JP4742528B2 - Analysis method of intracellular metabolic flux using isotope-labeled substrate - Google Patents

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Description

本発明は代謝フラックス(流束)を解析する方法、すなわち代謝フラックス解析方法、その方法のプログラム、および、そのプログラムを記録した記録媒体に関する。更に詳しくは、同位体標識物質を用いる代謝フラックス解析方法、その方法のプログラム、および、そのプログラムを記録した記録媒体に関する。   The present invention relates to a method for analyzing metabolic flux (flux), that is, a metabolic flux analysis method, a program for the method, and a recording medium on which the program is recorded. More specifically, the present invention relates to a metabolic flux analysis method using an isotope-labeled substance, a program for the method, and a recording medium on which the program is recorded.

代謝フラックス解析方法は、細胞内での代謝物質や同位体標識化合物のバランスを解析すること、核磁気共鳴法(NMR)あるいは質量分析(MS)などの分析手法を用いて、同位体化合物のトレース実験を行うことによって、定量的に細胞内の代謝フラックスの決定を行う方法であって、対象細胞の代謝反応経路中での各代謝物の量比(カーボンバランス)を化学量論的に解析する手法として近年注目されている(非特許文献1)。   Metabolic flux analysis is a method for analyzing the balance of metabolites and isotope-labeled compounds in cells, and for isotopic compound tracing using analytical techniques such as nuclear magnetic resonance (NMR) or mass spectrometry (MS). A method for quantitatively determining intracellular metabolic flux by conducting experiments, and analyzing the stoichiometric ratio (carbon balance) of each metabolite in the metabolic reaction pathway of the target cell. In recent years, it has attracted attention as a technique (Non-Patent Document 1).

代謝フラックス解析に適用する、正確な解析手法を開発すべく、種々の研究が行われている。同位体標識をした基質を用いた代謝フラックス解析に関する理論については、多くの研究報告があり、確立してきている(非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4、非特許文献5)。代謝フラックス解析法の確立のために多くの実験が行われているが、正確な解析精度を得るため、理想的条件である合成培地を使用した連続培養法による研究が一般的である(非特許文献6)。また、より実用的な培養法である回分培養で代謝フラックス解析をしている例も一部には報告されているが、培地中に排出された幾つかの物質の同位体分布の測定が行われているのみであり、菌体内物質の同位体分布測定に基づく計算は全くなされていない。(非特許文献7)。一方、特許文献1、特許文献2または特許文献3に開示されているように、理論的に代謝フラックスを予測する試みも多数なされているが、応用例などの実用的な観点からは、同位体標識基質を用いた代謝フラックス解析法に大きく及ばない(非特許文献8、非特許文献9)。
メタボリック・エンジニアリング(Metabolic Engineering), 2001年, 第3巻, p.265-283 バイオテクノロジー・アンド・バイオエンジニアリング(Biotechnology and Bioengineering), 1997年, 第55巻, p.101-117 バイオテクノロジー・アンド・バイオエンジニアリング(Biotechnology and Bioengineering), 1997年, 第55巻, p.118-135 Biotechnology and Bioengineering, 1999年, 第66巻, p.69-85 バイオテクノロジー・アンド・バイオエンジニアリング(Biotechnology and Bioengineering), 1999年, 第66巻, p.86-103 ジャーナル・オブ・バイオロジカル・ケミストリー(Journal of Biological Chemistry), 2000年, 第275巻, p.35932-35941 ユーロピアン・ジャーナル・オブ・バイオケミストリー(European Journal of Biochemistry), 2001年, 第268巻, p.2441-2455 国際公開第WO 00/46405号パンフレット 国際公開第WO 02/061115号パンフレット 国際公開第WO 02/055995号パンフレット ジャーナル・オブ・バイオテクノロジー(Journal of Biotechnology), 2002年, 第94巻, p.37-63 メタボリック・エンジニアリング(Metabolic Engineering), 2001年, 第3巻, p.195-205
Various studies have been conducted in order to develop an accurate analysis method applied to metabolic flux analysis. There have been many research reports regarding the theory of metabolic flux analysis using isotope-labeled substrates (Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 5). Many experiments have been conducted to establish a metabolic flux analysis method, but in order to obtain accurate analysis accuracy, research using a continuous culture method using a synthetic medium, which is an ideal condition, is common (non-patented). Reference 6). Although some examples of metabolic flux analysis in batch culture, a more practical culture method, have been reported, measurement of the isotopic distribution of some substances excreted in the medium has been performed. The calculation based on the isotope distribution measurement of the intracellular substance is not made at all. (Non-patent document 7). On the other hand, as disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2 or Patent Document 3, many attempts have been made theoretically to predict metabolic flux. From a practical viewpoint such as application examples, isotopes This is far from the metabolic flux analysis method using a labeled substrate (Non-Patent Document 8, Non-Patent Document 9).
Metabolic Engineering, 2001, Volume 3, p.265-283 Biotechnology and Bioengineering, 1997, Vol. 55, p.101-117 Biotechnology and Bioengineering, 1997, 55, p.118-135 Biotechnology and Bioengineering, 1999, 66, p.69-85 Biotechnology and Bioengineering, 1999, 66, p.86-103 Journal of Biological Chemistry, 2000, 275, p.35932-35941 European Journal of Biochemistry, 2001, Vol. 268, p.2441-2455 International Publication No. WO 00/46405 Pamphlet International Publication No. WO 02/061115 Pamphlet International Publication No. WO 02/055995 Pamphlet Journal of Biotechnology, 2002, 94, p.37-63 Metabolic Engineering, 2001, Volume 3, p.195-205

これまでの技術では、通常の実験あるいは実際の工業生産に用いる培養方法あるいは培地における、実際の状態を反映した正確な代謝フラックス分布を予測することは困難であった。特に、同位体標識化合物を用いて行う代謝フラックス解析においては、非標識の基質が混入するために発生する誤差を許容せざるを得ないのが現状である。実際の工業生産の場においては多くの場合、初期増殖速度を高くするために、窒素源や炭素源を含む天然原料由来の栄養素が培地に添加されており、これらの非標識炭素の影響を補正した、より精度の高い代謝フラックス解析法が望まれている。本発明は、解析誤差の少ない、同位体標識化合物を用いて行う代謝フラックス解析法、同位体標識化合物を用いて行う代謝フラックス解析における解析誤差を小さくする方法、前記方法を実行するためのプログラム及び前記プログラムを格納した記録媒体を提供するものである。   Until now, it has been difficult to predict an accurate metabolic flux distribution reflecting the actual state in a culture method or medium used for normal experiments or actual industrial production. In particular, in metabolic flux analysis performed using isotope-labeled compounds, the current situation is that errors that occur due to contamination with unlabeled substrates must be allowed. In actual industrial production, in many cases, nutrients derived from natural materials including nitrogen and carbon sources are added to the medium to increase the initial growth rate, and the effects of these unlabeled carbons are corrected. Therefore, a more accurate metabolic flux analysis method is desired. The present invention relates to a metabolic flux analysis method using an isotope-labeled compound with little analysis error, a method for reducing analysis error in a metabolic flux analysis performed using an isotope-labeled compound, a program for executing the method, and A recording medium storing the program is provided.

本発明者らは、上記問題点に鑑み、鋭意検討を行った結果、同位体標識化合物を用いて行う代謝フラックス解析において、解析誤差を小さくする方法を見出した。すなわち、解析する細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデルに基づいて、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の分析値から細胞内代謝フラックスを決定する方法において、特定の補正または仮定を行うことが、解析誤差を小さくするのに有効であることを見出した。   In view of the above problems, the present inventors have conducted intensive studies, and as a result, have found a method for reducing analysis errors in metabolic flux analysis using an isotope-labeled compound. That is, based on the intracellular metabolic flux model constructed for the intracellular metabolic flux to be analyzed, the intracellular metabolic flux is determined from the analytical value of the cells cultured in a medium containing a substrate labeled with an isotope as a carbon source. It has been found that making specific corrections or assumptions in the method is effective in reducing analysis errors.

より詳しくは、非標識化合物の影響を、細胞タンパク質と細胞内アミノ酸プールとの間でおこる交換反応を考慮した補正を行うことにより、解析誤差を小さくできることを見出した。   More specifically, it has been found that the analysis error can be reduced by correcting the influence of the unlabeled compound in consideration of the exchange reaction occurring between the cellular protein and the intracellular amino acid pool.

また、生育向上などを目的とした非標識化合物の取り込みおよび分解経路を含めた計算式を構築して、それら非標識化合物の各種細胞内物質の同位体分布に与える影響を考慮することにより、解析精度を向上させることができることを見出した。   In addition, by constructing formulas that include uptake and degradation pathways of unlabeled compounds for the purpose of improving growth and taking into account the effects of these unlabeled compounds on the isotope distribution of various intracellular substances, It has been found that the accuracy can be improved.

また、カーボンバランスの計算にあたり、同位体標識基質以外の主要カーボン源である二酸化炭素の取り込みについて検討した結果、細胞が同位体標識基質を消費して発生した二酸化炭素の濃度は非常に高く、培養液中の二酸化炭素分圧は全て細胞が排出した二酸化炭素としてカーボンバランスの算出が行えることを見出した。   In addition, as a result of studying the uptake of carbon dioxide, which is the main carbon source other than the isotope-labeled substrate, in the calculation of the carbon balance, the concentration of carbon dioxide generated when the cells consumed the isotope-labeled substrate was very high, and the culture It was found that carbon balance can be calculated as carbon dioxide partial pressure in the liquid as carbon dioxide exhausted by cells.

さらに、細胞タンパク質加水分解アミノ酸の同位体分布の分析値を用いて代謝フラックスを計算する際に、培地に添加される非標識炭素からなる化合物の細胞タンパク質への取り込みを補正することが有効であることを見出した。   In addition, it is effective to correct the uptake of compounds consisting of unlabeled carbon added to the medium into cellular proteins when calculating metabolic flux using analytical values of isotope distribution of cellular protein hydrolyzed amino acids. I found out.

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。   The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.

(1)解析する細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデルに
基づいて、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の分析値から細胞内代謝フラックスを決定することを含む、細胞内代謝フラックスの解析方法であって、
下記の(a)〜(c)の少なくとも一つを満たす前記方法。
(a)細胞の分析値は、細胞内代謝フラックスモデルに含まれる細胞内代謝物の同位体分布の分析値を含み、細胞内代謝物の同位体分布の分析値は、細胞内代謝物と細胞内代謝物が取り込まれて生じる細胞構成成分との間の合成と分解の度合いにより補正される。
(b)細胞内代謝フラックスモデルは、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体を含み、細胞の分析値は、培地中の、細胞内代謝物と同じ化合物であって、同位体で標識されていない化合物の細胞への取り込み速度、並びに、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布の分析値を含み、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布の分析値は、取り込み速度から細胞構成成分に取り込まれる速度を減じた速度を代謝経路への速度と仮定し、その代謝経路への速度による有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布に及ぼす影響により補正される。
(c)細胞内代謝フラックスモデルは、二酸化炭素の固定反応および二酸化炭素の発生反応を含み、固定反応で使用される二酸化炭素を、発生反応で発生した二酸化炭素と仮定する。
(1) Based on the intracellular metabolic flux model constructed for the intracellular metabolic flux to be analyzed, the intracellular metabolic flux is determined from the analysis value of cells cultured in a medium containing a substrate labeled with an isotope as a carbon source. A method for analyzing intracellular metabolic flux, comprising:
The said method satisfy | fills at least one of following (a)-(c).
(A) The analysis value of the cell includes the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite included in the intracellular metabolic flux model, and the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite includes the intracellular metabolite and the cell. It is corrected according to the degree of synthesis and degradation between the cellular constituents produced by taking up internal metabolites.
(B) The intracellular metabolic flux model includes a useful compound and / or its main metabolic intermediate, and the analysis value of the cell is the same compound as the intracellular metabolite in the medium and is labeled with an isotope. Including the rate of uptake of the non-compound into the cell and the analysis of the isotope distribution of the useful compound and / or its main metabolic intermediate, Assuming that the rate of uptake minus the rate of uptake by cellular components is the rate into the metabolic pathway, it is corrected by the effect on the isotopic distribution of useful compounds and / or their major metabolic intermediates Is done.
(C) The intracellular metabolic flux model includes a carbon dioxide fixation reaction and a carbon dioxide generation reaction, and the carbon dioxide used in the fixation reaction is assumed to be carbon dioxide generated in the generation reaction.

