮＡ或蛋肉质与代谢产物之间则不存在一一对应的关系，一个基因、一种ｍＲＮＡ或一种缀自质对应的代谢产物可能不只是一荦申。代谢缀学研究具有燕要意义，它是各缀学中与表现型联系最紧密豹一个帮分“１，翻ｌ显示了各组学之间的相互关系…。

尽譬伐澈组学是避几年发鼹起来懿，整是￡缀产生７许多静垒物系统懿大麓模钱瓣物动态概况，并成功的应用于备种微生物，植物和人类。代谢组学逐渐被认为是～种能够临床应用的有前景的技术。例如：近期研究提出分析线粒体中整个代谢概况有助予摊述源发注脖瘸，丽戳翁的研究主要聚焦予小部分基因起源的特殊生物标签矾“。另外，给出所有代谢物概况可能提供疾病危害（如：糖尿病，心胀瘸，癌症）定量估计，并提供一秘针对瞧静治疗策酶ｐ｛。

代谢网络通量和结构分析

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代谢维学继重要厦屋有穗太港能，德是宦的模拟馈祈避Ｒ是剐刚开始 恩然ｔ分攒技术逐渐变褥便宝姨涎，僵悬金垂瀑瓣辩精确谶鄹耩毒魏戴游物嚣终是一个撼菠。存在理论期望值和也台物测量健之间的差异。这主鐾鼹睡｜于许多代谢物的浓度非辩低，这就有崧要开袋新游工其麓予识ｉ《低浓囊戆代谢谤。骧了鼗灌《代滏反盛祭范塞。嚣鬟魏＿＝爰努力用于开发新技术。陶此，基于代谢物浓度概况豹模拟方法阍限于斟知ｉ；ｊ匀嘲绦结构，相关的动力学约囊色势币清糍。她并，在实验上溅爨遴囊努礤拘定量方法——代滏遥赞羚拆，藏觏魁懑帮通量的大蕊摸系统方商发展。

图ｌ。１蕊函组学、转录组学，蛋暖质缬带、代谢懿学之闻豹篾系

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代谢网络通量和结构分析

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从一个非常拯象的承平上，纲照我辩可竣被囊成一个连接务个节点《妨质》复杂煞辩络。理解、分掇代谢网络的功§＆是当静研裳代谢缀学静内缨之一。雀剩周动力学方法模拟找谢系统彗孪，常缺少菠应掰霈梳理帮渤力学参数ｆ２】，耦蔽，结构谨两分析只需要常稻的缩构完整黼络拓扑。所馘，宝物反应系统的化学计嚣嗣络分析（Ｓｔｏｉｅｈｉｏｍｅｎ＇ｉｅＮｅｔｗｏｒｋｌ

代谢网络通量和结构分析

大连瑗王大学醭士学位论文

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诲多生物学家遵避以我游物作为结点，反斑作为边，嬉径长发波示舞掰个代辩物之潮逑接熬爱残数采袋示戴谢瓣终。在阑络中，糍强黠其蠢大数簇系数巍小煞平均鼷褒嚣拿疑诗蒋挺合在一熬秣为枣墩器往囊，其套这静簸应麓嬲络裁是小键器瓣缀，这是一转介予撬刘稠终霸蕤枫稠络之闼熬网络。Ｊｅｏｎｇ譬》ｑ疆究代瓣阏缨瓣，诗算毽辐了参与反斑缝辑鸯钧袋，诗舞褒惩绣弱平均鼯褒为３．２。Ｗａｇｎｅｒ等｝ｓ“瑟究了太赫楞蘸中懿２８７个爱瘦，为了考虑酶浓度或瘸物浓度的扰动在魏终土的传攘影响，他们选择了无态翔柬袭累代滚翘绻，谤嚣镪黧兹掰络平均薅经长发怒３．８。ＭＡ等｝９。１霹８０个生物髂鲍代澈网络避芎亍磺究分撬，淡豫了流遴逶量秘鞲劫因豢，计聱褥劐豹弼络息豹平量霉释径为８．２，强瓣发臻粪棱生耪耧毒菌（ａｒｃｈａｅａ）乎臻鞭饔大予缨蕊蕊平稳距离。Ａ蠢镪嘲凌意型主述几个磷究褒诗篱ｆ℃瓣臻强辩没褰考虑缝擒繁元，麸嚣褥到缝论为找瀣鞠与臻统瓣代纛路径不鞠簿的情况。剥翔跟踪碳蹶予豹方法蓬辨诗雾太骚拇耱我谢掰络，褥出大肠抒蔚代澍嬲络平均鼯褒鸯８Ａ。惑熬采淡，生物饯瀑耀终枣奄或了…耱夸煎努毽屡，这季牵短鼹经长发撼示了代落物滚篷瓣弱部撬魏麓菲霹瞧速褥传遂至ｌ整个涎络。

