15、模拟卡尔曼滤波器与代谢调整最小化杂交法提高琥珀酸和乳酸产量

模拟卡尔曼滤波器与代谢调整最小化杂交法提高琥珀酸和乳酸产量

1. 引言

近年来，分子生物学技术、实验方法和数学工具的进步，使得代谢工程的应用备受关注。基因敲除技术作为分子生物学的重要工具，在工业代谢工程中应用广泛。通过删除特定基因，可以分析基因功能、蛋白质结构以及影响生化产物的生产。然而，该技术在处理无关功能基因时存在局限性。

大肠杆菌是常用于 DNA 和蛋白质合成的微生物，能适应有氧和无氧环境，是生物技术领域的重要模型。它在商业生产高产量琥珀酸和乳酸方面发挥着关键作用，但某些参与琥珀酸生产的基因组合被破坏时，会阻碍琥珀酸产量的提高。

琥珀酸是制药、农业、食品等多个化工行业的基础材料，乳酸则在聚乳酸（PLA）基塑料材料制造中需求旺盛。但传统生产方法存在产量低的问题，且原核生物在工业应用中面临细胞和代谢网络复杂、缺乏有效建模和优化方法等挑战。

代谢调整最小化（MOMA）是 2012 年提出的建模技术，可通过对野生型通量平衡分析（FBA）的解空间进行采样，模拟突变体通量，更准确地预测基因敲除细菌的代谢表型。许多算法在提高琥珀酸和乳酸产量方面效果不佳，模拟卡尔曼滤波器（SKF）虽有优势，但也存在不足。因此，提出了 SKF 和 MOMA 的组合（SKFMOMA）来解决这些问题，以确定最大化大肠杆菌中琥珀酸和乳酸产量的基因敲除策略。

2. 材料与方法

2.1 SKFMOMA 的参数设置

优化 SKFMOMA 性能涉及一些参数：
| 参数 | 值 |
| ---- | ---- |
| 种群数量 | 100 |
| 最大迭代次数 | 1 |
| 代理数量