甘油生物转化为1，3-丙二醇过程的代谢通量分析与动态模拟

论文摘要

生物炼制或白色生物技术近几年受石油价格不断攀升的影响而越发受到人们的关注,作为可再生的石油替代品,生物柴油的产量近两年增长迅猛。而生物柴油副产10%的甘油,以甘油为原料生产高附加值的产品成为生物柴油行业的迫切愿望,其中用生物法将甘油转化为1,3-丙二醇是最受人们关注的方法之一。本文对克雷伯氏杆菌转化甘油为1,3-丙二醇的代谢网络进行了通量分析,并建立了基于代谢网络的动力学模型,对生物转化过程的动态行为进行了模拟,主要研究内容如下:首先,对简化的克雷伯氏杆菌代谢网络进行了代谢通量平衡分析与优化。依据甘油生物歧化为1,3-丙二醇的简化代谢网络建立了通量平衡方程,以1,3-丙二醇通量最大为目标,通过线性规划对其进行了优化分析,得到最优代谢通量分布和目标产物的最大理论得率,并分析了比生长速率、氧气消耗速率、呼吸商对1,3-丙二醇得率的影响以及各通量对1,3-丙二醇得率的限制潜能。在此基础上,利用通量平衡分析方法对连续厌氧发酵实验数据进行甘油代谢系统目标函数的识别,发现其目标函数对不同操作条件基本保持不变。细胞生长通量在目标函数中的权重系数最大,是驱动代谢的主要动力,其次是1,3-丙二醇和2,3-丁二醇通量。通过对不同目标函数下得到的通量值与实验值进行比较,发现本目标函数得到的通量值与实验值最为接近,验证了该目标函数的合理性。其次,对扩展的克雷伯氏杆菌厌氧发酵甘油代谢网络进行了代谢通量分析。利用不同操作条件下的甘油厌氧代谢的稳态数据得到胞内代谢通量分布,分析了不同操作条件对胞内通量的影响以及代谢网络中的分支点的鲁棒性。结果表明当初始甘油浓度低时,生物量随着NADH2与NAD+之比的降低而增加,当甘油初始浓度高时二者变化却相反。胞内通量分布表明网络中甘油和二羟丙酮节点对不同操作条件的变化显示刚性,而丙酮酸和乙酰辅酶A节点则显示柔性,是调节细胞代谢的关键分支点。另外,在高甘油消耗速率下,乙醇途径和丙酮酸脱氢酶途径随着甘油消耗速率的变化波动比较明显。再次,对甘油兼性生物歧化代谢网络进行了基元通量分析。将氧气传感调控系统加入甘油代谢网络,运用基元模式分析了厌氧和有氧条件下甘油生物转化过程中各途径的通量分布、灵敏性和1,3-丙二醇的生产潜能。结果发现,厌氧条件下,1,3-丙二醇最大理论得率为0.844 mol/mol,此时磷酸戊糖途径和转氢酶途径是提供1,3-丙二醇生产所需NADH2的主要途径。有氧条件下1,3-丙二醇最大理论得率为0.875 mol/mol,此时磷酸戊糖途径或三羧酸循环对提高1,3-丙二醇的得率具有重要作用。另外,分析了不同氧气水平对1,3-丙二醇和生物量产率的影响。最后,对甘油生物转化为1,3-丙二醇的动态过程进行了模拟。依据甘油代谢网络,确定了胞内代谢的基元模式,在此基础上建立了宏观反应和微观代谢的综合模型。采用经典细胞生长模型描述各基元宏观反应动力学时,根据实测的胞外代谢物流量和生物量情况识别的动力学模型能够较好地反映甘油厌氧间歇发酵的指数生长期。采用神经网络与第一工程原理结合的基于基元模式的混杂模型既能模拟甘油生物转化为1,3-丙二醇的间歇过程,又能模拟批式流加动态过程,而且还能够模拟连续振荡动态过程。由测量数据识别出的代谢网络中各基元模式动力学得到的甘油消耗速率计算值与实验值吻合较好。上述研究工作对深入理解克雷伯氏杆菌的甘油代谢途径、菌种的基因工程改造以及甘油生物转化为1,3-丙二醇过程的在线控制具有重要的参考价值和指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 甘油生物转化为1,3-丙二醇过程的动力学与代谢工程研究进展
• 1.1 概述
• 1.2 1,3-丙二醇生产方法
