44、动态模型在菌株优化中的应用

动态模型在菌株优化中的应用

1 系统生物学和代谢工程

系统生物学旨在通过定量建模生化网络来理解生物系统的复杂相互作用。其最终目标是在不同情景和扰动下模拟这些系统。代谢工程则是系统生物学的一个分支，它关注如何优化这些网络以实现特定的工业或研究目标，例如提高某种化学物质的产量或增强生物体的代谢效率。

1.1 动态模型的作用

动态模型能够预测微生物在不同环境条件或遗传修改下的表型行为，为菌株优化提供了强大的工具。这些模型基于常微分方程（ODE），可以描述代谢途径中化学物质随时间的变化。通过模拟这些变化，研究者可以识别出哪些反应对目标产物的生成最为关键，并据此进行优化。

1.2 模拟和优化任务

本章探讨了使用动态模型来支持模拟和优化任务，特别是针对代谢模型的两种修改：

• 反应敲除 ：删除某些反应以阻断不利路径；
• 改变反应动力学参数 ：调整反应速率常数（如 (v_{max})）以优化目标产物的生成。

这些修改旨在通过对代谢途径中化学物质浓度的影响，实现预期的优化目标。

2 案例研究

为了验证上述方法的有效性，研究者选择了大肠杆菌（Escherichia coli）的中央碳代谢作为案例。中央碳代谢是细胞能量代谢的核心，涉及多个关键反应，包括糖酵解、丙酮酸代谢和三羧酸循环等。研究的目标是最大化二羟基丙酮磷酸（DHAP）的产生，这是一种重要的代谢中间产物。

2.1 研究方法

研究采用了基于常微分方程