(2)(a)を満たし、かつ、細胞内代謝物の同位体分布の分析値が、細胞内代謝フラックスモデルを、細胞内代謝物とその細胞内代謝物が取り込まれて生じる細胞構成成分との交換反応を含むものとし、細胞の分析値に、細胞内代謝物及び細胞構成成分の分解物の同位体分布の分析値を含ませることにより補正される(1)記載の方法。 (2) Satisfying (a), and the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite is the intracellular metabolic flux model, the intracellular metabolite and the cellular constituents produced by the incorporation of the intracellular metabolite The method according to (1), wherein the analysis value of the cell is corrected by including the analysis value of the isotope distribution of the degradation product of the intracellular metabolite and the cell component in the analysis value of the cell.

(3)(a)を満たし、かつ、細胞内代謝物の同位体分布の分析値が、1)細胞内代謝物の同位体分布と細胞構成成分の分解物の同位体分布を測定する工程、2)工程1)で得られた結果から最適化アルゴリズムを用いて、細胞内代謝物と細胞構成成分との合成と分解との度合いを最適化する工程により補正される(1)記載の方法。 (3) satisfying (a), and the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite is 1) measuring the isotope distribution of the intracellular metabolite and the isotope distribution of the decomposition product of the cell component, 2) The method according to (1), wherein the method is corrected by a step of optimizing the degree of synthesis and decomposition of intracellular metabolites and cell components using the optimization algorithm from the result obtained in step 1).

(4)合成と分解の度合いを交換反応係数で定義される変数として表現する(3)記載の方法。 (4) The method according to (3), wherein the degree of synthesis and decomposition is expressed as a variable defined by an exchange reaction coefficient.

(5)最適化アルゴリズムが進化アルゴリズムである(3)又は(4)に記載の方法。 (5) The method according to (3) or (4), wherein the optimization algorithm is an evolution algorithm.

(6)細胞内代謝物がアミノ酸及び/又は有機酸であり、かつ細胞構成成分がタンパク質である(3)〜(5)のいずれかに記載の方法。 (6) The method according to any one of (3) to (5), wherein the intracellular metabolite is an amino acid and / or an organic acid, and the cell component is a protein.

(7)(a)を満たし、かつ、細胞構成成分の分解物の同位体分布の分析値が、培地中の、細胞内代謝物と同じ化合物であって、同位体で標識されていない化合物の細胞構成成分への取り込みの影響により補正される(2)〜(6)のいずれかに記載の方法。 (7) A compound that satisfies (a) and whose analysis value of the isotope distribution of the degradation product of the cell component is the same compound as the intracellular metabolite in the medium and is not labeled with an isotope The method according to any one of (2) to (6), which is corrected by the influence of uptake into cell components.

(8)同位体で標識されていない化合物がアミノ酸である(7)記載の方法。 (8) The method according to (7), wherein the compound not labeled with an isotope is an amino acid.

(9)(b)を満たし、かつ、同位体で標識されていない化合物がアミノ酸である(1)記載の方法。 (9) The method according to (1), wherein the compound that satisfies (b) and is not labeled with an isotope is an amino acid.

(10)アミノ酸がイソロイシンである(9)記載の方法。 (10) The method according to (9), wherein the amino acid is isoleucine.

(11)細胞が、有用化合物の生産能を保持する微生物である、(1)〜(10)のいずれかに記載の方法。 (11) The method according to any one of (1) to (10), wherein the cell is a microorganism that retains the ability to produce useful compounds.

(12)有用化合物がアミノ酸及び/又は有機酸である、(11)記載の方法。 (12) The method according to (11), wherein the useful compound is an amino acid and / or an organic acid.

(13)培養が回分培養又は流加培養である、(1)〜(12)のいずれかに記載の方法。 (13) The method according to any one of (1) to (12), wherein the culture is batch culture or fed-batch culture.

(14)細胞内代謝物がアミノ酸及び/もしくは有機酸並びに/又はその主要代謝中間体である、(1)〜(13)のいずれかに記載の方法。 (14) The method according to any one of (1) to (13), wherein the intracellular metabolite is an amino acid and / or an organic acid and / or a main metabolic intermediate thereof.

(15)同位体分布が質量分析により測定される、(1)〜(14)のいずれかに記載の方法。 (15) The method according to any one of (1) to (14), wherein the isotope distribution is measured by mass spectrometry.

(16)解析する細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデルを記憶する手段、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の分析値を入力する手段、細胞内代謝フラックスモデルおよび細胞の分析値に基づき細胞内代謝フラックスモデルの変数を決定し、細胞内代謝フラックスを決定する手段、ならびに、決定された細胞内代謝フラックスを出力する手段としてコンピューターを機能させるためのプログラムであって、下記(a)〜(c)の少なくとも一つを満たすように、細胞内代謝フラックスモデルが構築され、および/または、細胞内代謝フラックスモデルの変数が算出される前記プログラム。
(a)細胞の分析値は、細胞内代謝フラックスモデルに含まれる細胞内代謝物の同位体分布の分析値を含み、細胞内代謝物の同位体分布の分析値は、細胞内代謝物と細胞内代謝物が取り込まれて生じる細胞構成成分との間の合成と分解の度合いにより補正される。
(b)細胞内代謝フラックスモデルは、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体を含み、細胞の分析値は、培地中の、細胞内代謝物と同じ化合物であって、同位体で標識されていない化合物の細胞への取り込み速度、並びに、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布の分析値を含み、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布の分析値は、取り込み速度から細胞構成成分に取り込まれる速度を減じた速度を代謝経路への速度と仮定し、その代謝経路への速度による有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布に及ぼす影響により補正される。
(c)細胞内代謝フラックスモデルは、二酸化炭素の固定反応および二酸化炭素の発生反応を含み、固定反応で使用される二酸化炭素を、発生反応で発生した二酸化炭素と仮定する。
(16) Means for storing an intracellular metabolic flux model constructed with respect to an intracellular metabolic flux to be analyzed, means for inputting analysis values of cells cultured in a medium containing a substrate labeled with an isotope as a carbon source, cells In order to make the computer function as a means for determining the intracellular metabolic flux model based on the internal metabolic flux model and the analysis value of the cell, and for determining the intracellular metabolic flux and outputting the determined intracellular metabolic flux In the program, an intracellular metabolic flux model is constructed and / or a variable of the intracellular metabolic flux model is calculated so as to satisfy at least one of the following (a) to (c).
(A) The analysis value of the cell includes the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite included in the intracellular metabolic flux model, and the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite includes the intracellular metabolite and the cell. It is corrected according to the degree of synthesis and degradation between the cellular constituents produced by taking up internal metabolites.
(B) The intracellular metabolic flux model includes a useful compound and / or its main metabolic intermediate, and the analysis value of the cell is the same compound as the intracellular metabolite in the medium and is labeled with an isotope. Including the rate of uptake of the non-compound into the cell and the analysis of the isotope distribution of the useful compound and / or its main metabolic intermediate, Assuming that the rate of uptake minus the rate of uptake by cellular components is the rate into the metabolic pathway, it is corrected by the effect on the isotopic distribution of useful compounds and / or their major metabolic intermediates Is done.
(C) The intracellular metabolic flux model includes a carbon dioxide fixation reaction and a carbon dioxide generation reaction, and the carbon dioxide used in the fixation reaction is assumed to be carbon dioxide generated in the generation reaction.

(17)(16)に記載のプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 (17) A computer-readable recording medium on which the program according to (16) is recorded.

解析誤差の小さい、同位体標識化合物を用いて行う代謝フラックス解析の方法が提供される。   A metabolic flux analysis method using an isotope-labeled compound with a small analysis error is provided.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明における細胞内代謝フラックスとは、細胞内の化学反応の化学量論モデルと代謝物間の質量作用則から導かれる細胞内の代謝物の流束(フラックス)である。   The intracellular metabolic flux in the present invention is a flux (flux) of intracellular metabolites derived from a stoichiometric model of chemical reaction in cells and a mass action law between metabolites.

本発明における細胞内代謝物とは、細胞内で代謝される物質である。細胞内代謝物については、その生化学反応とともに多くの知見が得られており、データベース化されている(例えば、Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)を参照のこと(http://www.genome.ad.jp/kegg/)。   The intracellular metabolite in the present invention is a substance metabolized in the cell. As for intracellular metabolites, a lot of knowledge has been obtained along with their biochemical reactions, and it has been databased (see, for example, Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) (http: //www.genome .ad.jp / kegg /).

本発明における細胞構成成分とは、細胞を構成する物質であって、細胞内代謝物が取り込まれて生じる物質である。例えば、タンパク質、炭水化物、核酸、脂質等の物質である。また、細胞構成成分の分解物とは、それに取り込まれる細胞内代謝物と同じレベルの分解物を意味する。例えば、細胞構成成分が、アミノ酸が取り込まれて生じるタンパク質である場合には分解物はアミノ酸である。本明細書においては、細胞構成成分が、アミノ酸が取り込まれて生じるタンパク質である場合、特に、それを細胞タンパク質ともいう。また、細胞タンパク質の分解物であるアミノ酸を細胞タンパク質加水分解アミノ酸ともいう。   The cell component in the present invention is a substance that constitutes a cell, and is a substance that is produced by taking up an intracellular metabolite. For example, substances such as proteins, carbohydrates, nucleic acids and lipids. Moreover, the degradation product of a cell component means the degradation product of the same level as the intracellular metabolite taken in by it. For example, when the cell constituent is a protein produced by taking up amino acids, the degradation product is an amino acid. In the present specification, when the cell constituent component is a protein produced by incorporating an amino acid, it is also referred to as a cell protein. An amino acid that is a degradation product of cellular protein is also referred to as cellular protein hydrolyzed amino acid.

本発明における解析対象となる細胞としては、どのようなものも対象となるが、とりわけ物質生産に用いられる細胞、例えば、各種培養細胞、カビ、酵母、各種バクテリア等が挙げられる。好ましくは、有用化合物、例えばアミノ酸、核酸、または有機酸を産生する能力を保持する微生物である。アミノ酸、核酸、または有機酸の生産能を保持する微生物としては、例えば、大腸菌、バチルス属細菌、コリネ型細菌などが好適に用いられる。   The cell to be analyzed in the present invention is any cell, and in particular, cells used for substance production, such as various cultured cells, mold, yeast, various bacteria and the like. Preferred are microorganisms that retain the ability to produce useful compounds such as amino acids, nucleic acids, or organic acids. As microorganisms that retain the ability to produce amino acids, nucleic acids, or organic acids, for example, Escherichia coli, Bacillus bacteria, coryneform bacteria, and the like are preferably used.

本発明における同位体とは、通常には安定同位体であるが、放射性の同位体も同様の目的に使用することが出来る。同位体で標識された基質としては、同位体で標識されたグルコース、より詳しくは一位の炭素が安定同位体で標識されたグルコースおよび/又はすべての炭素が安定同位体で標識されたグルコースが挙げられる。同位体としては、13Cが挙げられる。 The isotope in the present invention is usually a stable isotope, but a radioactive isotope can be used for the same purpose. The substrate labeled with an isotope includes glucose labeled with an isotope, more specifically, glucose labeled with a stable isotope at the first carbon and / or glucose labeled with a stable isotope. Can be mentioned. An isotope includes 13 C.

本発明における細胞内代謝フラックスモデルは、解析する代謝フラックスに関して構築されたものであれば、特に限定されず、通常の構築方法に従って構築された細胞内代謝フラックスモデルでよい。代謝フラックスに関して構築されるとは、解析する代謝フラックスの反応(反応経路)が、構築された細胞内代謝フラックスモデルに含まれることを意味する。   The intracellular metabolic flux model in the present invention is not particularly limited as long as it is constructed with respect to the metabolic flux to be analyzed, and may be an intracellular metabolic flux model constructed according to a normal construction method. Constructed with respect to metabolic flux means that the metabolic flux reaction (reaction path) to be analyzed is included in the constructed intracellular metabolic flux model.

