天津工业生物所开发了酶敲除靶标多策略预测方法

表2. 大肠杆菌生产琥珀酸，ReacKnock给出的10个替代解

目标产物对底物的转化率是工业菌株的重要指标之一，是发酵工艺成本控制的主要因素，通过敲除特定基因与代谢途径，减少副产物合成的损耗，加强主干代谢途径的通量，是实现此目标的主要手段之一。目前已有一些基因敲除靶标预测算法，如OptKnock、RobustKnock、GDLS等，这些算法采用混合整数双层优化方法，能够协调工业上产物产量最大化和自然进化形成的细胞生长最大化，但这些算法只能给出单个敲除方案，同时求解耗时很长。 

天津工业生物技术研究所孙际宾研究组的计算生物学科研人员，沿用一种有严格数学验证的KKT（Karush-Kuhn-Tucker）技术来求解混合整数双层优化问题，结合细胞代谢网络，开发了一种反应（酶）敲除的预测方法ReacKnock，从而能够保证预测结果的正确性，并大大缩短求解计算时间，尤其是可提供多敲除策略。  

在大肠杆菌全基因组规模代谢网络基础上，针对琥珀酸（Succinate）、乙醇（Ethanol）、乙酸（Acetate）、氢气（Hydrogen）、甲酸（Formate）、乙醇酸（Glycolate）、乳酸（Lactate）、富马酸（Fumarate）、苏氨酸（Threonine）这9种典型化学品，应用ReacKnock和OptKnock两种算法进行了预测对比计算，计算结果分别以FVA（Flux Variability Analysis）验证虚拟突变株的最大生产和以FBA（Flux Balance Analysis）验证虚拟突变株的最大生长。结果显示，ReacKnock给出的敲除预测其产物对底物转化率更高（见表1）；由于所得为高精度解，计算结果完全符合FVA对生产的验证和FBA对生长的验证；ReacKnock可以求出同样删除数目下的全部替代方案，表2给出了就大肠杆菌生产琥珀酸的10个最佳6酶组合的敲除策略；由于算法的简练，计算速度上，ReacKnock相比OptKnock有近10倍的提速。 

该研究提供的方法可以求出同样删除数目下的全部替代敲除方案，可以为实际工业菌株的基因工程设计提供较多的思路和选择，便于实验实施。该方法具有普适性，适用于所有工业微生物，可以在其基因组规模代谢网络上进行计算后再指导实验。 

该研究得到国家973、863、自然基金和天津科技支撑项目的支持，相关研究成果已经发表在PLoS One期刊。天津工业生物所的计算生物学科研人员徐自祥为论文的第一作者。