شماره ركورد
34872
پديد آورنده
مريم آفرين
عنوان
كاربرد تحليل شار¬هاي متابوليكي در ارزيابي و بهبود عملكرد جوامع ميكروبي (ميكروجلبك-باكتري ديازوتروف)
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1397
تاريخ دفاع
1405/02/02
استاد راهنما
فرشته نعيم پور
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
مهندسي شيمي نفت و گاز
چكيده
يكي از ابزارهاي موثر براي تحليل و پيشبيني رفتار جوامع ميكروبي، مدلسازي متابوليكي است. در اين پژوهش، جهت بررسي تاثير نوع تعاملات ميكروبي بر عملكرد الگوريتم هاي مدلسازي متابوليكي جوامع، ابتدا توانمنديها و محدوديتهاي سه الگوريتم Flux Balance Analysis (FBA)، community FBA (cFBA) و SteadyCom در شبيهسازي رفتار پنج نوع تعامل ميكروبي (همسفرگي، رقابت، همزيستي، همسفرگي–رقابت و همزيستي–رقابت)، بر روي مدلهاي ساده دو عضوي بررسي شد. نتايج نشان داد كه در تعامل همسفرگي، هر سه روش پاسخهاي يكسان و صحيح ارائه ميدهند، در حاليكه در تعامل رقابتي، تنها عضو با بازده رشد بالاتر باقي ميماند و براي دستيابي به نتايج واقعگرايانه، استفاده از راهحلهاي suboptimal يا اعمال محدوديتهاي مبتني بر دادههاي تجربي ضروري است. با توجه به نتايج تعامل همزيستي، استفاده از روش FBA مناسب نيست زيرا خطايي ايجاد ميكند كه يك عضو بدون رشد متابوليت تبادلي عضو ديگر را تامين ميكند. روشهاي cFBA و SteadyCom همزيستي پايدار اعضاي جامعه در همزيستي را نشان دادند. در ادامه، با هدف مدلسازي يك جامعه ميكروجلبك–باكتري، ابتدا مدلهاي متابوليكي تك ميكروارگانيسمي Chlorella protothecoides و Rhizobium etli اصلاح شدند. شبيهسازي رشد R. etli بر روي منابع متداول نيتروژن (NH₃، NO₂- و NO₃-) در نرخ مصرف سوكسينات mmol.gDW-1.h-1 16/4 نشان داد كه آمونيوم بيشترين نرخ رشد (h⁻¹ 259/0) را ايجاد ميكند. براي شبيهسازي حالت تثبيت نيتروژن (ازت) در مدل متابوليكي باكتري، با توجه به اينكه اين باكتري در اين شرايط به دو زيرجمعيت تقسيم ميشود، يك مدل نوآورانه دو جمعيتي شامل سلولهاي رشدكننده و سلولهاي غيررشدكننده تثبيتكننده نيتروژن توسعه داده شد. نتايج مدلسازي اين جمعيت دوعضوي با روش نوآورانه XFBA (توسعهيافته از FBA با در نظر گرفتن فراواني نسبي اعضا بدون الزام به فرض نرخ رشد برابر) نشان داد كه در فراواني نسبي اعضا 9:1 (تثبيتكننده به رشدكننده)، فعال شدن تثبيت نيتروژن موجب كاهش نرخ رشد به h⁻¹ 1933/0 ميشود. همچنين، آناليز مولفههاي اصلي (PCA) نشان داد كه مسيرهاي فسفريلاسيون اكسيداتيو، چرخه TCA و گليكوليز بيشترين نقش را در تغيير توزيع فلاكسها تحت منابع مختلف نيتروژن دارند. در نهايت، براي مدلسازي جامعه ميكروجلبك-باكتري با حداقل نياز به سوبسترا داراي تعامل همزيستي (ميكروجلبك با دريافت نور از محيط و آمونيوم از باكتري ديازوتروف همزيست رشد كرده و براي باكتري منبع كربني (سوكسينات) جهت رشد و تثبيت نيتروژن تامين ميكند) با اتصال مدلهاي ميكروجلبك و باكتري، رفتار جامعه ميكروجلبك-باكتري در دو حالت رشد متوازن (بيانگر كموستات) و رشد غيرمتوازن ديناميكي (بيانگر Batch) با استفاده از XFBA بررسي شد. براي جلوگيري از حذف يكي از اعضا در شرايط رشد نامتوازن، يك محدوديت جديد بهصورت نسبت فلاكس آمونيوم تبادلي از باكتري به نرخ رشد باكتري بهعنوان ضريب k تعريف شد و مقدار بهينه k=30 بهدست آمد. نتايج نشان داد كه در شرايط غيرمتوازن، نرخ رشد ميكروجلبك بهطور محسوسي بالاتر از رشد متوازن است (h⁻¹ 043/0 نسبت به h⁻¹ 028/ در نور ورودي mmol.gDW-1.h-1 30). همچنين، اعمال تصحيح شدت نور بر اساس قانون بير–لامبرت و در نظر گرفتن افزايش تدريجي غلظت زيستتوده، موجب بهبود انطباق نتايج شبيهسازي ديناميكي با روندهاي تجربي شد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/04
عنوان به انگليسي
Application of Metabolic Flux Analysis for the evaluation and Improvement of Microbial Community Performance (Microalgae–Diazorophic Bacteria)
تاريخ بهره برداري
4/22/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