代謝フラックスに関する細胞内代謝フラックスモデルの構築方法の例としては、Metabolic Engineering 3, 265-283, 2001(非特許文献1)、Wiechert, W. and de Graaf, A. A. Biotechnology and Bioengineering 55,101-117, 1997(非特許文献2)、Metabolic Engineering 3, 195-205, 2001(非特許文献9)、Metabolic Engineering 3, 173-191, 2001、Biotechnology and Bioengineering 55,831-840,等の方法が挙げられる。   Examples of a method for constructing an intracellular metabolic flux model relating to metabolic flux include Metabolic Engineering 3, 265-283, 2001 (Non-patent Document 1), Wiechert, W. and de Graaf, AA Biotechnology and Bioengineering 55, 101-117, 1997 ( Non-Patent Document 2), Metabolic Engineering 3, 195-205, 2001 (Non-Patent Document 9), Metabolic Engineering 3, 173-191, 2001, Biotechnology and Bioengineering 55, 831-840, and the like.

代謝フラックスを解析する反応経路としては、細胞内主要代謝経路であればいずれでもよいが、とりわけ、解糖系、TCA回路、ペントースリン酸経路、各種アミノ酸合成固有経路については微生物醗酵による有用化合物生産の実用性から重要であることから、これらを含めることが好ましい。   The reaction pathway for analyzing metabolic flux may be any of the major intracellular metabolic pathways. In particular, glycolysis, TCA cycle, pentose phosphate pathway, and various amino acid synthesis specific pathways are useful for producing useful compounds by microbial fermentation. These are preferably included because they are important for practical use.

細胞内代謝フラックスモデルの構築においては、分岐のない一連の反応を一つの反応として扱う、代謝速度の速い反応により変換される反応前後の代謝物を一つの代謝物として扱うなど、反応経路の簡略化を行ってもよい。   In the construction of an intracellular metabolic flux model, the reaction pathway is simplified, such as treating a series of reactions without branching as one reaction, and treating metabolites before and after the reaction converted by a reaction with a high metabolic rate as one metabolite. May also be performed.

細胞の分析値とは、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の測定可能な分析値であり、例えば、代謝物における同位体分布の分析値の他、菌体生成速度、有用物質生産速度などが挙げられる。同位体分布の分析値は、同位体分布を反映する分析値であればよく、例えば、アイソトポマー分布ベクトル(Biotechnology and Bioengineering 55,831-840)、質量分布ベクトル(Biotechnology and Bioengineering 62,739-750)などが挙げられる。質量分析で測定できる点では、質量分布ベクトルが好ましい。   The analysis value of a cell is a measurable analysis value of a cell cultured in a medium containing a substrate labeled with an isotope as a carbon source. For example, in addition to an analysis value of an isotope distribution in a metabolite, a bacterial cell Examples include production rate and production rate of useful substances. The analysis value of the isotope distribution may be an analysis value reflecting the isotope distribution, and examples thereof include an isotopomer distribution vector (Biotechnology and Bioengineering 55,831-840) and a mass distribution vector (Biotechnology and Bioengineering 62,739-750). . A mass distribution vector is preferable in that it can be measured by mass spectrometry.

炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の分析値から細胞内代謝フラックスを決定する工程は、通常に用いられる決定方法に従って決定することができる。分析値が同位体分布の分析値を含む場合には、通常には、アイソトポマーのバランス式を用いて決定が行われる(例えば、Biotechnology and Bioengineering 66, 69-85, 1999(非特許文献4)参照)。   The step of determining the intracellular metabolic flux from the analytical value of cells cultured in a medium containing a substrate labeled with an isotope as a carbon source can be determined according to a commonly used determination method. When the analysis value includes an analysis value of an isotope distribution, the determination is usually performed using an isotopomer balance equation (see, for example, Biotechnology and Bioengineering 66, 69-85, 1999 (Non-patent Document 4)). ).

細胞の分析値が、代謝フラックスモデルにおける変数を計算する(代謝フラックスモデルが化学量論行列で表されるときには解を得る)のに十分な場合には、細胞の分析値に基づき代謝フラックスモデルにおける変数を決定し、これにより代謝フラックスを決定することができる。細胞の分析値が、代謝フラックスモデルにおける変数を計算するのに十分でない場合には、通常、代謝フラックスモデルにおける同位体分布の他の変数の一部を自由変数として、自由変数、同位体分布の分析値以外の細胞の分析値、および、用いた基質における標識の様式(同位体の位置および数ならびにこれらが異なる複数の基質を用いる場合にはそれら基質の割合)に基づいて代謝フラックスモデルから計算される同位体分布の計算値と、同位体分布の分析値との比較に基づく最適化を行い、代謝フラックスモデルにおける変数を決定し、これにより代謝フラックスを決定することができる。このような最適化の方法の例としては、Metabolic Engineering 3, 265-283, 2001(非特許文献1)、Biotechnology and Bioengineering 55, 118-135, 1997(非特許文献3)、Biotechnology and Bioengineering 66, 69-85, 1999(非特許文献4)等に記載された方法が挙げられる。   If the analysis value of the cell is sufficient to calculate the variables in the metabolic flux model (to obtain a solution when the metabolic flux model is represented by a stoichiometric matrix), Variables can be determined, thereby determining metabolic flux. If the analytical value of the cells is not sufficient to calculate the variables in the metabolic flux model, usually some of the other variables of the isotope distribution in the metabolic flux model are free variables, Calculated from metabolic flux model based on analysis values of cells other than analysis values, and labeling method (position and number of isotopes, and ratio of substrates when using multiple different substrates) on the substrate used Optimization based on the comparison between the calculated value of the isotope distribution and the analysis value of the isotope distribution is performed to determine the variables in the metabolic flux model, thereby determining the metabolic flux. Examples of such optimization methods include Metabolic Engineering 3, 265-283, 2001 (Non-Patent Document 1), Biotechnology and Bioengineering 55, 118-135, 1997 (Non-Patent Document 3), Biotechnology and Bioengineering 66, 69-85, 1999 (nonpatent literature 4) etc. are mentioned.

炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞における代謝物の同位体分布の分析値から細胞内代謝フラックスを決定する工程における、基質の標識の様式は通常の方法により決定することができる(例えば、Biotechnology and Bioengineering
66, 86-103, 1999(非特許文献5)、European Journal of Biochemistry 268, 2441-2455, 2001(非特許文献7)参照)。
In the process of determining the intracellular metabolic flux from the analysis value of the isotope distribution of metabolites in cells cultured in a medium containing an isotope-labeled substrate as a carbon source, the method of labeling the substrate is determined by a conventional method. (E.g. Biotechnology and Bioengineering
66, 86-103, 1999 (non-patent document 5), European Journal of Biochemistry 268, 2441-2455, 2001 (non-patent document 7)).

本発明の方法は、解析する細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデルに基づいて、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の分析値から細胞内代謝フラックスを解析する方法において、下記の(a)〜(c)の条件の少なくとも一つを満たすことを特徴とする。   The method of the present invention is based on an intracellular metabolic flux model constructed with respect to an intracellular metabolic flux to be analyzed. From the analysis value of a cell cultured in a medium containing a substrate labeled with an isotope as a carbon source, the intracellular metabolism is determined. In the method of analyzing a flux, at least one of the following conditions (a) to (c) is satisfied.

(a)細胞の分析値は、細胞内代謝フラックスモデルに含まれる細胞内代謝物の同位体分布の分析値を含み、細胞内代謝物の同位体分布の分析値は、細胞内代謝物と細胞内代謝物が取り込まれて生じる細胞構成成分との間の合成と分解の度合いにより補正される。 (A) The analysis value of the cell includes the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite included in the intracellular metabolic flux model, and the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite includes the intracellular metabolite and the cell. It is corrected according to the degree of synthesis and degradation between the cellular constituents produced by taking up internal metabolites.

(b)細胞内代謝フラックスモデルは、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体を含み、細胞の分析値は、培地中の、細胞内代謝物と同じ化合物であって、同位体で標識されていない化合物の細胞への取り込み速度、並びに、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布の分析値を含み、有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布の分析値は、取り込み速度から細胞構成成分に取り込まれる速度を減じた速度を代謝経路への速度と仮定し、その代謝経路への速度による有用化合物及び/又はその主要代謝中間体の同位体分布に及ぼす影響により補正される。 (B) The intracellular metabolic flux model includes a useful compound and / or its main metabolic intermediate, and the analysis value of the cell is the same compound as the intracellular metabolite in the medium and is labeled with an isotope. Including the rate of uptake of the non-compound into the cell and the analysis of the isotope distribution of the useful compound and / or its main metabolic intermediate, Assuming that the rate of uptake minus the rate of uptake by cellular components is the rate into the metabolic pathway, it is corrected by the effect on the isotopic distribution of useful compounds and / or their major metabolic intermediates Is done.

(c)細胞内代謝フラックスモデルは、二酸化炭素の固定反応および二酸化炭素の発生反応を含み、固定反応で使用される二酸化炭素を、発生反応で発生した二酸化炭素と仮定する。 (C) The intracellular metabolic flux model includes a carbon dioxide fixation reaction and a carbon dioxide generation reaction, and the carbon dioxide used in the fixation reaction is assumed to be carbon dioxide generated in the generation reaction.

以下、各条件について説明する。
(a)は、代謝フラックスの計算に際して、細胞内代謝物(例えばアミノ酸)の同位体分布を、細胞生育期に構成された細胞内構成成分(例えば細胞タンパク質)の分解により生成される細胞内代謝物から受ける影響、すなわち、細胞内代謝物プールと細胞内構成成分の分解により生成される細胞内代謝物との交換反応を考慮して補正するものである。補正の方法は、細胞内代謝物の同位体分布の分析値を交換反応に基づき補正したものとしてもよいし、細胞内代謝フラックスモデルに交換反応を含ませてもよい。細胞内代謝フラックスモデルに交換反応を含ませる場合には、細胞内代謝フラックスモデルは、細胞内代謝物とその細胞内代謝物が取り込まれて生じる細胞構成成分との交換反応を含み、細胞の分析値は、細胞内代謝物及び細胞構成成分の分解物の同位体分布の分析値を含む。細胞内代謝フラックスモデルに交換反応を含ませる場合には、細胞内代謝物の同位体分布の分析値の補正値を直接的に使用するものではないが、代謝フラックスモデルに基づいて細胞内代謝フラックスを決定することにより、結果として細胞内代謝物の同位体分布の分析値が補正されたことになる。
Hereinafter, each condition will be described.
(A) shows the intracellular metabolism generated by decomposing intracellular constituents (for example, cellular proteins) formed in the cell growth phase based on the isotope distribution of intracellular metabolites (for example, amino acids) when calculating metabolic flux. The correction is made in consideration of the influence received from the product, that is, the exchange reaction between the intracellular metabolite pool and the intracellular metabolite generated by the decomposition of the intracellular constituent components. As a correction method, the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite may be corrected based on the exchange reaction, or the exchange reaction may be included in the intracellular metabolic flux model. When an exchange reaction is included in an intracellular metabolic flux model, the intracellular metabolic flux model includes an exchange reaction between an intracellular metabolite and a cellular component generated by the incorporation of the intracellular metabolite. The values include analysis values of isotope distributions of intracellular metabolites and cell component degradation products. When an exchange reaction is included in the intracellular metabolic flux model, the correction value of the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite is not directly used, but the intracellular metabolic flux is based on the metabolic flux model. As a result, the analytical value of the isotope distribution of the intracellular metabolite is corrected.

細胞内代謝物の同位体分布の補正の方法の具体例としては、細胞内代謝フラックスモデルを、細胞内代謝物とその細胞内代謝物が取り込まれて生じる細胞構成成分との交換反応を含むものとし、細胞の分析値に、細胞内代謝物及び細胞構成成分の分解物の同位体分布の分析値を含ませることが挙げられる。   As a specific example of a method for correcting the isotope distribution of intracellular metabolites, an intracellular metabolic flux model includes an exchange reaction between an intracellular metabolite and a cellular component produced by the incorporation of the intracellular metabolite. The analysis value of the cell includes the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite and the decomposition product of the cell component.

