23888.13c代謝通量分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用與研究

1、獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含本人為獲得江南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本學(xué)位論文作者完全了解江南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：江南大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)

2、構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文，并且本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。簽名：墾駕強(qiáng)導(dǎo)師簽名：日期：I主支股摘要摘要代謝通量分析是代謝工程中重要的量化分析工具，它們揭示基因改造及由此產(chǎn)生的結(jié)果變化間的因果關(guān)系，并在代謝活動(dòng)中作為一個(gè)先決條件用于生物細(xì)胞催化劑的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。由于

3、胞內(nèi)通量無(wú)法直接測(cè)量，所以必須對(duì)其進(jìn)行通量估計(jì)。碳同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)是目前最精確的通量分析方法，通過(guò)基板及碳標(biāo)記狀態(tài)分布的測(cè)量，依據(jù)同位素守恒測(cè)量代謝穩(wěn)態(tài)平衡方程求解中間代謝物所產(chǎn)生的不可測(cè)通量。然而，通常情況下這些方程均為繁瑣的代數(shù)操作，由于非線性和高維度，導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算求解復(fù)雜。本文的主要研究?jī)?nèi)容是探討適合求解代謝通量的精確量化分析及生化途徑模型仿真的優(yōu)化算法，具體的研究工作如下：(1)論文簡(jiǎn)要介紹了代謝通量分析應(yīng)用的兩種方法：化學(xué)計(jì)量矩

4、陣和碳同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，著重于同位素標(biāo)記原理及其碳原子轉(zhuǎn)移運(yùn)算與數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。本文將代謝通量估計(jì)問(wèn)題歸結(jié)為帶約束條件的碳同位素富集度平衡的全局優(yōu)化問(wèn)題，而智能優(yōu)化算法由于其高效性、收斂性和魯棒性等特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于全局優(yōu)化問(wèn)題的求解。(2)以環(huán)磷酸戍糖代謝網(wǎng)絡(luò)為模型就幾種智能優(yōu)化算法進(jìn)行13C代謝通量分析，仿真實(shí)驗(yàn)中，量子粒子群算法相較于其他算法收斂迅速，存在較好的擬合效果。并利用算法的非線性逼近能力完成一個(gè)含5個(gè)代謝物的代謝途徑

5、模型的模擬仿真，將參數(shù)編碼成算法的一組解向量，以實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值的誤差平方加權(quán)和為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。仿真試驗(yàn)表明用多樣性指導(dǎo)量子粒子群算法求解較好，成功地完成了對(duì)已知模型的預(yù)測(cè)。(3)QPSO雖然較好的求解代謝通量，但仍存在一定的誤差，可見(jiàn)單一的智能算法并無(wú)法滿足代謝通量精確量化分析的需求。論文提出多種優(yōu)化算法相互結(jié)合取長(zhǎng)補(bǔ)短進(jìn)行通量估計(jì)。以模擬噪聲環(huán)境下包含12個(gè)胞內(nèi)代謝物共56維碳原子，16維通量的大腸桿菌代謝網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象進(jìn)行求解。將量

6、子粒子群算法與最小二乘相結(jié)合，分別用于通量分析及代謝物碳原子估計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，LS用于代謝物碳原子分析、QPSO用于通量分析較好地完成了對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)模型的擬合，較其他方法對(duì)非確定性網(wǎng)絡(luò)的分析存在更小的均方誤差及均方誤差方差，適合通量精確量化分析。由此可見(jiàn)，對(duì)于不同的優(yōu)化問(wèn)題，單一的優(yōu)化算法往往在執(zhí)行速度或者優(yōu)化精度方面無(wú)法達(dá)到平衡，因此綜合考慮多種優(yōu)化算法的優(yōu)勢(shì)，不同算法的混合對(duì)代謝通量估計(jì)有著廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：代謝通量分析，模型