31495

بررسي محاسباتي اثر عدم قطعيت اجزا تشكيل دهنده توده سلولي بر آناليز فلاكس‌هاي متابوليك

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي-بيوتكنولوژي

1400

1403/06/27

دكتر فرشته نعيم‍پور

-

مهندسي شيمي، نفت و گاز

تخمين رشد سلول‌هاي ميكروبي و توليد محصول در ميكروارگانيسم‌ها با استفاده از بازسازي شبكه واكنش‌هاي بيوشيميايي و تحليل شار متابوليك به طور گسترده در مهندسي متابوليك كاربرد دارد. واكنش تشكيل زيست‌توده به دليل تأثير بر مسيرهاي بيوسنتز مختلف نقش كليدي در تخمين شار دارد. عوامل متعددي مي‌توانند بر ضرايب استوكيومتري اجزاي زيست‌توده تأثير بگذارند و منجر به عدم قطعيت در پيش‌بيني‌هاي مدل شوند. در اين پژوهش، ابتدا يك مدل پايه بازسازي شد و پيش‌بيني‌هاي آن با استفاده از واكنش‌هاي اوليه زيست‌توده (حالت مرجع) بررسي گرديد. به منظور بررسي تأثير عدم قطعيت ضرايب بر توزيع شار در شبكه، كسرجرمي ماكرومولكول‌ها و كسرمولي مونومرها در شش حالت مختلف تغيير داده شد. نتايج نشان داد كه در حالت زيست توده تشكيل شده فقط از يك ماكرومولكول، بيش‌ترين و كم‌ترين نرخ رشد مربوط به كربوهيدرات (افزايش 75/81%) و اسيدچرب (كاهش 39/42%) بود، كه به ترتيب نشان دهنده هزينه بيش‌تر و كم‌تر اين ماكرومولكول‌ها براي سلول است. بنابراين، دقت بالا در اندازه‌گيري محتواي آن‌ها ضروري است. در حالت افزايش 40% در هر ماكرومولكول در حضور سايرين، RNA و فسفوليپيد به‌ترتيب منجر به بيش‌ترين (افزايش 51/4%) و كم‌ترين (كاهش 45/2%) تغييرات شدند. اين نتايج به دليل تعامل ضرايب با يكديگر در حضور همه ماكرومولكول‌ها است و مي‌تواند نتايج بين حالت اول و دوم را تغيير دهد. نتايج مشابهي براي مونومرها در هر ماكرومولكول مشاهده شد. در حالت پروتئين حاوي فقط يك اسيدآمينه، نرخ رشد در محدوده 78/16- تا 69/26% تغيير كرد، كه بيش‌ترين و كم‌ترين تغييرات به ترتيب مربوط به آسپارتات و فنيل آلانين است. افزايش 40% در هر اسيدآمينه در حضور سايرين، منجر به تغييرات نرخ رشد در محدوده 59/0- تا 39/0 درصد شد. تغييرات تصادفي در ماكرومولكول‌ها با استفاده از توزيع‌هاي نرمال (انحراف معيار 5 و 30%) و توزيع يكنواخت (0 تا 1) بررسي شد. توزيع يكنواخت بيش‌ترين انحراف از رشد (افزايش 05/13%) و ضريب تغييرات (72/8%) را داشت. همچنين، تغييرات تصادفي در مونومرها از توزيع يكنواخت بالاترين انحراف (67/1%) را براي اسيدهاي آمينه ايجاد كرد. بنابراين، خطاهاي كم در اندازه‌گيري ضرايب تأثير كمي بر نتايج دارند و استفاده از داده‌هاي ميكروارگانيسم‌هاي ديگر توجيه‌پذير است. در مقابل، خطاهاي بزرگ مي‌توانند موجب انحراف‌هاي تا حدود %13 در نتايج شوند و منجر به پيش‌بيني‌هاي نادرست گردند. همچنين، نتايج نشان داد كه تغييرات در نرخ رشد براي ماكرومولكول‌ها در مقايسه با مونومرها بارزتر است و بر نياز به اندازه‌گيري دقيق ماكرومولكول‌ها تأكيد مي‌كند.

1403/08/15

Sensitivity analysis in metabolic flux analysis: effect of biomass components uncertainty

9/16/2025 12:00:00 AM

Estimation of microbial cell growth and product formation in microorganisms is extensively used in metabolic engineering through the reconstruction of biochemical reaction networks and analysis of metabolic flux. The biomass formation reaction plays a crucial role in flux estimation due to its impact on various biosynthetic pathways. Various factors can affect the stoichiometric coefficients of biomass components, leading to uncertainties in model predictions (growth rate and flux distribution). In this study, a core model focusing on biosynthesis of cellular biomass was first reconstructed, and the model predictions were examined using an initial set of biomass reactions as a reference. To investigate the impact of coefficient uncertainties on flux distribution within the network, macromolecules mass fraction in biomass and monomers mole fractions were varied across six different scenarios. While Biomass consisting solely of one component, the highest and lowest growth rates corresponded to carbohydrate (+81.75% change) and fatty acid (-42.39% change). This analysis indicated the extreme observable changes at unlikely measuring errors in biomass components. To consider more realistic circumstances, increase (40%) in solely one component of biomass in presence of others was considered, where RNA and phospholipids resulted in the highest (+4.51%) and lowest (-2.45%) growth rate changes, respectively. This can be attributed to the value of the original coefficients, interaction of other macromolecules and normalization after each change. Then, random simultaneous changes using 10 sampling from normal distributions (SDs of 5 and 30%) and a uniform distribution (0 to 1) were applied. Among which uniform distribution resulted in the highest growth deviation (13.05%) and coefficient of variations of 8.72%. In another scenario, using one amino acid in protein resulted in growth changes in a range of -16.78 to 26.69%, with the highest and lowest belonging to aspartate and phenylalanine, respectively. After that, increasing (40%) each amino acid in presence of others, resulted in changes in a range of -0.59 to 0.39%. Simultaneous random changes in mole fraction of amino acids in protein, using 10 sampling from uniform distribution, led to the highest deviation of 1.67% in growth rate. These results revealed that changes in growth rate were more pronounced for macromolecules compared to monomers, emphasizing the need for precise measurement of macromolecules.

واكنش تشكيل زيست توده , اجزاء زيست توده , عدم قطعيت , آناليز فلاكس متابوليكي

Biomass Formation Reaction , Biomass Constituents , Uncertainty , Metabolic Flux Analysis

faranak ebrahimi

Dr. fereshteh naeimpoor