また、1)細胞内代謝物の同位体分布と細胞構成成分の分解物の同位体分布を測定する工程、2)工程1)で得られた結果から最適化アルゴリズムを用いて、細胞内代謝物と細胞構成成分との合成と分解との度合いを最適化する工程により補正することが挙げられる。この態様においては、合成と分解の度合いを交換反応係数で定義される変数として表現することが好ましい。また、最適化の方法としては、進化アルゴリズム(Journal of theoretical Biology 199, 45-61, 1999)等が挙げられるが、進化アルゴリズムが好ましい。この態様では、細胞内代謝物がアミノ酸及び/又は有機酸であり、かつ細胞構成成分がタンパク質であることが好ましい。   In addition, 1) a step of measuring isotope distribution of intracellular metabolites and isotope distribution of decomposition products of cell components, and 2) intracellular metabolites using an optimization algorithm from the results obtained in step 1). And a step of optimizing the degree of synthesis and decomposition of the cell constituents. In this embodiment, the degree of synthesis and decomposition is preferably expressed as a variable defined by an exchange reaction coefficient. Further, as an optimization method, an evolution algorithm (Journal of theoretical Biology 199, 45-61, 1999) and the like can be mentioned, and an evolution algorithm is preferable. In this embodiment, the intracellular metabolite is preferably an amino acid and / or an organic acid, and the cell constituent is preferably a protein.

細胞構成成分の分解物の同位体分布の分析値を用いる態様においては、細胞構成成分の分解物の同位体分布の分析値を、培地中の、細胞内代謝物と同じ化合物であって、同位体で標識されていない化合物の細胞構成成分への取り込みの影響を考慮して補正することが好ましい。例えば、細胞構成成分がタンパク質である場合には、細胞タンパク質加水分解アミノ酸の同位体分布の分析値を用いて代謝フラックスを計算する際に、培地中の、同位体で標識されていないアミノ酸の細胞タンパク質への取り込みを補正する。   In the embodiment using the analysis value of the isotope distribution of the degradation product of the cell component, the analysis value of the isotope distribution of the degradation product of the cell component is the same compound as the intracellular metabolite in the medium. It is preferable to correct in consideration of the influence of incorporation of a compound that is not labeled with the body into a cell constituent. For example, when the cell component is a protein, cells of amino acids not labeled with isotopes in the medium when calculating metabolic flux using the isotope distribution analysis value of cell protein hydrolyzed amino acids. Correct for protein uptake.

(b)は、培地中に、同位体で標識されていない、細胞内代謝物と同じ化合物が含有されるときに、それらが細胞に取り込まれる速度を分析し、取り込み速度から細胞構成成分に使用される速度を差し引いた残りの速度が分解経路に流れる流束であると仮定して、細胞内の有用化合物及び/又は主要代謝中間体の同位体分布に及ぼす影響を補正するものである。補正の方法は、細胞内代謝物の同位体分布の分析値を分解経路に流れる流束に基づき補正したものとしてもよいし、細胞内代謝フラックスモデルに上記流速を含ませてもよい。この態様では、同位体で標識されていない化合物がアミノ酸(好ましくはイソロイシン)であることが好ましい。   (B) When the same compounds as intracellular metabolites that are not labeled with isotopes are contained in the medium, the rate at which they are taken into cells is analyzed, and the rate of uptake is used as a cell component. Assuming that the remaining rate minus the applied rate is the flux flowing through the degradation pathway, it corrects the effect on the isotope distribution of useful compounds and / or major metabolic intermediates in the cell. As a correction method, the analysis value of the isotope distribution of the intracellular metabolite may be corrected based on the flux flowing in the decomposition path, or the flow rate may be included in the intracellular metabolic flux model. In this embodiment, the compound that is not labeled with an isotope is preferably an amino acid (preferably isoleucine).

本発明において、有用化合物とは、調味料、食品添加剤及び医薬などに有用な化合物を意味し、例としては、アミノ酸、有機酸、核酸が挙げられる。   In the present invention, the useful compound means a compound useful for seasonings, food additives, medicines and the like, and examples include amino acids, organic acids, and nucleic acids.

本発明において、主要代謝中間体とは、代謝フラックス解析モデルに含まれる全ての代謝中間体を意味し、例としては、ピルビン酸、グルコース-6-リン酸、フルクトース-6-リン酸、オキサロ酢酸等が挙げられる。   In the present invention, the main metabolic intermediate means all metabolic intermediates included in the metabolic flux analysis model. Examples include pyruvic acid, glucose-6-phosphate, fructose-6-phosphate, oxaloacetate. Etc.

(c)は、培養液中の二酸化炭素分圧は全て細胞が同位体標識基質を消費して排出した二酸化炭素と仮定してカーボンバランスを算出するものである。   (C) calculates the carbon balance on the assumption that the partial pressure of carbon dioxide in the culture medium is carbon dioxide discharged by the cells consuming the isotope-labeled substrate.

本発明では、以上のような条件を満たすことにより補正または仮定が行われる。これにより、同位体標識化合物を用いて行う代謝フラックス解析における解析誤差を小さくすることができる。   In the present invention, correction or assumption is performed by satisfying the above conditions. Thereby, the analysis error in the metabolic flux analysis performed using the isotope-labeled compound can be reduced.

本発明においては、細胞が、有用化合物の生産能を保持する微生物であることが好ましい。このような細胞としては、大腸菌、コリネ型細菌、バチルス属細菌が挙げられる。有用化合物はアミノ酸及び/又は有機酸であることが好ましい。   In the present invention, the cells are preferably microorganisms that retain the ability to produce useful compounds. Examples of such cells include Escherichia coli, coryneform bacteria, and Bacillus bacteria. Useful compounds are preferably amino acids and / or organic acids.

本発明においては、細胞の培養は回分培養又は流加培養であることが好ましい。回分培養とは、特定の栄養素を用いる閉鎖系の培養法であり、流加培養とは、培養系において注入培地に連続的又は間欠的に基質を添加する培養法である。本発明の解析方法は、培養が回分培養又は流加培養である場合に、解析誤差を小さくする効果が大きい。   In the present invention, cell culture is preferably batch culture or fed-batch culture. Batch culture is a closed culture method using specific nutrients, and fed-batch culture is a culture method in which a substrate is added continuously or intermittently to an infusion medium in the culture system. The analysis method of the present invention has a great effect of reducing the analysis error when the culture is batch culture or fed-batch culture.

本発明においては、細胞内代謝物がアミノ酸及び/もしくは有機酸並びに/又はその主要代謝中間体であることが好ましい。   In the present invention, the intracellular metabolite is preferably an amino acid and / or an organic acid and / or a main metabolic intermediate thereof.

本発明においては、同位体分布を質量分析により測定することが好ましい。   In the present invention, it is preferable to measure the isotope distribution by mass spectrometry.

本発明は、本発明の解析方法を実施するためのプログラムも提供する。本発明のプログラムは、解析する細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデルを記憶する手段、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の分析値を入力する手段、細胞内代謝フラックスモデルおよび細胞の分析値に基づき細胞内代謝フラックスモデルの変数を決定し、細胞内代謝フラックスを決定する手段、ならびに、決定された細胞内代謝フラックスを出力する手段としてコンピューターを機能させるためのプログラムであって、上記(a)〜(c)の少なくとも一つを満たすように、細胞内代謝フラックスモデルが構築され、および/または、細胞内代謝フラックスモデルの変数が算出されることを特徴とする。   The present invention also provides a program for implementing the analysis method of the present invention. The program of the present invention inputs means for storing an intracellular metabolic flux model constructed with respect to an intracellular metabolic flux to be analyzed, and an analysis value of cells cultured in a medium containing a substrate labeled with an isotope as a carbon source. A computer is used as a means for determining the intracellular metabolic flux model based on the means, the intracellular metabolic flux model and the analysis value of the cell, and for determining the intracellular metabolic flux, and for outputting the determined intracellular metabolic flux. A program for functioning, wherein an intracellular metabolic flux model is constructed and / or a variable of the intracellular metabolic flux model is calculated so as to satisfy at least one of the above (a) to (c) It is characterized by that.

また、本発明の別の態様は上記プログラムを記録したことを特徴とするコンピューター読み取り可能な記録媒体に関する。   Another embodiment of the present invention relates to a computer-readable recording medium characterized by recording the above program.

解析する細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデル、および、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の分析値については本発明の解析方法に関し説明した通りである。細胞内代謝フラックスモデルは、通常には、細胞内代謝フラックスモデルの表現に通常に使用されるデータの形式で記憶される。例えば、代謝フラックスモデルが化学量論行列で表されるときには、モデルのデータは行列として記憶される。分析値を入力する手段は、記憶媒体からまたは伝送媒体を介して転送する手段を包含する。   The intracellular metabolic flux model constructed for the intracellular metabolic flux to be analyzed, and the analysis value of the cells cultured in the medium containing the isotope-labeled substrate as the carbon source are as described for the analysis method of the present invention. It is. The intracellular metabolic flux model is usually stored in the form of data normally used to represent the intracellular metabolic flux model. For example, when a metabolic flux model is represented by a stoichiometric matrix, the model data is stored as a matrix. The means for inputting the analysis value includes means for transferring from the storage medium or via the transmission medium.

細胞内代謝フラックスモデルおよび細胞の分析値に基づき細胞内代謝フラックスモデルの変数を決定し、細胞内代謝フラックスを決定する手段は、本発明の解析方法に関して説明した決定の工程を行うのに適した手段であればよい。   The means for determining the intracellular metabolic flux model based on the intracellular metabolic flux model and the analysis value of the cell and determining the intracellular metabolic flux is suitable for performing the determination process described with respect to the analysis method of the present invention. Any means may be used.

決定された細胞内代謝フラックスを出力する手段は、記憶媒体へまたは伝送媒体を介して転送する手段を包含する。細胞内代謝フラックスの出力は、代謝フラックスモデルが構築された代謝ネットワークを図で示し、図中の代謝ネットワークの各反応に対応する位置
にフラックスの値を表示するものであってもよい。
The means for outputting the determined intracellular metabolic flux includes means for transferring to a storage medium or via a transmission medium. The output of the intracellular metabolic flux may be a graph showing a metabolic network in which a metabolic flux model is constructed, and displaying the flux value at a position corresponding to each reaction in the metabolic network in the figure.

本発明のプログラムのフローチャートを図8に示す。上記(a)〜(c)およびそれらの好ましい態様については、本発明の解析方法について説明した通りであり、これらを満たすように、細胞内代謝フラックスモデルが構築され、および/または、細胞内代謝フラックスモデルの変数が算出されるようにする他は、通常のプログラム化の方法に従って本発明のプログラムを作成することができる。   A flowchart of the program of the present invention is shown in FIG. The above (a) to (c) and preferred embodiments thereof are as described for the analysis method of the present invention, and an intracellular metabolic flux model is constructed and / or intracellular metabolism so as to satisfy these. The program of the present invention can be created according to a normal programming method except that the flux model variables are calculated.

本発明のプログラムが記録される記録媒体は、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、EPROM、EEPROM、CD−ROM、DVD等の任意のリムーバブル物理媒体や、各種コンピュータシステムに内蔵されるROM、RAM、HD等の任意の固定物理媒体、あるいは、LAN、WAN、インターネットに代表されるネットワークを介してプログラムを送信する場合の通信回線や搬送波のように、短期にプログラムを保持する「通信媒体」を含むものとする。   The recording medium on which the program of the present invention is recorded is an arbitrary removable physical medium such as a flexible disk, magneto-optical disk, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM, DVD, ROM, RAM, Includes a “communication medium” that holds a program in a short period of time, such as a communication line or carrier wave when transmitting a program via an arbitrary fixed physical medium such as an HD, or a network represented by a LAN, WAN, or the Internet. Shall be.

以下、実施例により本発明をさらに説明する。実施例では、以下に示す菌株および培地を使用した。   Hereinafter, the present invention will be further described by examples. In the examples, the following strains and culture media were used.