｛，２．２无拣瘦性质

节点熬涟结发瓣鼠幂律分姆携连续度静节点数嚣与这个特定豹瘦之阑酌关系霹议翔一个幂添数逶骰媲表示。攀蕊数酋线是一条下辫提霹缓疆款夔绞，这疆褥连接寰大戆节患霹越在瓣终中存在。对予隧枫疆络葶霹麓雯ｌ｜瓣络，凄分蠢送阉嚣鬻获霉＋凡乎我不到臻离节点寝瀚值较大豹点，故其乎均袭冒数被餐搏箕节点发熬一个特征标壤。在这个意义上，恕萤点度藤觚箨簿分蠢瓣网络噬傲无稼痍网络（ｓｃａｌｅ。ｆｒｅｅｎｅｔｗｏｒｋｓ），并穗这秘节煮度豹攀德分梅为瓣络静嚣栎瘦簿健｝，］。Ｂａｒａｌ－Ａｓｉｆ８翻绘接了薅概褥络、无标褒网络鞠袋次蕊终瓣戮较。灏ｔ．２中露示了无椽凄露络懿毒隧辊翅络豹平穗路经长度，圈瓣爨骞溪坎瓣终熬连接度分枣趋势。Ｂａｒａｂ，§ｓｉ耨Ａｌｂｅｒｔ绘出了梅造秃拣发耀终静滨纯模羹㈣，把窦突系统避过囊缀织生成冀标度数瓣络｝舞秘予两个主袋嚣素：增长（ｇｒｏｗｔｈ）秘偏好涟接（ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）。第一个将点衰翱秃足囊瓣终霹激不赣缝扩张，第二二拿醇患粥蠹昧骜鼹个节患连接畿力麴差舅可以随整嬲终靛骞。搬两磺大；最初连接竣多豹节意

代谢网络通量和结构分析

代澍蹲络邋量秽结搀分橱

可啦蟛成更箩的连接，印“富嚣嫩宦”。当然在代谢阏络中＋带点盼瘦爝长也不是无暇利拣，霄两令麴窳器释寒爨汪隧终的生长；菅点戆警龄释警点汝漫涮往㈧。警…个蕊点麴度假太时，就会停止增长。研究钟”舟利尉基因组数据库，对连接动物、植物、微生物三六癸蓬∈分舔于生禽镞壤孛赞囊菝绥藏，缀菌鞠誊莓）中秘４３秘坐物傣滟代溅瘸终进行了劳辑，发稀这些我谢弼络痨瀚循着茏瓣度阏络瓣嚣镕泸≈，属予离凄｛ｉ辫一褴豹搿络。

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艇物具替露我动辫乎德性徽ｔ许雾徽生物嬲皴除变辩仍然豫辫生型熬一样生妖｝１３Ⅷ，鲁棒姓避卷定义必对系巯中参数敬交驰葶敏感挂，穗爝结褥壤棒性势群艇，骶藏６

代谢网络通量和结构分析

大连理工大学硕士学位论文

临的问题是细胞是否能够容怨酶的突然缺失或失活。结构鲁棒性芹Ⅱ冗余度照联系在～起的。如采没有冗余震的话，当中断菜一路径，或者说失活菜一酶届，由于潮络中没肖其他替代路径涟接起来，从而导致细胞正常功能的丧失。在许多细胞中，都具有平行的代落熬径，圆越也是冗余携。毽是在避攀情况下，撮难壹接番出俄谢系统熬旁路，毒必要运用一些理论工具【ｔ５－ｔ８１理解像代谢过稷复杂系统的鲁棒性。冗余艘越大，则柔性也越大，这里所蜕的柔性是搬可选择的路径越多。则容忍错误的能力越强，当然，真实的容锩能力还要包括动力学参数帮调节环｝ｌｑ。

｛。３基手蠲络秘遴量分聿嚣

１．３，１代谢邋量分析

代谢通鬣分析ｉ２＃，９２－９６１是涮用所测出的产物质燕流和所构建韵代谢网络，以质量守恒的方法把系统中各代谢物联系起来，绘出整个网络的质擞流分布。运用化学计量学方法磷究叛稳态下懿爱痘过程，苓需要考虑复杂戆动力学遘糕，降｛蕞了诗算静难度。醴下是计算确定的通量分布计算方法：

代谢物浓度、反应的流量、化学计量矩阵和时间之间敬关系为：

—ｄ—ｘ。ＳＶ

ｄｔ（１１）

ｘ是浓瘦岛量；ｖ是代游流囱量；ｔ是时阚；Ｓ是∞ｎ维缒簿，萁中Ｓ“是指代谢镑ｉ在反应ｉ中的计量系数。在拟稳定状态下，Ｘ浓度向量可看作常爨，所以得到：

对＝Ｏ（１．２）

Ｊ是准稳定状态下的ｖ；农Ｓ中的每一行ｉ和Ｊ中的列相乘后得出代谢物ｉ的积累鬣；ｓ中的每一行是相互独立的。因此矩阵Ｓ的秩为ｍ（ｍ＜ｎ），则矩阵Ｓ的自由度为（ｎ．ｍ）。茧新撵列短落ｓ，凳它分成可测的Ｓ。鞠计算的Ｓ。。相应静也把Ｊ分成靠和Ｊ。。

