JP4947368B2 - Information processing apparatus and method, and program - Google Patents
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本発明は、情報処理装置および方法、並びに、プログラムに関し、特に、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートし、より効率のよい酵素ネットワークを容易に特定することができるようにした情報処理装置および方法、並びに、プログラムに関する。 The present invention relates to an information processing apparatus and method, and a program, and in particular, can simulate a metabolic state from a starting material to an exhausted substance by an enzyme reaction and easily specify a more efficient enzyme network. The present invention relates to an information processing apparatus and method, and a program.
近年、環境問題への注目が増すとともに、その解決策の一環として、様々な技術分野においてバイオ技術の利用が検討されている。それに伴い、バイオ技術に関する研究が盛んに行われるようになってきた。 In recent years, attention to environmental problems has increased, and the utilization of biotechnology has been studied in various technical fields as part of the solution. Along with this, research on biotechnology has been actively conducted.
例えば、グルコースなどの高エネルギー化合物を、酵素を用いて二酸化炭素に分解していく過程で得られるエネルギーを電源として利用するバイオ燃料電池がある。このような酵素反応を利用した代謝生成物の生産は、医療や化学等の様々な分野で利用可能である。 For example, there is a biofuel cell that uses, as a power source, energy obtained in the process of decomposing a high energy compound such as glucose into carbon dioxide using an enzyme. The production of metabolites using such enzyme reactions can be used in various fields such as medicine and chemistry.
通常の場合、酵素は、反応特異性を有しており、特定の化学反応しか触媒しない。従って、このような酵素反応による代謝生成物の生産は、通常の場合、複数の酵素が組み合わせて用いられる。つまり、目的の物質である排出物質は、材料である出発物質から、複数種類の酵素による複数種類の化学反応を経て生成される。この化学反応の経路を代謝経路と称する。現在、数千種類の酵素が既知であり、それぞれが化学反応を触媒するので、酵素全体では多様な代謝経路網が構築される。 In the usual case, enzymes have reaction specificity and catalyze only certain chemical reactions. Therefore, in the production of metabolites by such an enzyme reaction, a plurality of enzymes are usually used in combination. In other words, the exhausted substance that is the target substance is generated from the starting material that is the material through a plurality of types of chemical reactions by a plurality of types of enzymes. This chemical reaction pathway is called a metabolic pathway. At present, thousands of kinds of enzymes are known, and each catalyzes a chemical reaction, so that a variety of metabolic pathway networks are constructed in the whole enzyme.
出発物質から排出物質を生産する場合、それらの酵素群の中から必要なものを選択し、出発物質と排出物質とを結ぶ代謝経路を構築するが、その経路の選択、すなわち、選択された酵素によって、化学反応(代謝)の効率が変化する。つまり、排出物質の生産性が変化する。 When producing an effluent from a starting material, a necessary one is selected from those enzyme groups, and a metabolic pathway connecting the starting material and the effluent is constructed. The selection of the pathway, that is, the selected enzyme Changes the efficiency of the chemical reaction (metabolism). In other words, the productivity of emitted substances changes.
自然界においても長い年月をかけて酵素の組み合わせおよびその配分(酵素ネットワーク)の取捨選択が行われ、所定の出発物質から排出物質を生産する代謝経路がいくつも開発されている。それらの中には、例えばバイオ燃料電池等といった応用目的に利用可能なものも存在するが、生物に求められる性能と燃料電池に求められる性能は基本的に異なるので、必ずしもその酵素ネットワークが最善になるとは限らない。 In the natural world, combinations of enzymes and their distribution (enzyme network) are selected over a long period of time, and a number of metabolic pathways for producing effluents from predetermined starting materials have been developed. Some of them can be used for application purposes such as biofuel cells, but the performance required for living organisms and the performance required for fuel cells are fundamentally different. Not necessarily.
酵素は自然界の生物より採取されるが、例えば、特定の生物からしか採取できない酵素もあり、自然界においては共存していない酵素の組み合わせが応用目的にとって最適な場合も考えられる。 Enzymes are collected from living organisms in nature. For example, there are enzymes that can be collected only from specific organisms, and combinations of enzymes that do not coexist in nature may be optimal for application purposes.