(1)大腸菌株とプラスミド
菌株:WYK050(Escherichia coli野生株W3110のS(2-aminoethyl)cysteine耐性かつリジン分解系遺伝子ldc及びcadA遺伝子欠損株(Kikuchi, Y. et al. J. Bacteriol. 179, 4486-4492, 1997))。
プラスミド:pCAB1(ベクターRSF1010にE. coli由来lysC、dapA、dapB 遺伝子を搭載)。
培養には、WYK050にpCAB1を導入した菌株を使用した。
(1) Escherichia coli strain and plasmid strain: WYK050 (Escherichia coli wild strain W3110 S (2-aminoethyl) cysteine resistant and lysine degradation gene ldc and cadA gene deletion strain (Kikuchi, Y. et al. J. Bacteriol. 179, 4486-4492, 1997)).
Plasmid: pCAB1 (E. coli-derived lysC, dapA, dapB genes are loaded on vector RSF1010).
For the culture, a strain obtained by introducing pCAB1 into WYK050 was used.

(2)培地
LB寒天培地:1.0%バクトトリプトン、0.5%バクトイーストエキストラクト、1%NaCl、1.5%寒天。必要に応じてストレプトマイシンを20μg/ml添加した。
主培養培地:硫酸アンモニウム 16g/L、リン酸二水素一カリウム 3g/L、酵母抽出物 4g/L、硫酸鉄七水和物 10mg/L、硫酸マンガン五水和物 10mg/L、イソロイシン 400mg/L、グルコース 40g/L、硫酸マグネシウム七水和物 1g/L。pHは、水酸化カリウムで7.0に調整した。必要に応じてストレプトマイシンを20μg/ml添加した。主培養培地は大腸菌の液体培養に使用した。
流加溶液:グルコース 500g/L、硫酸アンモニウム 80g/L
(2) Medium
LB agar: 1.0% bactotryptone, 0.5% bacto yeast extract, 1% NaCl, 1.5% agar. Streptomycin was added at 20 μg / ml as necessary.
Main culture medium: ammonium sulfate 16g / L, monopotassium dihydrogen phosphate 3g / L, yeast extract 4g / L, iron sulfate heptahydrate 10mg / L, manganese sulfate pentahydrate 10mg / L, isoleucine 400mg / L , Glucose 40g / L, magnesium sulfate heptahydrate 1g / L. The pH was adjusted to 7.0 with potassium hydroxide. Streptomycin was added at 20 μg / ml as necessary. The main culture medium was used for liquid culture of E. coli.
Fed-batch solution: glucose 500g / L, ammonium sulfate 80g / L

(1)代謝フラックス解析モデルの構築
細胞内代謝中間体の擬定常状態を仮定して、代謝フラックスを計算する化学量論式を構築した(Savinell and Palsson, Journal of Theoretical Biology 154, 421-454, 1992; Vallino and Stephanopoulos, Biotechnology and Bioengineering 41, 633-646, 1993)。このモデルに含まれる反応式は、第2表に示した通りであり、各略号の説明については第1表に記載する。分岐のないいくつかの反応は、式を単純化するため一つにまとめた。ペントースリン酸経路は複雑なため、2つの式にまとめて表記した。バイオマスの構成比率については以前報告されているデータを使用した(Neidhardt et al., Physiology of the Bacterial Cell, 1990)。また、細胞内タンパク質のアミノ酸の構成比は、実際に細胞内タンパク質を加水分解して得たアミノ酸の濃度比より求めた。このモデルの化学量論行列は自由度が8であり、解を得るためには、糖消費速度のほかに7つのフラックスを決めなければならない。7つのフリーフラックスとして、次のものを定義した。菌体生成速度、リジン生産速度、酢酸生成速度、蟻酸生成速度、ICLフラックス、G6PDHフラックス、リンゴ酸酵素(Malic Enzyme)フラックスである。菌体生成速度および各種生成速度について
は、培養実験より結果を得た。そして、残りの3つのフラックスについては、アミノ酸などの同位体分布の測定値を元に最適化アルゴリズムにより決定した(後述)。また、構築したモデルは14の可逆反応を含む。その可逆性は、0から1の数値を取りうる交換係数として定義した(Dauner et al., Biotechnology and Bioengineering 76, 144-156, 2001; Wiechert and de Graaf, Biotechnology and Bioengineering 55, 101-117, 1997)。これらの交換係数もまた、先の3つのフリーフラックスと同様に同位体分布の測定値を元に決定する変数である。解糖系、ペントースリン酸経路、TCAサイクルの隣り合う反応の可逆性は簡単のため等しいと仮定した。感度分析の結果、第2表の反応リスト中の反応9,29,30については、同位体分布に影響をほとんど与えないことが明らかとなったため、0と仮定した。以上より、交換係数を決定しなければならない可逆反応は6つとなった。
(1) Construction of metabolic flux analysis model A stoichiometric formula for calculating metabolic flux was constructed assuming a quasi-steady state of intracellular metabolic intermediates (Savinell and Palsson, Journal of Theoretical Biology 154, 421-454, 1992; Vallino and Stephanopoulos, Biotechnology and Bioengineering 41, 633-646, 1993). The reaction formulas included in this model are as shown in Table 2, and explanation of each abbreviation is shown in Table 1. Several unbranched reactions have been combined into one to simplify the equation. Since the pentose phosphate pathway is complicated, it is expressed in two formulas. Previously reported data were used for biomass composition ratios (Neidhardt et al., Physiology of the Bacterial Cell, 1990). The composition ratio of amino acids in the intracellular protein was determined from the concentration ratio of amino acids obtained by actually hydrolyzing the intracellular protein. The stoichiometric matrix of this model has 8 degrees of freedom, and in order to obtain a solution, 7 fluxes must be determined in addition to the sugar consumption rate. The following were defined as seven free fluxes. Cell production rate, lysine production rate, acetic acid production rate, formic acid production rate, ICL flux, G6PDH flux, malic enzyme (Malic Enzyme) flux. About the cell production rate and various production rates, the result was obtained from the culture experiment. The remaining three fluxes were determined by an optimization algorithm based on measured values of isotope distribution of amino acids (described later). The constructed model also contains 14 reversible reactions. Its reversibility was defined as an exchange coefficient that can take values from 0 to 1 (Dauner et al., Biotechnology and Bioengineering 76, 144-156, 2001; Wiechert and de Graaf, Biotechnology and Bioengineering 55, 101-117, 1997 ). These exchange coefficients are also variables that are determined based on the measured values of the isotope distribution as in the previous three free fluxes. It was assumed that the reversibility of adjacent reactions in the glycolysis, pentose phosphate pathway, and TCA cycle was equal for simplicity. As a result of the sensitivity analysis, it has been clarified that the reactions 9, 29 and 30 in the reaction list of Table 2 hardly affect the isotope distribution. From the above, there were six reversible reactions for which the exchange coefficient had to be determined.

モデル内のすべての物質のIDV(Isotopomer Distribution Vector)を計算するために、フリーフラックスと交換係数および基質のアイソトポマー分布の関数としてアイソトポマーバランス式を構築した。IDVという列ベクトルは、アイソトポマーの割合を表し、要素の合計は1となるものである(Schmidt et al., Biotechnology and Bioengineering 55, 831-840, 1997; Wittmann and Heinzle, Biotechnology and Bioengineering 62, 739-750, 1999)。アイソトポマーバランス式は、Schmitらにより詳細に説明されているアイソトポマーマッピングマトリックス(IMM)を用いて記述されている(Schmidt, et al., Biotechnology and Bioengineering 55, 831-840, 1997)。アトムマッピングマトリックス(AMM)は、反応物から生成物への炭素原子の移動を表記した行列で、これを元に、数値計算ソフトであるMATLAB(The MathWorks, Natick, MA)を用いて、反応物から生成物へのアイソトポマーの移動を表記する行列であるアイソトポマーマッピングマトリックス(IMM)を計算する。   In order to calculate the IDV (Isotopomer Distribution Vector) of all substances in the model, an isotopomer balance equation was constructed as a function of the free flux and exchange coefficient and the isotopomer distribution of the substrate. The IDV column vector represents the proportion of isotopomers and the sum of the elements is 1 (Schmidt et al., Biotechnology and Bioengineering 55, 831-840, 1997; Wittmann and Heinzle, Biotechnology and Bioengineering 62, 739- 750, 1999). The isotopomer balance equation has been described using the isotopomer mapping matrix (IMM) described in detail by Schmit et al. (Schmidt, et al., Biotechnology and Bioengineering 55, 831-840, 1997). The atom mapping matrix (AMM) is a matrix that describes the movement of carbon atoms from a reactant to a product. Based on this matrix, MATLAB (The MathWorks, Natick, MA) is used as a reactant. An isotopomer mapping matrix (IMM), which is a matrix describing the transfer of isotopomers from to the product, is calculated.

アイソトポマーのバランス式は、フリーフラックスと交換係数を入力としてGause-Seidelの繰り返し法を用いて解くことができる。   The isotopomer balance equation can be solved using the Gause-Seidel iteration method with free flux and exchange coefficient as inputs.

グルコースの消費に加えて、微生物細胞は二酸化炭素を取り込み、生育の途中で酢酸を消費する。二酸化炭素は、同位体標識グルコースの代謝からも発生するため何割かは13C-二酸化炭素である。この割合は、二酸化炭素を発生するすべての反応を考慮した二酸化炭素のバランス式により計算された。正確な値は細胞内代謝フラックス分布に依存して異なるが、概して32%程度であった。この計算をするにあたり、大気中からの二酸化炭素を消費することはないと仮定した。なぜならば、細胞が同位体標識グルコースを消費して発生した二酸化炭素の濃度は非常に高く(実験では、排出二酸化炭素の濃度は、4〜5%に及んだ)、発酵槽中の二酸化炭素分圧はすべて細胞が排出した二酸化炭素と考えて差し支えないからである。 In addition to glucose consumption, microbial cells take up carbon dioxide and consume acetic acid during growth. Since carbon dioxide is also generated from the metabolism of isotope-labeled glucose, some percent is 13 C-carbon dioxide. This ratio was calculated by a carbon dioxide balance equation that takes into account all reactions that generate carbon dioxide. The exact value varies depending on the intracellular metabolic flux distribution, but is generally around 32%. For this calculation, it was assumed that no carbon dioxide was consumed from the atmosphere. This is because the concentration of carbon dioxide generated by the cells consuming isotope-labeled glucose is very high (in the experiment, the concentration of exhausted carbon dioxide ranged from 4 to 5%), and the carbon dioxide in the fermenter This is because all partial pressures can be considered as carbon dioxide exhausted by cells.

マススペクトロメトリーによる分析から各物質すべてのアイソトポマー分布を求めることはできないが、質量の分布は求めることができる。この情報は、質量分布ベクトル(MDV)として表すこととし、各要素は同じ質量からなるアイソトポマーを含んでいる(Wittman and Heinzle, Biotechnology and Bioengineering 62, 739-750, 1999)。従って、炭素数nの物質には、MDVの要素数はn+1個存在することとなる。MDVは、IDVから同じ質量の要素を合計して計算することができる。こうして計算されたMDVは、実験よりもとめたMDVと比較することにより、モデルの結果がどれだけ実験値とあっているかを評価することができる。   Although it is not possible to determine the isotopomer distribution of each substance from the analysis by mass spectrometry, the distribution of mass can be determined. This information will be expressed as a mass distribution vector (MDV), and each element contains isotopomers of the same mass (Wittman and Heinzle, Biotechnology and Bioengineering 62, 739-750, 1999). Therefore, there are n + 1 elements of MDV in a substance having n carbon atoms. MDV can be calculated by summing elements of the same mass from IDV. By comparing the MDV calculated in this way with the MDV obtained from the experiment, it can be evaluated how much the result of the model matches the experimental value.

Figure 0004742528
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(2)天然に存在する炭素、水素、窒素、酸素、各原子の同位体を補正
実験により求めたMDVは、天然に存在する2H (0.01%)、15N (0.37%)、17O (0.04%) 18O (0.20%)の補正を行ってから計算した。計算式は、以下の通りである。
(2) Correction of naturally occurring carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and isotopes of each atom MDV obtained by experiments is 2 H (0.01%), 15 N (0.37%), 17 O ( 0.04%) , 18 O (0.20%) correction was performed. The calculation formula is as follows.