躐刚卧。

ｒｍ×１维向量。鼓等式（４）孛可以褥到：

Ｓ，Ｉ。＝一Ｓ。Ｊ。（１．３）Ｓ。和Ｓ。分别是ｍｘ（ｆ—ｒｍ）维和ｍ×ｒｍ维矩阵。Ｊｕ和Ｊｍ分别是（ｒ＊ｒ。）×１维和（１．４）如果我们在Ｊ。中选择合适的邋量使褥Ｓ。成为满嚣矩阵则可以得到方程

（１．５）Ｊ。＝－ｓ？ｓ。Ｊ，

代谢网络通量和结构分析

代谢鼹终避量和结搀分橱

这样就褥到了整个代谢网络的袋量滤分森。

｛．３．２戏溜孚蕊分橇

当方程数等于寒知遁量数，这｛÷愤糖是～秘擞燕单的憷提，可以确惠唯一螅邂爨转糍，称为确定方程鲢求解；滥腰测数攥大予自出魔个数时，裁是求髂超定方勰；当掰潮数据小于自由度个数时，就是求解不定方程。其中求解不定方程是～个重要方向，在真宴的代谢黼络中，代谢过程镑综复杂，很多生物的代谢网络都比较陵丈ｐｌ，常常悬数露个代谢耪藕邋千个代谢反应，雨通过现祷的实验手段霹毹检测少数几种物蕊的葳应速率，版缛到螅实验数撰远远小于代谢鄹终鲍皇出度，不能剥用求解确定方程驰方法寒求瓣代溅通懿分毒，因此只枣增搬约衷条｛牛对代谢燃终优傀球怨，对伐谢题络德化求解瓣设计Ｒ””，这就不需要额外的动力学信息。但是约束方式也有多种，目标函数的不同会对代激流分布计算产生影响。

基于麴菜分析逐渐显示出域为分析垒亿网络的有用工具，可以敬生仡网络中揭示形成稳定状恋约束瘊蒜的各秽酶之闽最大反应逮攀荧系。基子约寨分糖戆核心毒嚣令方藤：网络处于稳定状态帮物理纯学约东，妇：计鼗学鲤寨，热力学鳃素｛２４ｊ，爨太霞癍遮率约束。计量学约束限制了反应的质摄平衡和能量平衡关系；热力学约束限制了反应方向；最大投应速率定曳了单独酶反应的栽力一芝述这些分析描述生物组织潜在的行为，燕假定在所有给定的环境下，生物体将会达到一个满足物瑷化学约柬的稳定状态。由予在缨脆系绞中靛约裘不瓣完全获强，就《戆存滚多摹孛稳定状态∞Ｊ。冀了谈别一个其骞物臻化学意义瓣稳定状态，忧纯方法裁舞黪予找禽达至《莱一特殊骞稼功能翡佬纯＇基。ＦＢＡ是～个基于约束的模拟方法，它使用生化网络的计量学约荣来实现。

ＦＢＡ缓定代谢嗣络将会达到一个受计量学约束的稳定状态。计量学约柬导致一个非确定的系统；然而，能够产生～个有边界的对所脊通量可行的解答空间。这个可行空间可以遴一步渡撵定的最小最大遴霪或英它的一楚黪理纯攀饿凌掰隈铡。嚣此，通过实现这些终隶，袋褥我稍能够更鸯羹穗确遮褥裂栈｛鲑瓣终酝经演。然鑫这些约束毽§§够被嚣缕的实黢数据所精化。当限定了描述生物体Ｓ＆力的空间，通过设定某～旦标功能质达ｇｑ优化的稳定状态，再对它的网络行为进彳亍研究。模拟结果能被实验所谖朗，然媾用于进一步翰模型构造。最终，通过厦复选代，提炼模裂精度，生成能够预测细胞代谢行为的预测模爨。

１．３．３代谢平衡分耩模鼙

为了更好豹理解ＦＢＡ，分下尼争步骤来解释。然一步；系统皂义

代谢网络通量和结构分析

大连理：￡太学硕士学位论文

通量平衡模型需腰定义所有代谢反应和代谢物，尽管在真实的生物体中，环境条件的不同会对各条路径调控。在ＦＢＡ中，试为系统楚于撼稳态弑惫中，反敷藏路径瀚调控是可以被忽略，数学模型仪用于预测路径通爨。代谢重构的理想的起始点是基因组测露注释；出基因序列缀过转蒙翻译获驳蛋皇质（代巍酶）；接下浓，描述遴过这些酶催化的反应，这需要为每个酶反应设定反应物和产物。为了对所有酶反应进行定性，需幕考虑包括麒扩散和跨膜传输机制。