従って、化学反応を高効率化させるためには、酵素の選択を既知の酵素群の中から行う必要があり、また、化学反応の各種条件についても検討を行う必要がある。しかしながら、実際に自然界より酵素を採取し、条件を変化させながら酵素を組み合わせ、全ての条件について網羅的に実験を行うのは煩雑な作業が必要であり現実的でない。 Therefore, in order to increase the efficiency of the chemical reaction, it is necessary to select an enzyme from a group of known enzymes, and it is also necessary to examine various conditions for the chemical reaction. However, it is not practical to actually collect enzymes from nature, combine the enzymes while changing the conditions, and carry out exhaustive experiments for all the conditions, which is troublesome.
そこで、このような酵素反応による代謝をシミュレートする方法が考えられる(例えば、非特許文献1参照)。シミュレーションの場合、化学反応の反応結果を演算により算出することができるので、実験において時間を要する化学反応も瞬時に求めることができ、容易かつ高速に多様な条件を網羅することができる。 Therefore, a method of simulating metabolism by such an enzyme reaction is conceivable (for example, see Non-Patent Document 1). In the case of simulation, since the reaction result of a chemical reaction can be calculated by calculation, a chemical reaction that requires time in an experiment can be obtained instantaneously, and various conditions can be covered easily and at high speed.
しかしながら、従来の方法では、指定した代謝経路の評価を行うことはできるが、数千種類の既知の酵素群の中から効率のよい酵素の組み合わせを特定し、さらに効率のよい各種条件を特定することはできなかった。従って、効率のよい酵素ネットワークを構築するためには、闇雲に多様な条件下で多様な酵素の組み合わせをシミュレーションし、その評価結果を比較する必要があり、煩雑な作業を必要とした。つまり、開発コストや開発時間が増大する恐れがあった。 However, with the conventional method, the specified metabolic pathway can be evaluated, but an efficient combination of enzymes is identified from thousands of known enzyme groups, and various more efficient conditions are identified. I couldn't. Therefore, in order to construct an efficient enzyme network, it is necessary to simulate various combinations of enzymes under various conditions in the dark clouds, and to compare the evaluation results, which requires complicated work. That is, the development cost and development time may increase.
また、作業量を低減させるために、シミュレーションする酵素の組み合わせや条件の限定を不要に行うと、より効率のよい代謝経路を持つ酵素の組み合わせ、および、より効率のよい化学反応条件、すなわち、より効率のよい酵素ネットワークを求めることができない恐れがあった。 In addition, in order to reduce the amount of work, if the combination of enzymes to be simulated and the limitation of conditions are unnecessary, a combination of enzymes having more efficient metabolic pathways and more efficient chemical reaction conditions, that is, more There was a fear that an efficient enzyme network could not be obtained.
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、より効率のよい酵素ネットワークを容易に特定することができることができるようにするものである。 The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and makes it possible to easily identify a more efficient enzyme network.
本発明の第1の側面は、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートする情報処理装置であって、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定する構成比設定手段と、前記構成比設定手段により構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出する排出量算出手段と、前記構成比設定手段および前記排出量算出手段を制御し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出させる繰り返し制御手段と、前記繰り返し制御手段の制御により算出された複数の排出量の中から最大値を特定する最大値特定手段と、前記排出量算出手段により、前記最大値特定手段により特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除する未使用酵素削除手段とを備え、前記繰り返し制御手段は、前記未使用酵素削除手段により未使用の酵素が削除された酵素群について、再度、前記構成比設定手段および前記排出量算出手段を制御し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出させる情報処理装置である。 A first aspect of the present invention is an information processing apparatus for simulating the state of metabolism from a starting material to an exhausted substance by an enzyme reaction, and sets the composition ratio of each enzyme of an enzyme group to be simulated And simulating the state of metabolism for the whole enzyme group by simulating the enzyme reaction by each enzyme whose composition ratio is set by the composition ratio setting means using the Michaelis-Menten equation. And controlling the emission amount calculation means for calculating the emission amount of the emission material after a predetermined time, the composition ratio setting means and the emission amount calculation means, and repeatedly calculating the emission amount while changing the composition ratio. A repetitive control means, a maximum value specifying means for specifying a maximum value among a plurality of discharge amounts calculated by the control of the repetitive control means, and the discharge amount calculation Means for removing an enzyme that has not been subjected to an enzyme reaction from the enzyme group when the maximum amount of discharge specified by the maximum value specifying means is calculated, The repetitive control unit controls the component ratio setting unit and the discharge amount calculating unit again for the enzyme group from which the unused enzyme is deleted by the unused enzyme deleting unit, and changes the component ratio while changing the component ratio. This is an information processing apparatus that repeatedly calculates the amount.