مريم افرين
چكيده به لاتين
In recent years, microbial communities have attracted increasing attention compared to pure cultures due to their higher stability and lower susceptibility to contamination. One of the effective tools for analyzing and predicting the behavior of such communities is metabolic modeling. In this study, the capabilities and limitations of three algorithms, Flux Balance Analysis (FBA), community FBA (cFBA), and SteadyCom, were first evaluated in simulating the metabolic behavior of five types of microbial interactions (commensalism, competition, mutualism, commensalism–competition, and mutualism–competition) using simple two-member models. The results showed that in commensal interactions, all three methods provide consistent predictions, whereas in competitive interactions only the member with higher growth efficiency survives, indicating that the use of suboptimal solutions or the incorporation of experimentally based constraints is necessary to obtain realistic results. In mutualistic interactions, FBA predicts the growth of only one member while requiring an exchanged metabolite from the non-growing partner, which represents a modeling inconsistency. In contrast, cFBA and SteadyCom successfully captured mutualistic behavior by predicting lower growth rates and stable coexistence of community members. Subsequently, to model a real microalgae–bacteria community, the metabolic models of Chlorella protothecoides and Rhizobium etli were refined. Simulation of R. etli growth on common nitrogen sources (NH₃, NO₂⁻, and NO₃⁻) at a fixed succinate uptake rate of 4.16 mmol•gDW⁻¹•h⁻¹ showed that ammonium supports the highest growth rate (0.259 h⁻¹). To represent nitrogen fixation, a novel two-population model consisting of growing cells and non-growing nitrogen-fixing cells was developed. Results obtained using the innovative XFBA approach (an extension of FBA incorporating species abundances) indicated that at a 1:9 abundance ratio (fixing to growing cells), activation of nitrogen fixation reduces the growth rate to 0.1933 h⁻¹. Principal component analysis (PCA) further revealed that oxidative phosphorylation, the TCA cycle, and glycolysis play the dominant roles in flux redistribution under different nitrogen sources. Finally, by coupling the microalgal and bacterial models, the behavior of the microalgae–bacteria community was investigated under balanced growth (chemostat) and dynamic unbalanced growth (batch) conditions using XFBA. To prevent the elimination of one member under unbalanced growth, a new constraint was introduced as the ratio of exchanged ammonium flux to bacterial growth rate, defined as the k parameter, with an optimal value of k = 30. The results showed that under batch conditions, the microalgal growth rate is significantly higher than under balanced growth (0.043 h⁻¹ vs. 0.028 h⁻¹ at an incident light intensity of 30 mmol•gDW⁻¹•h⁻¹). Moreover, correcting light intensity based on the Beer–Lambert law and accounting for the gradual increase in biomass concentration improved the agreement between dynamic simulation results and experimental observations.
كليدواژه هاي فارسي
مدلسازي متابوليكي , جامعه ميكروبي , ميكروجلبك , باكتري ديازوتروف
كليدواژه هاي لاتين
Metabolic modeling , Flux balance analysis , Microbial community , Microalgae , Diazotrophic bacteria
Author
Maryam Afarin
SuperVisor
Dr. Fereshteh Naeimpoor