• 1.2.1 化学法生产1,3-丙二醇
• 1.2.2 微生物法生产1,3-丙二醇
• 1.2.3 国内1,3-丙二醇生产现状
• 1.3 甘油生物转化为1,3-丙二醇的研究
• 1.3.1 甘油生物转化为1,3-丙二醇的菌种
• 1.3.2 克雷伯氏杆菌代谢甘油生产1,3-丙二醇氧气调控机理
• 1.3.3 甘油生物转化为1,3-丙二醇过程动力学
• 1.3.4 微生物法生产1,3-丙二醇代谢工程研究进展
• 1.4 代谢工程简介
• 1.4.1 代谢工程定量分析方法概述
• 1.4.2 代谢通量分析
• 1.4.3 通量平衡分析
• 1.4.4 代谢途径分析
• 1.5 未来与展望
• 1.6 本论文研究思路
• 2 甘油生物转化为1,3-丙二醇过程的代谢通量优化与分析
• 2.1 引言
• 2.2 甘油生物转化为1,3-丙二醇代谢网络
• 2.3 代谢通量平衡方程
• 2.4 代谢通量计算分析
• 2.5 代谢通量优化分析
• 2.6 限制潜能分析
• 2.7 小结
• 3 甘油生物歧化过程的通量平衡分析
• 3.1 引言
• 3.2 通量平衡分析目标函数确定
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 各通量权重系数
• 3.3.2 通量平衡分析
• 3.4 小结
• 4 甘油厌氧生物歧化过程的代谢通量分布及其鲁棒性分析
• 4.1 引言
• 4.2 克雷伯氏杆菌生产1,3-丙二醇代谢网络的构建
• 4.3 代谢通量模型的建立与求解
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 代谢通量分布
• 4.4.2 节点鲁棒性分析
• 4.4.3 甘油消耗速率对其它代谢途径通量的影响
• 4.4.4 甘油还原途径限制速率步骤分析
• 4.5 小结
• 5 甘油兼性生物歧化过程的基元通量分析
• 5.1 引言
• 5.2 甘油兼性生物岐化过程代谢网络与基元模式
• 5.2.1 代谢网络
• 5.2.2 FNR氧气传感调控系统的转录调控约束
• 5.2.3 基元模式
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 基因调控系统预测值与实验值的比较
• 5.3.2 厌氧和有氧条件下基元通量分析
• 5.3.3 厌氧和有氧下1,3-丙二醇产率比较
• 5.3.4 氧气消耗速率的灵敏性分析
• 5.4 小结
• 6 基于代谢网络的甘油生物歧化过程的均衡生长动力学
• 6.1 引言
• 6.2 甘油生物歧化过程均衡生长动力学
• 6.2.1 甘油生物歧化代谢网络
• 6.2.2 代谢动力学模型
• 6.2.3 均衡生长
• 6.2.4 基元通量模式
• 6.2.5 基于代谢网络的动力学宏观模型
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 胞外代谢物速率与代谢通量分析
• 6.3.2 甘油生物歧化过程模拟结果与分析
• 6.4 小结
• 7 基于代谢网络与半参数混杂模型的甘油生物歧化过程动态行为模拟
• 7.1 引言
• 7.2 甘油生物歧化过程混杂模型
• 7.3 参数识别
• 7.4 结果与分析
• 7.4.1 模型结构的影响
• 7.4.2 甘油生物歧化过程模拟结果
• 7.4.3 甘油生物歧化过程各基元模式动力学
• 7.4.4 甘油生物歧化过程振荡行为模拟
• 7.5 小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 代谢物名称缩写
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历