前記構成比設定手段は、シミュレーションの対象とされる酵素群の中の、任意に選択される所定の割合の酵素の構成比をゼロとすることができる。 The constituent ratio setting means can set the constituent ratio of a predetermined proportion of enzymes in the enzyme group to be simulated to zero.
前記シミュレーションの対象とされる酵素群の中から、前記出発物質から前記排出物質までの代謝に寄与しない不要な酵素を削除する不要酵素削除手段をさらに備え、前記構成比設定手段は、前記不要酵素削除手段により不要な酵素が削除された後の酵素群の各酵素の構成比を設定することができる。 The apparatus further comprises an unnecessary enzyme deleting means for deleting an unnecessary enzyme that does not contribute to metabolism from the starting material to the excreted substance from the enzyme group to be simulated, and the component ratio setting means includes the unnecessary enzyme The constituent ratio of each enzyme in the enzyme group after the unnecessary enzyme is deleted by the deleting means can be set.
前記繰り返し手段の制御により、前記未使用酵素削除手段により未使用の酵素が削除されながら、前記排出量の算出が所定回数繰り返された後、前記最大値特定手段により特定された前記排出量の最大値、および前記最大値が算出されるときの酵素群を画像情報として表示部に表示させる表示制御手段をさらに備えることができる。 Under the control of the repetition means, the calculation of the discharge amount is repeated a predetermined number of times while the unused enzyme is deleted by the unused enzyme deletion means, and then the maximum of the discharge amount specified by the maximum value specifying means. Display control means for causing the display unit to display the value and the enzyme group when the maximum value is calculated as image information can be further provided.
前記繰り返し手段の制御により、前記未使用酵素削除手段により未使用の酵素が削除されながら、前記排出量の算出が所定回数繰り返された後、前記最大値特定手段により特定された前記排出量の最大値、および前記最大値が算出されるときの酵素群を記憶部に記憶させる記憶制御手段をさらに備えることができる。 Under the control of the repetition means, the calculation of the discharge amount is repeated a predetermined number of times while the unused enzyme is deleted by the unused enzyme deletion means, and then the maximum of the discharge amount specified by the maximum value specifying means. The storage control means for storing the value and the enzyme group when the maximum value is calculated in the storage unit can be further provided.
本発明の第1の側面は、また、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートする情報処理装置の情報処理方法であって、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定し、前記構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出し、繰り返し算出した排出量の中から最大値を特定し、特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除し、さらに、未使用の酵素が削除された酵素群について、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出する情報処理方法である。 The first aspect of the present invention is also an information processing method of an information processing apparatus for simulating the state of metabolism from a starting material to an exhausted substance by an enzyme reaction, and each of the enzyme groups to be simulated By setting the component ratio of the enzyme, and simulating the enzyme reaction by each enzyme with the component ratio set using the Michaelis-Menten equation, the state of metabolism is simulated for the entire enzyme group, Calculate the emission amount of the emitted substance after a predetermined time, calculate the emission amount repeatedly while changing the composition ratio, specify the maximum value from the repeatedly calculated emission amount, and release the specified maximum value The enzyme group in which the enzyme reaction has not been performed is deleted from the enzyme group in which is calculated, and further, the enzyme group from which the unused enzyme is deleted, while changing the component ratio An information processing method for repeatedly calculating the volume.
本発明の第1の側面は、また、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートするコンピュータが、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定し、前記構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出し、繰り返し算出した排出量の中から最大値を特定し、特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除し、さらに、未使用の酵素が削除された酵素群について、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出する処理を実行するプログラムである。 In the first aspect of the present invention, the computer that simulates the metabolic state from the starting material to the discharged material by the enzyme reaction sets the composition ratio of each enzyme of the enzyme group to be simulated, By simulating the enzyme reaction by each enzyme with the composition ratio set using the Michaelis-Menten equation, the state of metabolism is simulated for the entire enzyme group, and the discharge of the discharge substance after a predetermined time Enzyme group when calculating the amount, repeatedly calculating the discharge amount while changing the composition ratio, specifying the maximum value from the repeatedly calculated discharge amount, and calculating the specified maximum discharge amount The enzyme that was not subjected to the enzyme reaction was deleted, and the discharge amount was calculated repeatedly while changing the composition ratio for the enzyme group from which the unused enzyme was deleted. Is a program that executes the processing that.
