基于天然产物生物合成途径的酵母大片段DNA的设计与组装

论文摘要

生物合成正在医药、化学品、食品、生物燃油等领域不同程度的改变着世界工业的格局,开创经济实现绿色增长的新纪元。酵母细胞作为最重要的微生物生物催化合成的底盘细胞工厂之一,是实现生物合成的关键场所,也是生物科技革命和产业关注与竞争的焦点。酵母能够利用多种底物原料,采用代谢工程和发酵的方式生产不同类型的目标化合物,例如生物燃料、食物、药物和饲料等。与传统方法相比,代谢工程的主要吸引力在于许多具有商业价值和利益的化合物可以通过生物途径以更环保、更具成本效益和可持续的方式进行生产。利用代谢工程的方法可以将酵母细胞原有的代谢过程加以改造、加强某些代谢产物的产量,或者是赋予酵母细胞生产新的代谢产物的能力。在本项研究中,为了探索并挖掘酿酒酵母当作细胞工厂的生物合成能力,本课题建立了一个基于天然产物生物合成途径的酵母大片段DNA的设计组装平台—GenomeDesigner。这个平台使用野生型Saccharomyces cerevisiae S288C的两个代谢网络模型iMM904和iND750中的内源反应,整合了 KEGG反应库与Rhea中的反应作为外源反应数据来源。利用概率路径算法计算获得在特定情况下酵母细胞合成的目标化合物的合成途径。使用平衡流量分析方法对合成途径进行评估,根据评估结果,计算挑选将被激活的内源反应所需要的全部基因序列片段进行在线组装,组装的序列结果通过可视化工具呈现。GenomeDesigner使用计算机方法,可以全面系统得到在指定培养情况下,菌株细胞整体的代谢情况、目标产物的合成途径、途径量化情况、内源基因序列等信息提供并展示出来。这些基于理性计算分析获得的信息可以为研究者的细胞工厂实验方案设计提供一定的参考和建议。

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摘要

ABSTRACT

1 前言

1.1 酿酒酵母代谢网络模型

1.1.1 基因组规模代谢网络模型概述

1.1.2 酿酒酵母代谢网络模型的发展过程

1.1.3 iND750模型与iMM904模型的概述

1.2 代谢工程概述

1.3 合成生物学相关数据库的概述

1.3.1 核酸序列数据库介绍

1.3.2 分子数据库介绍

1.3.3 蛋白质数据库介绍

1.3.4 反应数据库介绍

1.3.5 其他数据库介绍

1.4 代谢途径拓展的方法与工具

1.4.1 代谢途径拓展的方法概述

1.4.2 代谢途径拓展相关工具的介绍

1.5 研究背景

1.5.1 国内外研究概况

1.5.2 研究目的及意义

1.5.3 论文研究内容

2 材料与方法

2.1 计算机方面的准备

2.1.1 程序脚本语言Python

2.1.2 搭建网页Django框架

2.2 数据收集

2.2.1 外源数据的收集与整理

2.2.2 收集酵母内源数据

2.3 代谢网络分析方法

2.3.1 通量平衡分析方法

2.3.2 COBRA计算方法

2.4 目标化合物合成途径的设计

2.5 代谢途径的迭代计算

2.6 目标化合物产量计算

2.7 大片段DNA的设计

2.8 外源基因的优化

3 结果与讨论

3.1 酵母细胞工厂的生物合成路径的设计

3.2 Lycopene的生物合成设计

3.3 基于理性设计的DNA大片段

3.4 大片段DNA序列的可视化

3.5 外源基因优化结果

4 结论

4.1 全文总结

4.2 论文的创新点

4.3 论文的不足之处

5 展望

6 参考文献

7 攻读硕士学位期间发表论文情况

8 致谢

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈阜

导师: 郁彭,胡黔楠

关键词: 合成生物学,生物信息学,酵母合成潜力挖掘,途径设计,大片段组装

来源: 天津科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 天津科技大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: Q811.4

DOI: 10.27359/d.cnki.gtqgu.2019.000380

总页数: 56

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基于天然产物生物合成途径的酵母大片段DNA的设计与组装

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