微生物代谢网络结构分析与代谢流预测

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1、分类“显示文本号：TP39”不能横跨多行!单位代码：10183微研究生学号：2013531038密级：公开生物代谢网络吉林大学结构分博士学位论文析与代谢流预测李高阳李高阳吉林大2018年6月学微生物代谢网络结构分析与代谢流预测Thetopologyanalysisandfluxpredictionofmicrobialmetabolicnetwork作者姓名：李高阳专业名称：计算机科学与技术（生物信息学）研究方向：计算生物学指导教师：徐鹰教授学位类别：工学博士培养单位：计算机科学与技术学院论文答辩日期：2018年06月05日授予学位日期：2018年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工

2、作单位姓名职称工作单位盲审专家正高级中南大学主席许东教授密苏里大学盲审专家正高级哈尔滨工业大学委员马志强教授东北师范大学盲审专家正高级大连理工大学梁艳春教授吉林大学欧阳继红教授吉林大学欧阳丹彤教授吉林大学刘磊教授吉林大学宫雷光教授吉林大学未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的博士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果

3、。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：2018年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关

4、权益。论文级别：□硕士■博士学科专业：计算机科学与技术（生物信息学）论文题目：微生物代谢网络结构分析与代谢流预测作者签名：指导教师签名：2018年月日作者联系地址（邮编）：吉林大学计算机科学与技术学院130012作者联系电话：15604430062摘要摘要微生物代谢网络结构分析与代谢流预测微生物代谢系统的强鲁棒性使其能够适应多样性的不断变化的环境，并且以一种优化系统调整的方式满足其生存和生长的物质和能量需求。具体的，代谢系统通过将各种不同的外源营养物质转化为细胞内一组共用的必需代谢物基本组件分子的集合，进而为细胞生命活动合成必须的生物能量和多种生物大分子（核酸，蛋白，多糖等）。总的来说，微

5、生物的这种代谢功能鲁棒性主要是由代谢网络的拓扑结构和代谢反应自身的（酶）动力学以及热力学性质来实现的。拓扑结构分析指出微生物代谢网络是一种典型的具有无标度性质的异构复杂网络，其网络连接方式表现出很高的容错能力，使得某种代谢能力的缺失（反应或代谢物）总是能被控制在以缺失节点为中心的很小局部范围，并且该过程通常不需要酶动力学(浓度水平)或基因表达水平的精确调控。而代谢（酶）动力学的相关研究指出不同微生物细胞所必须的基本代谢物的种类和浓度都十分保守，例如，氨基酸，特别是谷氨酸，是在多种生物的细胞中所能检测到的所有代谢物中含量最高的，暗示不同物种的细胞中代谢流的分布和酶的亲和性方面具有高度相似性。

6、此外，实验数据显示多种代谢物的浓度在大肠杆菌，酵母和哺乳动物的细胞中存在很好的相关性。在大肠杆菌细胞的核心代谢甚至全基因组水平的代谢网络中，代谢物浓度随着生长速率的增加或者在遗传扰动（单基因缺失）下通常保持相对稳定。尽管对代谢系统系统功能的一些粗粒度的研究以及对某些代谢通路的详细分析已经取得了很大的进展，然而，基因组规模的代谢网络是如何通过具有功能特异性的代谢通路之间的相互协同配合来维持多种环境条件下细胞代谢状态的稳定，代谢网络的模块化结构又是如何适应不断变化的代谢功能的需求等基本的系统生物学问题到目前为止依旧处于理论探索阶段，这是因为代谢系统是一个由酶，代谢物，辅酶因子，生物能量以及其他

7、无机物分子等多种组件组成的复杂异构网络，它涉及到细胞生命活动的几乎所有过程并且随着外部环境的改变而动态变化，相对于已经能够高通量实验测序并且建立了成熟分析流程的转录组，基因组等组学数据，当前的代谢网络无论是模型完整度还是组学数据的收集方面都存在较大的不完整，因而难以用精确的数学方法来分析和建模。这种不完整性造成当前的代谢网络结构和功能分析通常展示出不一致的甚至相互矛盾I吉林大学博士学位论文的结果，进一步增加了代谢网络研究