Figure 0004742528
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炭素の自然同位体補正は、入力値として利用するグルコースのIDVの中に組み込んだため、上記の式には含まれていない。   The natural isotope correction of carbon is not included in the above formula because it is incorporated in the IDV of glucose used as an input value.

(3)初発培地中に含有される非ラベルアミノ酸の補正
工業生産では初期増殖速度を高くするために、窒素源や炭素源を含む天然由来の栄養素が培地に添加される。モデルにより計算されたMDVと実験から求めたMDVを比較するときに、天然成分由来の非ラベル炭素の影響を補正する必要がある。細胞内アミノ酸(遊離アミノ酸)の分析とたんぱく質加水分解アミノ酸の分析とでそれぞれ異なった補正方法を採用した。サンプル取得時に残存しているアミノ酸(この場合は、イソロイシン)を除いてすべてのアミノ酸は、直接細胞内アミノ酸プールに取り込まれて代謝されないと仮定した。つまりそれらは直接たんぱく質の構成要素になったと仮定した。残存しているアミノ酸については、実験から取り込み速度を計算し、タンパク質に取り込まれる割合以上に細胞に取り込んでいるため、過剰分については代謝により分解されたとしてモデルに組み込み、その分解速度は、細胞取り込み速度から計算して特定した。
(3) Correction of non-labeled amino acids contained in the initial medium In order to increase the initial growth rate in industrial production, naturally derived nutrients containing a nitrogen source and a carbon source are added to the medium. When comparing the MDV calculated by the model with the MDV obtained from the experiment, it is necessary to correct the influence of non-labeled carbon derived from natural components. Different correction methods were used for analysis of intracellular amino acids (free amino acids) and protein hydrolyzed amino acids. It was assumed that all amino acids except for the amino acids remaining at the time of sample acquisition (in this case isoleucine) are taken directly into the intracellular amino acid pool and are not metabolized. That is, they were assumed to be direct protein components. For the remaining amino acids, the rate of uptake is calculated from the experiment, and since it is taken into the cell at a rate higher than the rate taken up by the protein, the excess is incorporated into the model as if it was degraded by metabolism. Identified by calculating from the uptake rate.

培養の初期、約12時間程度までは培地由来の非ラベルアミノ酸の取り込みがあり、それらは基質であるグルコースを菌が代謝して生成する細胞内アミノ酸プールと混ざる。細胞タンパク質は、これらのプールを元に構成されるので非ラベルアミノ酸を含んでいる。最初のサンプル取得時、すでに培地中の非ラベルアミノ酸は完全に消費されていたので、すなわち取り込み速度はゼロであるので化学量論行列とアイソトポマーバランス式には組み込まなかった。細胞内プールの交換が非常に遅くなければ、最初のサンプルの細胞内アミノ酸には培地由来の非ラベルアミノ酸は含まれていないはずであるが、実際にはそれらは含有されており、細胞内たんぱく質と細胞内アミノ酸プールとの間で常に交換反応が起こっていることが示唆された。この点を考慮するために細胞内アミノ酸分析データを解析す
るモデルには、この交換反応を表す係数Pexを導入した。Pexは、細胞たんぱく質から細胞内アミノ酸プールに戻る割合を表す係数で、リジンを除いてすべてのアミノ酸で同じ割合であると仮定した。
Up to about 12 hours at the beginning of the culture, there is uptake of non-labeled amino acids derived from the medium, and they are mixed with an intracellular amino acid pool produced by metabolism of bacteria, which is a substrate, by the bacteria. Cellular proteins are composed of these pools and therefore contain unlabeled amino acids. At the time of initial sample acquisition, the unlabeled amino acids in the medium had already been completely consumed, i.e., the uptake rate was zero, so it was not incorporated into the stoichiometric matrix and isotopomer balance equation. If the exchange of the intracellular pool is not very slow, the intracellular amino acids in the first sample should not contain any unlabeled amino acids from the medium, but in fact they are contained and are the intracellular proteins. It was suggested that there was always an exchange reaction between and the intracellular amino acid pool. In order to consider this point, a coefficient Pex representing this exchange reaction was introduced into a model for analyzing intracellular amino acid analysis data. Pex is a coefficient representing the rate of return from the cellular protein to the intracellular amino acid pool and was assumed to be the same for all amino acids except lysine.

たんぱく質加水分解アミノ酸のMDVは、培養のはじめからたんぱく質に組み込まれたアミノ酸すべてを表すので、培地由来のアミノ酸の割合が細胞内アミノ酸中のそれらの割合よりも高い。全たんぱく量と比べて細胞内アミノ酸の濃度が非常に少ないと仮定すると、培養初期に消費された培地由来の非ラベルアミノ酸はすべて細胞タンパク質に組み込まれたと考えて差し支えない。   The MDV of protein hydrolyzed amino acids represents all of the amino acids incorporated into the protein from the beginning of the culture, so the proportion of amino acids derived from the medium is higher than those in intracellular amino acids. Assuming that the concentration of intracellular amino acids is very small compared to the total amount of protein, it is safe to assume that all non-labeled amino acids derived from the medium consumed at the beginning of the culture have been incorporated into the cellular protein.

(4)代謝フラックス最適化
アイソトポマーのバランス式を用いてフリーフラックスと交換反応のフラックスを入力値としてMDVを計算し、実験で得たMDVとの差の2乗和が最小となるように先に入力したフリーフラックスと交換反応のフラックスの値を進化的アルゴリズム(Stephani et al, Journal of theoretical Biology 199, 45-61, 1999)により最適化するというプログラムを構築した。最適化対象の変数は、ICL、Malic Enzyme、ペントースリン酸経路(G6PDH)のフラックスと、6つの交換反応の値、そして、タンパク質と細胞内アミノ酸プールとの交換反応を表すPexである。菌体収率、リジン収率については、入力値に対して20%のずれを許容するように設定した。これは、実験の際の測定誤差を加味するためである。タンパク質加水分解アミノ酸データと細胞内アミノ酸データはそれぞれ別々に解析した。
(4) Metabolic flux optimization MDV is calculated using the isotopomer balance equation with the free flux and exchange reaction flux as input values, so that the sum of squares of the difference from the MDV obtained in the experiment is minimized. A program was developed to optimize the input free flux and exchange reaction flux values by an evolutionary algorithm (Stephani et al, Journal of theoretical Biology 199, 45-61, 1999). Variables to be optimized are ICL, Malic Enzyme, flux of pentose phosphate pathway (G6PDH), six exchange reaction values, and Pex representing exchange reaction between protein and intracellular amino acid pool. The cell yield and lysine yield were set to allow a deviation of 20% from the input value. This is to take into account measurement errors in the experiment. Proteolytic amino acid data and intracellular amino acid data were analyzed separately.

計算時間を短縮するために、一般的な進化的アルゴリズムに対していくつかの変更を加えた。種々検討した結果、解の空間内で最小値を探索するには要素数が50000、世代数が200という設定が最適であることがわかったので、解析にはそれらの設定値を用いた。   Some changes were made to the general evolutionary algorithm to reduce computation time. As a result of various studies, it was found that the setting of 50000 elements and 200 generations was optimal for searching for the minimum value in the solution space, and those setting values were used for the analysis.

(5)感度分析
フリーフラックスの信頼区間は、各測定値の分散だけでなくヤコビアン行列にも依存する。ヤコビアン行列とは、最適値付近でフリーフラックスが変化したときの各IDVの変化しやすさを表現するものである。各アミノ酸測定値の分散は3回の分析値から求めた。これらを元に、Wiechertらの方法に従って感度行列を計算した。
(5) Sensitivity analysis The confidence interval of the free flux depends not only on the variance of each measured value but also on the Jacobian matrix. The Jacobian matrix expresses how easily each IDV changes when the free flux changes near the optimum value. The variance of each amino acid measurement value was obtained from three analysis values. Based on these, the sensitivity matrix was calculated according to the method of Wiechert et al.

培養実験を実施する前に、ラベルグルコースの最適な混合比を見つけるために解析モデルの感度分析を実施した。使用ラベルグルコースは1-13C-GlcとU-13C-Glcに限定して計算した結果、それぞれ50%ずつの混合比が最適であるという結果を得た。今回は、費用の都合もあり、十分な情報を得ることができる80:20の混合比を採用した。   Prior to conducting the culture experiments, a sensitivity analysis of the analytical model was performed to find the optimal mixing ratio of labeled glucose. The label glucose used was calculated by limiting to 1-13C-Glc and U-13C-Glc. As a result, a mixing ratio of 50% was obtained. This time, because of the cost, we used an 80:20 mixing ratio that provides sufficient information.

(6)培養実験
LB寒天培地上にWYK050/pCAB1菌株細胞を塗布し、37度で24時間静置培養した。その静置培養プレート2枚の細胞を初発培地に植菌した。培地の構成成分については上記の通りである。培養には1Lジャーファーメンターを使用し、基質には1-13C-GlcとU-13C-Glcを80:20で混合した物を使用した。その混合比は、事前に実施した感度分析により決定した。培養の初発液量は300mlで、温度、pHはそれぞれ37℃、6.7で制御した。pHの制御には、アンモニアガスを使用した。通気は、300ml/minで制御した。培養液の溶存酸素濃度は常に5%以上を維持するように撹拌数を適宜制御した。糖液の流加は、培養17時間に開始した。これは、初糖を完全に消費する直前である。流加速度は、培地の残糖濃度が5g/L以下になるように適宜調節した。発酵サンプルの取得は、増殖期である培養17時間目と定常期である培養26時間目に実施した。それぞれ、細胞内代謝物をシリコンオイル法により抽出した。また、たんぱく質の加水分解アミノ酸を測定するための細胞も同じ時期に取得した。測定は、LC-MS及びCE-MSを使用して行った。
(6) Culture experiment
WYK050 / pCAB1 strain cells were applied on LB agar medium, and statically cultured at 37 degrees for 24 hours. Cells from the two stationary culture plates were inoculated into the initial medium. The components of the medium are as described above. A 1 L jar fermenter was used for the culture, and a mixture of 1-13C-Glc and U-13C-Glc at 80:20 was used as the substrate. The mixing ratio was determined by a sensitivity analysis performed in advance. The initial volume of the culture was 300 ml, and the temperature and pH were controlled at 37 ° C. and 6.7, respectively. Ammonia gas was used for pH control. Aeration was controlled at 300 ml / min. The number of agitation was appropriately controlled so that the dissolved oxygen concentration in the culture solution was always maintained at 5% or more. The feeding of the sugar solution started at 17 hours of culture. This is just before complete consumption of the primary sugar. The flow acceleration was appropriately adjusted so that the residual sugar concentration in the medium was 5 g / L or less. The fermentation samples were obtained at 17 hours of culture in the growth phase and at 26 hours of culture in the stationary phase. In each case, intracellular metabolites were extracted by the silicon oil method. Cells for measuring protein hydrolyzed amino acids were also obtained at the same time. The measurement was performed using LC-MS and CE-MS.

培養した結果の細胞の吸光度(OD)、比増殖速度μ、比糖消費速度ν、比リジン生産速度ρ、酸素吸収速度rabそして呼吸商RQを図2に示す。
培地中のアミノ酸濃度の経時変化を図3A及び3Bに示す。酵母抽出物由来のアミノ酸はほとんど培養15時間までの間に完全に消費された。培養20時間付近に、イソロイシンが完全に消費された後、酸素吸収速度rabの上昇は停止し、μ、νも低下した。この前後、すなわち増殖期と定常期の代謝フラックス分布の違いを明確化するために、代謝フラックス解析を実施した。
最終的な発酵成績を第3表に示す。
FIG. 2 shows the absorbance (OD), specific growth rate μ, specific sugar consumption rate ν, specific lysine production rate ρ, oxygen absorption rate rab, and respiratory quotient RQ of the cultured cells.
The time course of amino acid concentration in the medium is shown in FIGS. 3A and 3B. The amino acids from the yeast extract were almost completely consumed during the 15 hours of culture. After isoleucine was completely consumed around 20 hours of culture, the increase in the oxygen absorption rate rab stopped and μ and ν also decreased. In order to clarify the difference in metabolic flux distribution before and after this, that is, in the growth phase and stationary phase, metabolic flux analysis was performed.
The final fermentation results are shown in Table 3.

