利用流平衡分析方法研究聚球藻代谢酶反应之间的协同性

摘要

光合作用是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光合代谢系统提供了生命体基本的物质来源，同时是未来生物工业发展的基石。光合代谢网络的研究是生物学的热点问题之一。通过对全球碳循环的主要参与者和初级生产力的主要贡献者--光合生物蓝细菌聚球藻(Synechococcus)的代谢流、代谢途径等网络特性的研究,了解生物体代谢过程，以及酶反应之间的影响。 生物过程的系统级建模和模拟，在定量和动态获得细胞功能方面具有指导作用。本文利用基于约束的代谢网络分析方法在计算机中模拟细胞代谢，分析聚球藻代谢网络的基本拓扑结构和网络内在联系。iJB785模型是为聚球藻Synechococcus elongatus PCC7942建立的模型，以该聚球藻为实验对象，我们通过对其代谢网络中的反应进行逐一删除，使用FBA方法分析敲除反应后的代谢网络的通量分布，以及该反应的敲除对其余反应的影响，并找到代谢网络中对整个系统有影响的反应，进一步验证其网络理论和模型方法的可行性。对所构建的突变体进行代谢研究，比较其与野生型Synechococcus在上述功能方面的差异。并使用FVA方法找到给定约束条件的目标函数的最优值，并优化每个反应的最小和最大通量值，从而确定聚球藻代谢网络中每个反应通量的可允许范围，且通过使用FVA方法对网络中的反应进行分类，能粗略判断代谢网络的部分必需与非必需基因。 代谢网络的最小反应集是能够维持生物体生命体征的最小反应集合，既可使生命体在恶劣的生存环境中保持最小的消耗，也可以在工业生产中实现最大的产出。传统的方法难以快速有效的找到达到某一生物学目标并满足最小化代谢调节的生命体的最小反应集，根据基因必要性，通过结合数学中的凸优化理论，找到一种在时间和规模上都优于传统方法的凸优化方法。

目录

第一章 绪论

1.1 光合作用及光合代谢在生物学中的地位

1.1.1 光合作用

1.1.2 光合代谢在生物学中的地位

1.2 光合生物聚球藻

1.3 国内外研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 论文的结构

本章小结

第二章 模型构建及数据来源

2.1 分析生物学数据的工具

2.1.1 MATLAB

2.1.2COBRA Toolbox

2.1.3 生物数据来源

2.2 模型及工具

2.3 实验环境

本章小结

第三章 基于约束的建模

3.1 基因组规模代谢网络模型（GSMN）

3.2 代谢网络的重建

3.3 模拟基因/反应敲除

3.4 基因-蛋白质-反应表达式

3.5 建模方法

3.5.1 通量平衡分析（FBA）

3.5.2 通量可变性分析（FVA）

3.5.3 最小化代谢调节（MOMA）

3.6 最小反应集

3.6.1 传统方法设计原理和局限

3.6.2 凸优化中的拉格朗日乘数法

本章小结

第四章 实验结果及分析

4.1敲除单个反应实验结果与分析

4.2 FVA实验结果与分析

4.3最小反应集实验结果与分析

本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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