第二步：质量平衡

当所有的反应和传输机制被确定后，将从代谢网络中获得所有的代谢物的动态质量平衡。按照透过每个反应涎遇蠹定义壤量平骛，这藏产雯了一系列翡常徽分方程。微分方程能够用矩阵形式来表达，其中…Ｓ表示计缀学矩陴，“ｖ”装示通量向量。分析代谢嘲络，可以描述成为硬件和软件两个部分，静态反应嘲络描绘了硬件，蕊潜在的调节策略就是软件。基予约束分析的内容，Ｓ可班看作硬侔，ｖ可以糟作软件，约束分拼可以分析网络的综合功能。ＦＢＡ的目的在于识别稳定状态下的代谢通量。由于其中反应数大予我爨镌蕊数量，穗定状淼翡伐落遴藿是不是匏，因魏霉要有增燕懿鐾寒来决定稳定状态通量分布。

第三步：定义可测量的邋攮

获取额外约束的办法是测辍代谢润络的通薰（至少等于零空间的维数）。然而在实验中，测量内部通量是很难的通常情况下，不能得到精确地通量慎，但是可是给出一个道爨范围｛乍为蕺增约束条｛串。

第四步，优化

生物代谢网中邋爨数（反应）总是大于代谢物数，但是优化结果可｛鬟豫为一个测量内部通量韵办法。在没有增加测量的通照数目前提下，道过设定菜一优化翻标来确定通量分布。这就使得不定系统转化成优化问题。如果目标函数是线性的，那么优化问题就是绫洼蕊翊滴嚣。翻瑶生长债况作为蠢标函鼗模羧计算不定系统静内部逶羹茅蟊实验数据一教［２６，２７，２８１。

上述耍个过程可爆图ｌ，３表示

ａ）模型包括三个代谢物（Ａ，Ｂ，Ｃ），三个反应（其中一个时可逆反应），三个交换通量

（ｂｌ＇ｂ２，ｂ３）；

ｂ）对矫有爱应帮传输梳嗣静旗量平鬻方程，然嚣这些方程霜矩阵的形式袭示出来。在

稳定状态中，ＳＶ＝０；

磅系笼中蝗逶量基予热力学鞠实验缝暴嚣约袭，遂量镶体代表生物俸懿代落自＆力；

ｄ）通过不间的目标方程（ｚ），第一种。隋况是给出了单个优化点，但是第二种情况给出９

代谢网络通量和结构分析

代谢网终通量和结构分析

了在一条边上很多个优化点。

藩１３，１代自｝平衡分析过耩

Ｆｉｇ．１．３．１Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｒｆｌｕｘｂａｌａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓ

对于一个给定的翻标函数（ｚ），可戳通过葳璧平衡（ｓｖ；Ｏ）和线性不等式（日＜ｖｉ《ｂ０约束得到优化的通量分布。当然，也可能某种情况下出现系统优化点位于一条边上而不在一个点上（图１．３．１ｄ），这耱｛生涯零国凌在系统瓣鳇素羧蠲正努平毒亍手嚣拣函数。在这种情况下，沿着这祭边上系统出现很多优化解。混合整型线性规划（ＭＩＬＰ）方法能够医分识别这些相似盼优化解［挪ｑ。

１３．４代谢平衡分析宵法的扩艘

ＦＢＡ的主要假设是通过实现菜些晷檬而优纯生亿睡络行为。这摊假设；ｌ越了镬犬关注，并且进～步发震，生成具有生物学懑义的其它ＦＢＡ补充方法州ｊ。

（１）结合不同的附加约束

调节约束首先作为寿尔递瓣算簿应瘸子ＦＢＡｌ３”，调节懿寨表遮了瓣对逶豢麴柬，这取决予特殊的环境而不魅生理化学约束（不考虑时间、空间，表示基本的限制），使用布尔逻辑算德，可以基于壤腿系绫起始条秽计算调繁约衷。然嚣执行梅准躲ＦＢＡ（对生长速率优化）。得刘的解空间被用于再次计算调节约柬。这个过程可以在时间允许的条件下

１０

代谢网络通量和结构分析

走连琏二￡大学硬士学健论文

鬟复进｛亍。Ｃｏｖｅｒｔｆ”１等发觋奄尔方法娩够有效缝淤除一大辩势不爵行路经。遮是嚣必诲多极端路径霹以被濮辕。避一步分据晨菇鼍极端踌经越多，代谢两络冗余麦也越毫，这帮以前的观察～致。

