系统动力学在L-苯丙氨酸生物合成过程仿真上的应用

论文摘要

建立生化反应过程的动态仿真模型,进行生化反应过程预演或再现,以致能够实时地改变反应过程的动力学参数和调控方案,得出最优策略后再回到实验中去验证,则可以避免浪费大量的实验时间、材料和操作费用。生化反应过程的仿真模型在理论研究及工业应用中都有重要的价值。L-苯丙氨酸是人体所需的八大氨基酸之一,在医药、食品领域具有广泛的应用,工业上一般采用生物合成法来生产L-苯丙氨酸。由于生物系统结构行为的复杂性该生化反应过程内在机理复杂,反应参数严重耦合,具有高度的非线性和时滞性。本文在系统生物学的基础上采用系统动力学软件ITHINK 作为建模工具,有效地解决了L-苯丙氨酸生物合成过程中存在的非线性反馈和时滞性的难题。本文分别建立了发酵法和酶法生产L-苯丙氨酸的仿真模型,并经实验数据的验证校核;设计了各种不同的操作调控条件,通过模型模拟研究其对L-苯丙氨酸产量的影响,模拟的结果很好地符合了实验数据。本仿真模型可以为L-苯丙氨酸生物合成提供系统层次的动态分析,为评估各种调控方案的优劣提供有力的帮助,还可以用于探索发现新的优化手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 系统生物学
• 1.2.1 生物系统结构的辨识
• 1.2.1.1 自下而上的方法
• 1.2.1.2 自上而下的方法
• 1.2.1.3 混合方法
• 1.2.2 生物系统行为分析
• 1.2.3 生物系统的控制与设计
• 1.2.4 生物系统的建模与仿真
• 1.3 国内外系统生物学研究概况
• 1.3.1 国外相关研究
• 1.3.2 国内相关研究
• 1.4 系统动力学
• 1.4.1 系统动力学的概念
• 1.4.2 因果关联与反馈环路
• 1.4.2.1 因果关联
• 1.4.2.2 反馈环路
• 1.4.3 系统动力学模型的基本元素
• 1.4.4 系统方程式
• 1.4.5 系统动力学模拟工具ITHINK
• 1.4.5.1 ITHINK软件的特点
• 1.4.5.2 ITHINK软件的基本元素
• 1.4.5.3 ITHINK建模步骤
• 1.5 本文研究目的与研究内容
• 1.5.1 研究目的和内容
• 1.5.2 研究思路
• 1.6 参考文献
• 第二章 仿真动态模型的建立
• 2.1 L-苯丙氨酸的工业化生产工艺
• 2.1.1 发酵法合成 L-苯丙氨酸
• 2.1.2 酶法合成 L-苯丙氨酸
• 2.1.2.1 苯丙酮酸-天冬氨酸转氨酶法
• 2.1.2.2 肉桂酸-苯丙氨酸解氨酶法
• 2.1.2.3 两步酶转化乙酰氨基肉桂酸法
• 2.2 发酵法生产 L-苯丙氨酸仿真模型
• 2.2.1 E. coli 碳的中央代谢途径的动态模型
• 2.1.1.1 糖酵解途径模型
• 2.1.1.2 戊糖磷酸途径
• 2.2.2 芳香族氨基酸合成途径模型
• 2.2.2.1 PEP 和E4P 合成DAHP
• 2.2.2.2 从DAHP 到Chro（分支酸）
• 2.2.2.3 由Chro 形成L-苯丙氨酸和L-酪氨酸
• 2.3 酶法生产 L-苯丙氨酸仿真模型
• 2.4 参考文献
• 第三章 仿真结果与讨论
• 3.1 发酵法合成L-苯丙氨酸仿真
• 3.1.1 发酵法仿真模型的可靠性验证
• 3.1.1.1 E. coli碳的中央代谢途径模型的验证
• 3.1.1.2 芳香族氨基酸合成途径模型的验证
• 3.1.2 调控方案的模拟分析
• 3.1.2.1 胞外葡萄糖浓度的调控模拟
• 3.1.2.2 PEP量的调控模拟
• 3.1.2.3 E4P量的调控模拟
• 3.1.2.4 DAHP合成酶的表达量的调控
• 3.1.2.5 L-酪氨酸的量的调控
• 3.1.2.6 调控方案的优化组合
• 3.2 酶法生产L-苯丙氨酸仿真
• 3.2.1 酶法仿真模型的验证
• 3.2.1.1 模拟两菌双酶法
• 3.2.1.2 氨基供体与受体浓度的比例对酶反应的影响的模拟
• 3.2.2 反应分离耦合的模拟
• 3.3 参考文献
• 第四章 结论与展望
• 附录一
• 附录二
• 致谢