Figure 0004742528
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(7)代謝フラックス解析
<タンパク質加水分解アミノ酸データを使用した代謝フラックス解析>
細胞内たんぱく質加水分解アミノ酸をLC-MSで分析した結果、次のアミノ酸の同位体比率のデータを得た。グリシン、アラニン、セリン、プロリン、バリン、トレオニン、フェニルアラニン、チロシン、ロイシン、メチオニンである。プロリンについては、増殖期のデータは他の分析値と比べて信頼性が低かったため使用せず、定常期のデータのみを使用した。
(7) Metabolic flux analysis <Metabolic flux analysis using protein hydrolyzed amino acid data>
As a result of analyzing protein hydrolyzed amino acids in cells by LC-MS, the following amino acid isotope ratio data were obtained. They are glycine, alanine, serine, proline, valine, threonine, phenylalanine, tyrosine, leucine, and methionine. For proline, growth phase data was not used because it was less reliable than other analysis values, and only stationary phase data was used.

炭素以外の天然同位体の影響を補正した後、実験結果から各アミノ酸のIDVを計算した。細胞たんぱく質は、培養開始からサンプル取得までに生合成されたアミノ酸を含んでいるので、細胞たんぱく質加水分解から得られる解析データはこの区間の平均値となっていると思われる。従って、17時間で取得したデータの解析にはこの区間の平均値である次の数値を使用した。収率0.379g DCW/10 mmol グルコース、リジン収率2.82 mmol/10 mmol グルコース、酢酸取り込み速度 0.47 mmol/10 mmol グルコース。アイソトポマーバランスを計算したところ、計算により予測されたMDVと比べて実験結果のMDVは全体的に質量が軽い同位体の比率が高い傾向が見られた。これは、天然栄養源である酵母抽出物由来の非ラベルアミノ酸の影響であると考え、前述した方法で補正をすることとした。ここで述べている非ラベルアミノ酸とは、100%12Cからなるという意味ではなく、天然で存在する13Cの割合は含んでいることを意味する。 After correcting for the effects of natural isotopes other than carbon, the IDV of each amino acid was calculated from the experimental results. Since cell proteins contain amino acids biosynthesized from the start of culture to sample acquisition, the analytical data obtained from cell protein hydrolysis is considered to be the average value in this interval. Therefore, the following numerical value, which is the average value of this section, was used for analysis of data acquired in 17 hours. Yield 0.379 g DCW / 10 mmol glucose, lysine yield 2.82 mmol / 10 mmol glucose, acetic acid uptake rate 0.47 mmol / 10 mmol glucose. When the isotopomer balance was calculated, the MDV of the experimental results tended to have a higher proportion of isotopes with lighter masses than the MDV predicted by the calculation. This was considered to be the effect of non-labeled amino acids derived from the yeast extract, which is a natural nutrient source, and was corrected by the method described above. The non-labeled amino acid mentioned here does not mean that it consists of 100% 12 C, but means that it contains the proportion of 13 C that exists in nature.

タンパク質加水分解アミノ酸のデータを用いたフリーフラックスの最適化は、数回実施したがどれもほぼ同様の結果を得た。進化的アルゴリズムによる最適化では、50000の要素数で世代数は200で計算した。第4表に実験結果のMDVと計算されたMDVを示した。この計算では実験と計算の誤差の和は21.19となった。最適化されたフリーフラックスの値は、第5表に示した。すべての代謝フラックス分布については、図4に示した。図4および図5に示されている代謝フラックス分布にはエネルギー代謝の反応も含まれている。エネ
ルギー代謝の反応については、炭素の移動を元に計算された結果から化学量論行列を用いて再計算して求めた。まとめると消費されたグルコースの16%はペントースリン酸経路へと流れ、このフラックスはリジンや細胞を生成するのに十分でないため、トランスヒドロゲナーゼを用いたNADHからNADPHの変換反応のフラックスが大きな値を示した。さらに、この解析では、ICL及びMalic Enzymeによるフラックスがゼロであった。可逆性が大きかった反応は、解糖系とペントースリン酸経路の反応であった。
Free flux optimization using protein hydrolyzed amino acid data was performed several times, all with similar results. In the optimization by the evolutionary algorithm, the number of generations was 200 with 50000 elements. Table 4 shows experimental MDV and calculated MDV. In this calculation, the sum of the error between the experiment and the calculation is 21.19. The optimized free flux values are shown in Table 5. All metabolic flux distributions are shown in FIG. The metabolic flux distributions shown in FIGS. 4 and 5 also include energy metabolism reactions. The energy metabolism reaction was recalculated using the stoichiometric matrix from the results calculated based on the carbon transfer. In summary, 16% of the consumed glucose flows into the pentose phosphate pathway, and this flux is not sufficient to produce lysine and cells, so the flux of NADH to NADPH conversion using transhydrogenase is high. It was. Furthermore, in this analysis, the flux by ICL and Malic Enzyme was zero. The reaction that was highly reversible was a reaction between the glycolysis and the pentose phosphate pathway.

定常期のタンパク質加水分解アミノ酸の分析データを用いて同様の分析を行ったが、先に述べた通り、この分析データは培養の開始時点からの情報を含んでいるために、増殖期と大差のない結果となった。図6および図7に結果を示す。   The same analysis was performed using analysis data of stationary-phase protein hydrolyzed amino acids, but as described above, since this analysis data includes information from the start of the culture, it is greatly different from the growth phase. No results. The results are shown in FIG. 6 and FIG.

Figure 0004742528
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<細胞内アミノ酸の分析データを使用した代謝フラックス解析>
細胞内のアミノ酸をLC-MSで分析して、次に示すアミノ酸のMDVを得た。グリシン、アラニン、セリン、プロリン、バリン、トレオニン、アスパラギン、グルタミン、グルタミン酸、リジン、フェニルアラニン、チロシンである。解析モデルへの入力データは、サンプルを取得した時点のものを使用した。収率0.272g DCW/10 mmol グルコース、リジン収率3.30 mmol/10 mmol グルコース、酢酸取り込み速度 0 mmol/10 mmol グルコースというデータである。細胞内分析データは、サンプルを取得した瞬間のデータであるため先に示した平均値を表すタンパク質加水分解のデータとは大きく異なる。
<Metabolic flux analysis using intracellular amino acid analysis data>
Intracellular amino acids were analyzed by LC-MS, and the following amino acid MDVs were obtained. Glycine, alanine, serine, proline, valine, threonine, asparagine, glutamine, glutamic acid, lysine, phenylalanine, tyrosine. The input data to the analysis model was used when the sample was acquired. Yield 0.272 g DCW / 10 mmol glucose, lysine yield 3.30 mmol / 10 mmol glucose, acetic acid uptake rate 0 mmol / 10 mmol glucose. Intracellular analysis data is data at the moment when a sample is obtained, and thus differs greatly from the protein hydrolysis data representing the average value shown above.

アイソトポマーのバランス式を用いて各アミノ酸のMDVを予測したところ、タンパク質加水分解アミノ酸のデータを用いた時ほどではないが、この場合も実際の実験結果から求めたMDVと比較して質量の軽い同位体の割合が高い傾向が見られた。サンプル取得時には、すでに培地由来の非ラベルアミノ酸は完全に消費されていたが、実験結果はそれらの影響を受けていることを示唆していた。ここで、その影響を加味するために細胞タンパク質の分解による細胞内アミノ酸プールとの交換反応の比率Pexを定義して、数値を最適化するアルゴリズムに変更した。Pexは、すべてのアミノ酸で同じであると仮定した。   When the MDV of each amino acid was predicted using the isotopomer balance equation, it was not as much as when using protein hydrolyzed amino acid data. There was a tendency for the body ratio to be high. At the time of sample acquisition, the unlabeled amino acids from the medium were already completely consumed, but the experimental results suggested that they were affected. Here, in order to consider the influence, the ratio Pex of the exchange reaction with the intracellular amino acid pool due to the degradation of the cellular protein was defined, and the algorithm was changed to optimize the numerical value. Pex was assumed to be the same for all amino acids.

以上のことを踏まえて、進化的アルゴリズムで最適化を行った結果、実験により求めたMDVと計算により求めたMDVの誤差の和は7.57で最小となった。この場合も、進化的アルゴリズムで使用した要素数は50000、世代数は200とした。第5表に実験により求めたMDVと計算により求めたMDVを示す。最適化されたフリーフラックスの値は、第5表に示す。すべての代謝フラックス分布については、図6に示す。タンパク質加水分解アミノ酸データを用いた解析結果との大きな違いは、ICLとG6PDHのフラックスが大きいという点である。   Based on the above, as a result of optimization by an evolutionary algorithm, the sum of errors between MDV obtained through experiments and MDV obtained through calculations was minimized to 7.57. Again, the number of elements used in the evolutionary algorithm was 50000 and the number of generations was 200. Table 5 shows the MDV obtained by experiment and the MDV obtained by calculation. The optimized free flux values are shown in Table 5. All metabolic flux distributions are shown in FIG. The major difference from the analysis results using protein hydrolyzed amino acid data is that the flux of ICL and G6PDH is large.

同様に定常期の細胞内アミノ酸データを用いて解析した結果、実験により求めたMDVと計算により求めたMDVの誤差の和は8.71で最小となった。解析モデルへの入力データは、サンプルを取得した時点のものを使用した。菌体収率0.055g DCW/10 mmol グルコース、リジン収率4.27 mmol/10 mmol グルコース、酢酸排出速度 0.9 mmol/10 mmol グルコースというデータである。   Similarly, as a result of analysis using intracellular amino acid data in the stationary phase, the sum of errors between the MDV obtained by experiment and the MDV obtained by calculation was the smallest at 8.71. The input data to the analysis model was used when the sample was acquired. Cell yield 0.055 g DCW / 10 mmol glucose, lysine yield 4.27 mmol / 10 mmol glucose, acetic acid excretion rate 0.9 mmol / 10 mmol glucose.

定常期では増殖期に比べて、ICLのフラックスが3倍近く上昇しており、PEPCのフラックスがゼロとなった点が大きな違いである。   The main difference is that the flux of ICL increased nearly three times in the stationary phase compared to the growth phase, and the flux of PEPC became zero.