ＦＢＡ在由质量守精的通爨空润和预先指定所霄反应静可逆性两个约束条彳牛中我出了一种梓决方案，一娥增加的约策策略被＿ｉ菠明是有劾于基因调节和自由能研究。

葵因调控每个基因靛表达，囊舞逻鞲操｛车蒋瘸予阐明缨魔代谢静转录满拄黪蛹

斟３２，７５１。对予一个绘定基因，～系硼露罄数谴霸谯控裁涮联系了趣袋。懿巢瀵是携癍规则，则该基因就会…Ｏｎ，丽相应的蛋白质以及相应的反应就会呈现在代谢网络中。从组黼穰中１４９个调节基因和４５个被调反应过程【”ｊ。

在传统熬ＦＢＡ孛，仅仪由霹逆／不露逆夏盔绣至ｌ簿攀静熬力学约索。然囊，可遵性描述调节过程实验中获得布尔斓刚，包括徽阵列数据。爝这个方法得到了大肠杆菌基因取决予鲴壤杰麴条传，它可能隧蓉钤爨环境静教交露改变。通过增鸯羹描述纯学势静平衡非线性约束，在ＦＢＡ中引入了反应热力学ｐ…。它的非线性特性出现在把自由§８转变成秘柬条件。这静方式消酴了幽ＦＢＡ计算静大肠杼蘧代谶中热力学不可行懿忧他解，嚼时考稳基因重要性精化了预测结果，可行解空间魁传统ＦＢＡ预测结果的子集。然而，幽予ｌ｝线牧谯纯滔怒，逸个方法并不＃ｉ傈诞一个疑铳薅。对于大晒轷菌彳弋谢，Ｂｅａｒｄ发现避过缝合戆爨平撵分析鳇ＦＢＡ秘襻栽褥到箱鞴麴饶纯生长率，毽是掰褥到靛透覆分布却究全不同。能量平撕分析也能够魍释为什么慕些基因在ＦＢＡ中认为是非重要的，蔼事变上是非常重要的情况，原因在于霰耍较大的邂量补偿敲除影嗡，这静解释与Ｓｅｇｒｅ等人的发现相一致ｐ”。能量平衡方法进一步扩展用于消除给定反应网络中的热力学不可杼酶镛环》”。使蜀邃释方法落存在缺点，遥量和籀瘫静化学势的糖乘导系了大规模系绞静诗簿复杂援。另辨，还需螫正确话计热力学参数滞ｌ。

（２）工程细胞中目标戳数的变化形式

对原棱生物豹代谢使用ＦＢＡ的日椽函数遥誉为嶷物质产攮［ａｕ，能曩ｌ“ｊ和剐产品产摄ｉ８Ｊ。遮些方式的合理性在于生物体己经适应于某些条件从而表现出相应的行为。

翔于攒述野生鹫生物体静舀标方式不适合予基因敲除艏细胞斯裘现出来酶行为。为了要好理解变辩菌株的淹量分绺状态，在ＦＢＡ蒸础士提出了最小簸钪代谢（ＭＯＭＡ）ｐ５１，他根攘ＦＢＡ方式计算的野生型代谢遥量分森，用＝次嫂划方式寻找变募薤株与爨生型蘩拣代谢遇量之问懿欧几爨德最小距离，从藤褥劐变异蘩拣的代谢羹分毒。ＭＯＭＡ寿效计算了最接近于野生型菌株的可行优化通量分布。这个方法成功地用于模拟基因敲除质的大弱秆菌生存熊力并璧纯代谢通燕分布，衙其中有些情况下使用ＦＢＡ是不能预测的。它也是一个班代谢产秘嗣的工程菌檬改造分析的有效工具。基予ＭＯＭＡ分析的蕊因敲除模

代谢网络通量和结构分析

代谢网络通量和结构分析

拟被证明在蜜验上魁可行的，农现在通过挑选变界点使得在大肠杆菌中增长番茄红豢的产燕，它是一静抗氧化纯舍秘》Ｏｌ。这与基因敲豫蓊的耪始的代漆瀵量变化裘现稆关。

调整开关最小化方法（ＲＯＯＭ）是一个近期发展的方法，它也是用于识别变异菌株的代谢遁量状态，但是，它是秀颦变异蓐逶量改变较大的反应个数戡小Ⅸ“。“显著鲍”定义为考虑在可行的计簿时间下一系列用户指定极限值范嗣。这种方式分配给每个基鞠表达的成本代价，最小布尔通量改变个数约束下用于找出可行通量分布。优化问题涉及混台整登线毪规划闫题。ＲＯＯＭ精确预潮了丈赫杼麓基因敲除代落蓓适应状态——在蔽除后一段很长时间后的通量分布。

ＭＯＭＡ霸ＲＯＯＭ螅共隧羼性是基于最小落节摄制戆变雾后数甘冀逶鬟分毒。正懿遮然方法所示，通量分布结果依赖于踱离机制定义。原则上，也可以开发出其它的定义方式，在特殊情况下预测效果始终是一个开放问题。

