使用甲醇等可再生碳源替代葡萄糖等傳統碳源，有助于實現“雙碳”目標并推動可持續制造。但多數工業微生物難以同化這些新碳源，即便導入異源甲醇同化通路，菌株仍難以在僅含甲醇的培養基上生長。通常，實驗采用“營養缺陷-逐步戒斷”的自適應進化（ALE）策略，即通過基因敲除構建對目標碳源有依賴性的起始菌株，并在含目標碳源與輔助碳源的培養基中逐步降低輔助碳源，以促使菌株能在僅含目標碳源的條件下生長。該流程關鍵在于如何設計合適的進化起始菌株或如何精準篩選應敲除的基因靶點，從而構建出依賴未適應碳源的起始菌株。
針對上述問題，中國科學院天津工業生物技術研究所研究員馬紅武和副研究員蔡敬一、袁倩倩團隊提出了AdaptUC框架，即基于基因組尺度代謝模型與雙層混合整數規劃的一體化生信設計工具，用于自動預測ALE所需的起始菌株敲除組合。AdaptUC引入了兩類評價指標：一是未適應碳源/共底物利用比（UC/Co），用于衡量對新碳源的依賴度；二是該研究提出的創新性目標函數底物同化驅動力（SADF），以每單位未適應碳源攝取所帶來的生長增益來量化進化驅動力，直接對應ALE中逐步削減共底物時的選擇壓力。相較于傳統的最大化單一通量設計策略，SADF更關注“單位攝取→單位生長”的回報率，從而更貼合閾值降低式的進化實驗設計。
同時，基于iML1515代謝網絡模型（E. coli）和iCW773代謝網絡模型（C. glutamicum）的案例研究表明，AdaptUC重現了文獻中五種已驗證的甲基營養菌設計，并預測出多組新的優選敲除方案，在理論生物量、UC/Co及SADF指標上均表現更佳。進一步，研究人員發現，由未適應碳源獨自合成的生物質前體在總體生物量中所占比例與SADF呈顯著負相關。這提示該依賴度或是影響進化驅動力的重要因素，即當較小比例的前體依賴甲醇合成時，每單位甲醇帶來的生長收益更高，從而使SADF更大、選擇壓力更強，菌株也更容易通過ALE適應新碳源。
該研究將高通量靶點篩選與進化驅動力量化結合，為構建以未適應碳源為目標的菌株提供了可操作的計算準則與框架。同時，該研究提出的SADF為適應性進化設計引入了新的工程視角，該方法可進一步拓展至甲酸、木糖等其他可再生碳源及多種工業菌株。
相關研究成果發表在Research上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和科學技術部的支持。
論文鏈接
AdaptUC算法、底物進化初始菌株的代謝工程靶點預測與新底物利用進化推動力分析示意圖
本文鏈接：研究開發新型底物利用進化起始菌株設計算法http://www.sq15.cn/show-12-1651-0.html
聲明：本網站為非營利性網站，本網頁內容由互聯網博主自發貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任。天上不會到餡餅，請大家謹防詐騙！若有侵權等問題請及時與本網聯系，我們將在第一時間刪除處理。
上一篇： 科研人員發展蛋白-蛋白相互作用先導化合物開發新策略
下一篇： 研究揭示器官內內皮細胞的時空增殖異質性