培地由来の非ラベルアミノ酸の取り込みと細胞内タンパク質と細胞内アミノ酸プールの交換反応の関係を示した図。培養初期(培養12時間程度)では、培地由来の非ラベルアミノ酸を取り込んでいる。増殖期(培養17時間程度)では、酵母エキス由来の非ラベルアミノ酸はすべて消費されているが、増殖促進因子であるイソロイシンは培地中に残存している。その消費速度VIleを測定し、代謝により分解するとした。VYEは、培地から菌へのアミノ酸の取り込みフラックスを示す。Pexは、細胞内タンパク質と細胞内アミノ酸プールの交換反応係数を表す。Pexは、最適化アルゴリズムにより決定される変数である。The figure which showed the relationship between the uptake | capture of the non-labeled amino acid derived from a culture medium, and the exchange reaction of an intracellular protein and an intracellular amino acid pool. In the initial stage of culture (about 12 hours of culture), unlabeled amino acids derived from the medium are incorporated. In the growth phase (about 17 hours in culture), all unlabeled amino acids derived from the yeast extract are consumed, but isoleucine, a growth promoting factor, remains in the medium. The consumption rate V Ile was measured and decomposed by metabolism. V YE indicates the uptake flux of amino acids from the medium to the bacteria. Pex represents an exchange reaction coefficient between an intracellular protein and an intracellular amino acid pool. Pex is a variable determined by the optimization algorithm. 培養の分析値。細胞の吸光度(OD)、比増殖速度μ、比糖消費速度ν、比リジン生産速度ρ、酸素吸収速度rab、呼吸商RQAnalytical value of the culture. Cell absorbance (OD), specific growth rate μ, specific sugar consumption rate ν, specific lysine production rate ρ, oxygen absorption rate rab, respiratory quotient RQ 培地中のアミノ酸および酢酸濃度。(Asp) アスパラギン酸 (Thr) トレオニン (Ser) セリン (Leu) ロイシン (Gly) グリシン (Ala) アラニン (Cys) システイン (Val) バリン (Met) メチオニンAmino acid and acetic acid concentrations in the medium. (Asp) Aspartate (Thr) Threonine (Ser) Serine (Leu) Leucine (Gly) Glycine (Ala) Alanine (Cys) Cysteine (Val) Valine (Met) Methionine 図3Aの続き。 (Tyr) チロシン (Phe) フェニルアラニン (His) ヒスチジン (Arg) アルギニン (Glu) グルタミン酸 (Ile) イソロイシン (Lys) リジン (AcOH) 酢酸Continuation of FIG. 3A. (Tyr) Tyrosine (Phe) Phenylalanine (His) Histidine (Arg) Arginine (Glu) Glutamic acid (Ile) Isoleucine (Lys) Lysine (AcOH) Acetic acid タンパク質加水分解アミノ酸の同位体分布測定値から計算した代謝フラックス分布(増殖期:培養開始後17時間)。各数値の単位は、10mmol グルコースに対する各物質の変化量 mmolで表す。Metabolic flux distribution calculated from isotope distribution measurements of protein hydrolyzed amino acids (growth phase: 17 hours after the start of culture). The unit of each numerical value is expressed in mmol of change of each substance with respect to 10 mmol glucose. タンパク質加水分解アミノ酸の同位体分布測定値から計算した代謝フラックス分布(定常期:培養開始後26時間)。各数値の単位は、10mmol グルコースに対する各物質の変化量 mmolで表す。Metabolic flux distribution calculated from isotope distribution measurements of protein hydrolyzed amino acids (stationary phase: 26 hours after the start of culture). The unit of each numerical value is expressed in mmol of change of each substance with respect to 10 mmol glucose. 細胞内アミノ酸の同位体分布測定値から計算した代謝フラックス分布(増殖期:培養開始後17時間)。各数値の単位は、10mmol グルコースに対する各物質の変化量 mmolで表す。Metabolic flux distribution calculated from the measured isotope distribution of intracellular amino acids (growth phase: 17 hours after the start of culture). The unit of each numerical value is expressed in mmol of change of each substance with respect to 10 mmol glucose. 細胞内アミノ酸の同位体分布測定値から計算した代謝フラックス分布(定常期:培養開始後26時間)。各数値の単位は、10mmol グルコースに対する各物質の変化量 mmolで表す。Metabolic flux distribution calculated from isotope distribution measurements of intracellular amino acids (stationary phase: 26 hours after the start of culture). The unit of each numerical value is expressed in mmol of change of each substance with respect to 10 mmol glucose. 細胞内代謝フラックスの解析プログラムのフローチャートを示す。The flowchart of the analysis program of intracellular metabolic flux is shown.

Claims (9)

解糖系、TCA回路、ペントースリン酸経路、アミノ酸合成固有経路を代謝フラックスの反応経路を含む細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデルに基づいて、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の、代謝物の同位体分布の分析値、菌体生成速度、アミノ酸生産速度、及び、有機酸生成速度を含む分析値から細胞内代謝フラックスを決定することを含む、細胞内代謝フラックスの解析方法であって、
下記の(a)〜(c)の全てを満たす前記方法。
(a)細胞内代謝フラックスモデルは、アミノ酸とそのアミノ酸が取り込まれて生じるタンパク質との交換反応を含み、細胞の分析値は、細胞内代謝フラックスモデルに含まれるアミノ酸の同位体分布及びタンパク質の分解物の同位体分布の分析値を含み、アミノ酸の同位体分布の分析値は、1)アミノ酸の同位体分布とタンパク質の分解物の同位体分布を測定する工程、2)工程1)で得られた結果から最適化アルゴリズムを用いて、交換反応係数で定義される変数として表現される、アミノ酸とタンパク質との合成と分解との度合いを最適化する工程により補正される。
(b)細胞内代謝フラックスモデルは、アミノ酸及び/又はその代謝中間体を含み、細胞の分析値は、培地中の同位体で標識されていないアミノ酸の細胞への取り込み速度、並びに、前記アミノ酸及び/又はその代謝中間体の同位体分布の分析値を含み、前記アミノ酸及び/又はその代謝中間体の同位体分布の分析値は、取り込み速度からタンパク質に取り込まれる速度を減じた速度を代謝経路への速度と仮定し、その代謝経路への速度による前記アミノ酸及び/又はその代謝中間体の同位体分布に及ぼす影響により補正される。
(c)細胞内代謝フラックスモデルは、二酸化炭素の固定反応および二酸化炭素の発生反応を含み、固定反応で使用される二酸化炭素を、発生反応で発生した二酸化炭素と仮定する。
A substrate labeled with an isotope as a carbon source based on an intracellular metabolic flux model built on glycolytic systems, TCA cycle, pentose phosphate pathway, amino acid synthesis intrinsic pathway and intracellular metabolic flux including metabolic flux reaction pathway Determination of intracellular metabolic flux from analysis values including metabolite isotope distribution analysis, cell production rate, amino acid production rate, and organic acid production rate of cells cultured in a medium containing An analysis method of intracellular metabolic flux,
The said method which satisfy | fills all of following (a)-(c).
(A) The intracellular metabolic flux model includes an exchange reaction between an amino acid and a protein produced by the incorporation of the amino acid, and the analysis value of the cell includes the isotope distribution of amino acids and protein degradation included in the intracellular metabolic flux model. include analytical value of isotope distribution in an object, analytical values of isotope distribution of amino acids, 1) measuring the isotopic distribution of the isotope distribution and degradation of proteins in amino acid, obtained in 2) step 1) Using the optimization algorithm, the result is corrected by a step of optimizing the degree of synthesis and decomposition of amino acids and proteins expressed as a variable defined by the exchange reaction coefficient .
(B) an intracellular metabolic flux model includes amino San及 beauty / or its metabolic intermediates, analytical values of cells in the medium, the uptake rate into cells of amino acids that are not isotopically labeled, as well as, include analytical value of isotope distribution in the amino acid and / or its metabolic intermediates, analytical values of isotope distribution of the amino acid and / or its metabolic intermediates, a speed obtained by subtracting a speed that is incorporated into the protein from the uptake rate Assuming a rate to the metabolic pathway, it is corrected by the effect on the isotopic distribution of the amino acid and / or its metabolic intermediate by the rate to the metabolic pathway.
(C) The intracellular metabolic flux model includes a carbon dioxide fixation reaction and a carbon dioxide generation reaction, and the carbon dioxide used in the fixation reaction is assumed to be carbon dioxide generated in the generation reaction.
最適化アルゴリズムが進化アルゴリズムである請求項に記載の方法。 The method of claim 1 , wherein the optimization algorithm is an evolutionary algorithm. (a)においてタンパク質の分解物の同位体分布の分析値が、培地中の、同位体で標識されていないアミノ酸タンパク質への取り込みの影響により補正される請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2 , wherein in (a) , the analysis value of the isotope distribution of the protein degradation product is corrected by the influence of incorporation of amino acids not labeled with isotopes into the protein in the medium. . アミノ酸がイソロイシンである請求項記載の方法。 The method according to claim 1 , wherein the amino acid is isoleucine. 細胞が、前記アミノ酸の生産能を保持する微生物である、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the cell is a microorganism that retains the ability to produce the amino acid . 細胞の培養が回分培養又は流加培養である、請求項1〜のいずれか1
項に記載の方法。
The cell culture is any one of claims 1 to 5 , wherein the culture is batch culture or fed-batch culture.
The method according to item.
同位体分布が質量分析により測定される、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。 Isotope distribution is measured by mass spectrometry The method according to any one of claims 1-6. 解糖系、TCA回路、ペントースリン酸経路、アミノ酸合成固有経路を代謝フラックスの反応経路を含む細胞内代謝フラックスに関して構築された細胞内代謝フラックスモデルを記憶する手段、炭素源として同位体で標識された基質を含む培地中で培養した細胞の、代謝物の同位体分布の分析値、菌体生成速度、アミノ酸生産速度、及び、有機酸生産速度を含む分析値を入力する手段、細胞内代謝フラックスモデルおよび細胞の分析値に基づき細胞内代謝フラックスモデルの変数を決定し、細胞内代謝フラックスを決定する手段、ならびに、決定された細胞内代謝フラックスを出力する手段としてコンピューターを機能させるためのプログラムであって、下記(a)〜(c)の全てを満たすように、細胞内代謝フラックスモデルが構築され細胞内代謝フラックスモデルの変数が算出される前記プログラム。
(a)細胞内代謝フラックスモデルは、アミノ酸とそのアミノ酸が取り込まれて生じるタンパク質との交換反応を含み、細胞の分析値は、細胞内代謝フラックスモデルに含まれるアミノ酸の同位体分布及びタンパク質の分解物の同位体分布の分析値を含み、アミノ酸の同位体分布の分析値は、1)アミノ酸の同位体分布とタンパク質の分解物の同位体分布を測定する工程、2)工程1)で得られた結果から最適化アルゴリズムを用いて、交換反応係数で定義される変数として表現される、アミノ酸とタンパク質との合成と分解との度合いを最適化する工程により補正される。
(b)細胞内代謝フラックスモデルは、アミノ酸及び/又はその代謝中間体を含み、細胞の分析値は、培地中の同位体で標識されていないアミノ酸の細胞への取り込み速度、並びに、前記アミノ酸及び/又はその代謝中間体の同位体分布の分析値を含み、前記アミノ酸及び/又はその代謝中間体の同位体分布の分析値は、取り込み速度からタンパク質に取り込まれる速度を減じた速度を代謝経路への速度と仮定し、その代謝経路への速度による前記アミノ酸及び/又はその代謝中間体の同位体分布に及ぼす影響により補正される。
(c)細胞内代謝フラックスモデルは、二酸化炭素の固定反応および二酸化炭素の発生反応を含み、固定反応で使用される二酸化炭素を、発生反応で発生した二酸化炭素と仮定する。
Glycolytic system, TCA cycle, pentose phosphate pathway, amino acid synthesis intrinsic pathway, a means to memorize intracellular metabolic flux model built on intracellular metabolic flux including metabolic flux reaction pathway , labeled with isotope as carbon source Means for inputting analysis values including metabolite isotope distribution, cell production rate, amino acid production rate, and organic acid production rate of cells cultured in a medium containing a substrate, intracellular metabolic flux model And a program for operating a computer as a means for determining the intracellular metabolic flux model based on the analysis value of the cell and for determining the intracellular metabolic flux, and for outputting the determined intracellular metabolic flux. Te, so as to satisfy all of the following (a) ~ (c), intracellular metabolic flux model is constructed, the cell The program variables metabolic flux model is calculated.
(A) The intracellular metabolic flux model includes an exchange reaction between an amino acid and a protein produced by the incorporation of the amino acid, and the analysis value of the cell includes the isotope distribution of amino acids and protein degradation included in the intracellular metabolic flux model. include analytical value of isotope distribution in an object, analytical values of isotope distribution of amino acids, 1) measuring the isotopic distribution of the isotope distribution and degradation of proteins in amino acid, obtained in 2) step 1) Using the optimization algorithm, the result is corrected by a step of optimizing the degree of synthesis and decomposition of amino acids and proteins expressed as a variable defined by the exchange reaction coefficient .
(B) an intracellular metabolic flux model includes amino San及 beauty / or its metabolic intermediates, analytical values of cells in the medium, the uptake rate into cells of amino acids that are not isotopically labeled, as well as, include analytical value of isotope distribution in the amino acid and / or its metabolic intermediates, analytical values of isotope distribution of the amino acid and / or its metabolic intermediates, a speed obtained by subtracting a speed that is incorporated into the protein from the uptake rate Assuming a rate to the metabolic pathway, it is corrected by the effect on the isotopic distribution of the amino acid and / or its metabolic intermediate by the rate to the metabolic pathway.
(C) The intracellular metabolic flux model includes a carbon dioxide fixation reaction and a carbon dioxide generation reaction, and the carbon dioxide used in the fixation reaction is assumed to be carbon dioxide generated in the generation reaction.
請求項に記載のプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 9. A computer-readable recording medium on which the program according to claim 8 is recorded.
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