《３）辩决爱向闻题

ＦＢＡ主舞关注于在给定参数下定义目标函数和矩阵模型，预测稳定状态通量。ＦＢＡ预测的反商趣题趣捶搜爆糖确懿观测到靛或幕璧褥爨嚣遴星分夺攘龋攘应豹参数。耄予它嚣在大规模参数空间中查找这种计算菏刻的参数，因而这种反向问题可能很难解决。

基于优化结构的ＯＵＦｉｎｄ方法被证明有效用于在给定的实验数据下，推断最有可能的雕际函数辫ｊ。它怒基于二缀优化过稔，其中，内部优化使用一个不定参数的传统的ＦＢＡ问题，而外层优化是使用二次规划方法表选的观测通最，用于估计连贯性。为了简他诗算，；；入了二元瞧楚传，并且把肉郄线性谯证惩蔻转变藏錾线性爨耽絮，簌焉生成单朦的非线线规划。非线性出现于目标系数和相应的通堂之间的乘法上。这种方法戍用于不同培养条件下犬肠杆菌代谢的代谢分析，结果与实验观察到的遇量非常匹配，基示出鞠标函数鞠最大生物质量有联系。

作为反向优化问题的二级优化方法被扩展用于为高产某一代谢物而进行挑选敲除基强瓣ＯｐｔＫｎｏｅｋ策爨＃“。决定变量是驻示ｏｎ／ｏｆｆ遵量状态戆二露交量，结莱转交藏一个单级水平的混合整测线性优化问题。ＯｐｔＫｎｏｃｋ识别出猩大肠杆菌代谢中赢观上觅法观察到的商产琥珀酸，乳酸和１，３一丙二璐基因敲除方法。

《４）动态优化

ＦＢＡ被用于生成细胞生长和底物和剐产物浓度的动态概况ｆ３ｌ，删。显然，结合细胞生长葶噩缨箍≯｝漆瘦，这耱方法篷翕了离簸纯对阕片过程莠程每个对麓蠲隔嚣始拜孛对ＦＢＡ求解。这个方法基于在时间段上通量是不变的准稳态假设。

同时考虑了转录和传竣调节，发展了动态优怯方法，嬲予计冀震续鞋瓣片上豹遴霪变化ｐ”，预测比较了两个大脑杆菌的二次生长模型：动悫优化方法（菲线性规划问麓）２

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和静态优化方法（线性规划问题）。显示了静态优化方法能够适用于大规模网络，当细胞内部条件在稳定状态时，预测结果和实验观察相一致。而动态优化方法可能适合于对系统扰动／波动后分析瞬间行为，发现使用瞬时目标函数能够与观测行为一致。最后得出结论：当所有的约束是线性的，静态优化方法在计算上执行简单：动态优化方法更加柔性，能够适合于整合实验数据。结合调节约束这两个方法都有自身的问题和局限性，但是，通过获取进一步的代谢调节可以减少局限性。

（５）阐明结构属性

ＦＢＡ已经被使用于像代谢物连接性、反应通量相互依赖性和路径冗余Ｉ生等网络拓扑性质。其中一种方法叫通量耦合分析，它通过不断最大化所有标准化通量为特殊通量口…，描述了反应通量之间相互依赖性。这种方法能够定量响应于特殊通量扰动的代谢网络。这种基于优化的方法能够适用于基因组规模网络，而使用其他技术可能有所限制［１”。

在图论中结合ＦＢＡ有助于描述代谢路径的冗余性Ｍ…。组份（基因或酶）缺失会导致一些路径的中断，路径冗余性使得网络具有抵抗组分缺失的鲁棒性。在这种方法中，ＦＢＡ预测了最初的候选代谢反应集，有向图表示用组合方法检查候选反应，用于识别冗余反应路径。对具有４８个反应的大肠杆菌代谢模型使用这种技术，找出了在不同培养条件下的多重代谢路径。如：在最大化乙酸目标下，发现了８个反应路径。

ＦＢＡ分析结果能够阐明生化网络的功能机制。在酵母代谢网络中的酶按照他们在不同生长条件下的必要性进行分类口”。这种分析把基因敲除的适当性影响定义为变异菌株最大生长速率与通过ＭＯＭＡ计算得到的比率。酵母代谢中的上位关系也可以通过计算基因敲除后最大生长率来研究１６”。这些数据能够描述酵母代谢中基因对和功能模块之间的关系。

（６）预测能力

通过模拟优化两个目标函数（生物质生长和目标产物的分泌，使用二级优化技术）优化通量分布，预测高产某一代谢物的基因敲除策略（ＯｐｔＫｎｏｃｋ）近来成为可行日”。

实验证明这种基因组规模变异策略在大肠杆菌中生产乳酸是可行的［７７，８６１。通过计算三种基因敲除策略，显示乳酸产量增长范围为２５．７３％。这些生产率直接和生物质生长相关，生长速率越大，乳酸常量也越大，从而证实ＯｐｔＫｎｏｃｋ模拟优化结果。

１．３基于网络的路径分析

１３１基元模式

基元模式［３６，３７，３８１可以简单地定义为最少酶的集合，这些酶使得该模式能够在稳定的代谢通量分布状况下朝一定方向进行［３９］。在细胞中的通量分布都是基元模式的非负线性

代谢网络通量和结构分析

代谢溺络避爨帮缩粕势辑

缀合。透过软件（ＩｖＬＥＴＡＴＯＯＬｌ３９１，ＦｌｕｘＡｎａｌｙｚｅｒｌ４。１，ＳＮＡ［４’潜）可鞋检测扶菜～释底物到达巢～释产物韶平行路径。然灏，应该注意到，在大网络中的基元摸戮豹计箕遇到组台爆炸的问磁。因此，需螫额岁｝考虑把大阀络分削为几个可行的子网络【”，４３＇４ｑ。当把攘个剐络分成贝＾个搂块詹＋研究显示强连接决定了整个网终系绫，瞧是必了维持麟络稳定牲，弱连接爵戮溅氮波动，巍网络巾｛翌必不Ｗ少秘ｊ。

ＥＦＭ毽岔了所肖优化路径，列出莱～潦物转换为产物熬路径。鼠胃选撵静路径浆中可戳看出礴络的敏感悭，可以用来分析网络的装畿（冗余壤、螭构簧棒性）。在不阍生长条件下，分析ＥＦＭ可以找出某个反应的相对照要性ｌｌ”。商些酶催化反应共同进退，在懿予集中霹姒认为遮些酶受劐熬强调节１４”，爵默爝ＥＦＭ拽爨酶子集。

Ｋｌａｍｔ游””用ＦｌｕｘＡｎａｌｙｚｅｒ软侔计辫了丈秘杆蔼模黧的萋元模型，该模鍪！包含９９个伐谢物，１１０个反碰，得到了４．豁×ｉ０”个蓦嚣搂黧数。研究认为，小路柽、循坪反应、不可遵囊应、酶子蹙鞠大郯分代谢物的低连接发降低。ｒ基元模裂个数。

ＥＦＭ理论在很多情况下霄用，而且．成为一个系统生物学、生物技术和代谢工程中一个墓要鲍瑷论工具㈣。照子当嚣霹默获取许多擞生甥鹩蒸黢组蒎隧浅麴大撬横栈谢瓣路结梅，ＥＦＭ成为一个代谤｝研究缀；！｝的方法。这种方法被广泛应用，主要鹿带子：

（１）识别路径：ＥＦＭ路径察镪鸯网络中断有可行鼹径［４９１；

（２）弼络浆健：ＥＦＭ个数至少是一个实觋慕耪劫靛的网络黍性的糨路计黪（惩余震、结搴暂鲁棒性）ｐｕ“０２Ｊ；

（３）饯纯产攀鼹经戆识燃：考虑线憷餐纯闽题，谖要ｇ冀孛搿有钱讫产率的避赞舞爨，翔ｔ每壤尔底物能够产生最丈酾产物摩尔皴，蒙然，可班典有一条域多条路径能够实现这耱｛莞纯，对予新有遮些优纯代谢通董海壁褥畿一个凸向爨鬣合［５３，５４１；

０）冗余性：ＷｉｌｈｅｌｍＨ辩等一种新的溅最方法，磅究黢除菜荦枣酶嚣剩下鲍蝴对的基嚣模型数爨，他们对大肠枵随和人旋纽细胞的代谢网络避行了比较。黑残余蕊点从理论上分摄毙鞍了大晒籽蘑与人类垃缨慰环境生存髓力。

（５）爱应蓬疆性：推澜生长能力，如采一个反应涉及所有与生长相关的ＥＦＭ路径中，捌除这个反疵将会导致所有ＥＦＭ路径漶失释∞，铡愆路径肖效牲撩测转录比攀ｔｓｏｔｓｓ］；

（６）艇应蝈荚性：ＥＦＭ戆用于势辑反德阈豹缤瓣耩台，这裁霹驭绘爨潜在麴调节环线索【５２，５４，５６］，获褥同步起馋用的憋子集（反墩子粲）Ｈｑ；

（７）掇测热力学霹行嚣：ＥＦＭ所表示韵内部循环（不参与辨帮襁餍藏能蛩源）崧热力学上魑可行的｛蚓；《８）路径分析方法也麓够结合计鼹学约柬鞠谭控澳则磷巍代滋霹络｛“ｌ

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（郫最小切割集：ＥＰＭ能用予计算襞小切割集【４，１，指在代谢网络中一个最小的反应予巢。该爱波子集的掰有反应失活后将会寻致该代谢网络中莱一个功能静失效。通过使用最小切割予集的方法，一系列潜在的废用都能够较容易她实现，包括网络证实、表型臻豢《、诤价撼款静灵嚣性、伐滋网络缝槐分橱和蕊镑靶点识剩等应鹰。

１．３．２极端路径

操蕊途经陋跚的概念与蒸元模式缀接近。Ｅ瓠集可｛三｝髑来糖述瓢奏可舒熬稳定状态通嚣分布。数学上，ＥＰｓ表现为凸分析的基向量，但在生理学上，ＥＰｓ并不包括所有具有生理学意义的独立路径。

ＥＰ作为ＥＦＭ的予集被认为是一种进步，出于组合复杂性，计舞ＥＦＭｓ的要求非常苛刻。ＥＰ代祷ＥＦＭ不仅减少了路径数摄，也适鹿于估计网络属性。但是ＥＰ也存在缺点，ＥＰ是ＥＦＭ弱予褰，为了满足系统独立整露撵豫捧一篓路经，菸孛一帮分是重要瓣路径，它可能丢失重鬻的独立路径，所以用ＥＰ找出优化路径和估计结构鲁棒性（冗余度），以及从ＥＰ路经疑度荦导§Ｉ信息是不太可靠魄。更重要的是当中止某个反应或者改变巢个反应方向，就需要重薪计算ＥＰ。因此ＥＰ不太适应路径分析。

Ｐｒｉｃｅｌ６１Ｊ等研究了细胞中代谢网络的热力学性质，根据交换通量，极端路径将被分成三糖类型。类型ｌ为舆毒交换淹量参与，显髭箨臻生成，这季中校臻魏径搐述了鼠底耱转化到产物或副产物的过程：类型ＩＩ为有交换通量参与，但仅仅是流通代谢物（如：ＡＴＰ，ＮＡＤＨ等），不能德环生成且消耗自由能，导致结果是巢些物质积聚，某些物履耗尽；类型ＩＩＩ为没有交换通擞，反应仅仅处于内部循环状态。

图１．３．２极端路径的三种分布

Ｆｉｇ。１．３，２Ｔｈｒｅｅｄｊｓｌｒｍｌ薅ｊｏｎｓｏｆ｛ｂｅｅｘ瞬越ｅｐａｔｈｗａｙｓ

由所划分的三种类型可以看出，根据热力学性质一定义的能量守恒定律，类型ＩＩ怒不辍稳定存在戆；摄撼煞力学性震二定义缝过程麴叁发缓取决于壤变纯，稳定凝态下，

类型ＩＩＩ也不存在的。在细胞稳定状态，宵用的仅仅是类型Ｉ。Ｗｉｂａｃｋ［６唑李研究了人类庇

代谢网络通量和结构分析

ｉ塑塑燮塑塑楚堑一———

红缁熬中３９｜辟代澎黪，计算出５４个檄端躜径，蔡串有３６个类型ｌ路径、３个豢登Ｉ｛路径、５个类楚Ｉｎ路径。建立了舆育生物学慧义的宠熬极端鼹径集；撬如了～蹙极端路径符合“传统的’’生物化学路径。在考虑网路性能的情况下，极端路径能用来解释一些稳建状悉勰题。

谯代落遴量计舞避稔中。Ｆａｍｉｌｉ｛４２１等发现一个有意义静公式：

ＬＳ－－０（１６＞

由已知Ｓ求解ｋ笈现Ｌ是一系剜代谢池，却每个横向爨构成的一个等式中，根嚣～些原则组合代谢物的总量是恒定不变的。对应于极端路径的三种类型ｔ代谢’媳也给出了￥ｇ慰鲍三耪类型。类型Ａ袭示钢级代谢元素守蠖；类墅Ｂ表暴龟食勰缀代瓣耱秘次缀代蔼｝耪审鏊溺守餐；裳翟Ｃ袭示辅驹豳索守恒。

墨辩矗：

Ｔｙｐｅ群；

姆辩ｅ：

熙ｔ３。３代谢池的三墨孛攫型

Ｆｉｇ＋１１３．３强ｒ∞掣≯ｅｓｏｆｔｈｅｍｅｔａｂｏｌｉｃｐｏｏｌｓ

以热分概为基础磷究友零空阀定义了耀关代谶渡，把代谢渣擞努瓣戒兰个部分，从蔼胃激疆出代谢溜守憾凰，可叛清雏莆磁守褪美系，熊更辩褥理勰靛游弼路中备组分的相互菇系。

１．３．２纂嚣避链模式每辍端路强｝￡较

如槊定义ｎ为零空间的维数（线性赫向量数）１６啊，ｍ魁极端路径数，ｋ怒基元模型数。褥到辩下关系：

（１）露掇潦黯柽是萋露模型抟子集褥出ｎ≤ｍ≤觏

（２）掘累交按避量不可逆，鄹么ｒｅ＝ｋ：（３）如果交换通量搿逆，褥到撇＜＜ｋ。

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