本発明の第1の側面においては、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比が設定され、構成比が設定された各酵素による酵素反応が、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートされることにより、酵素群全体について代謝の様子がシミュレートされ、排出物質の所定時間後の排出量が算出され、構成比を変更しながら排出量が繰り返し算出され、繰り返し算出された排出量の中から最大値が特定され、特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素が削除され、さらに、未使用の酵素が削除された酵素群について、構成比を変更しながら排出量が繰り返し算出される。 In the first aspect of the present invention, the composition ratio of each enzyme of the enzyme group to be simulated is set, and the enzyme reaction by each enzyme for which the composition ratio is set is simulated using the Michaelis-Menten equation. As a result, the state of metabolism is simulated for the entire enzyme group, the amount of discharge after a predetermined time is calculated, the amount of discharge is calculated repeatedly while changing the composition ratio, and the amount of the calculated amount of discharge is calculated repeatedly. Enzymes that did not perform an enzyme reaction were deleted from the enzyme group when the maximum value was identified from among them, and the discharge amount of the specified maximum value was calculated. For the enzyme group, the discharge amount is repeatedly calculated while changing the composition ratio.
本発明によれば、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートすることができる。特に、より効率のよい酵素ネットワークを容易に特定することができる。さらに、酵素を用いたバイオ技術の開発コストや開発時間を低減させることができる。 According to the present invention, it is possible to simulate the state of metabolism from the starting material to the discharged material by the enzyme reaction. In particular, a more efficient enzyme network can be easily identified. Furthermore, the development cost and development time of biotechnology using enzymes can be reduced.
以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書または図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書または図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書または図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。 Embodiments of the present invention will be described below. Correspondences between constituent elements of the present invention and the embodiments described in the specification or the drawings are exemplified as follows. This description is intended to confirm that the embodiments supporting the present invention are described in the specification or the drawings. Therefore, even if there is an embodiment which is described in the specification or the drawings but is not described here as an embodiment corresponding to the constituent elements of the present invention, that is not the case. It does not mean that the form does not correspond to the constituent requirements. Conversely, even if an embodiment is described here as corresponding to a configuration requirement, that means that the embodiment does not correspond to a configuration requirement other than the configuration requirement. It's not something to do.
本発明の第1の側面は、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートする情報処理装置(例えば、図1の代謝シミュレータ101)であって、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定する構成比設定手段(例えば、図3の酵素割り当て部163)と、前記構成比設定手段により構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出する排出量算出手段(例えば、図3の排出量算出部164)と、前記構成比設定手段および前記排出量算出手段を制御し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出させる繰り返し制御手段(例えば、図3の繰り返し制御部167)と、前記繰り返し制御手段の制御により算出された複数の排出量の中から最大値を特定する最大値特定手段(例えば、図3の最大値特定部165)と、前記排出量算出手段により、前記最大値特定手段により特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除する未使用酵素削除手段(例えば、図3の未使用経路策ジョブ166)とを備え、前記繰り返し制御手段は、前記未使用酵素削除手段により未使用の酵素が削除された酵素群について、再度、前記構成比設定手段および前記排出量算出手段を制御し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出させる情報処理装置である。
A first aspect of the present invention is an information processing apparatus (for example, the metabolic simulator 101 in FIG. 1) that simulates the state of metabolism from a starting material to an exhausted substance by an enzyme reaction, and is an object of simulation. The composition ratio setting means (for example, the
前記構成比設定手段は、シミュレーションの対象とされる酵素群の中の、任意に選択される所定の割合の酵素の構成比をゼロとする(例えば、図5のステップS22)ことができる。 The component ratio setting means can set the component ratio of an arbitrarily selected ratio of enzymes in the enzyme group to be simulated to zero (for example, step S22 in FIG. 5).
前記シミュレーションの対象とされる酵素群の中から、前記出発物質から前記排出物質までの代謝に寄与しない不要な酵素を削除する不要酵素削除手段(例えば、図3の不要経路削除部162)をさらに備え、前記構成比設定手段は、前記不要酵素削除手段により不要な酵素が削除された後の酵素群の各酵素の構成比を設定することができる。
An unnecessary enzyme deleting means (for example, an unnecessary
前記繰り返し手段の制御により、前記未使用酵素削除手段により未使用の酵素が削除されながら、前記排出量の算出が所定回数繰り返された後、前記最大値特定手段により特定された前記排出量の最大値、および前記最大値が算出されるときの酵素群を画像情報として表示部に表示させる表示制御手段(例えば、図3の表示制御部168)をさらに備えることができる。
Under the control of the repetition means, the calculation of the discharge amount is repeated a predetermined number of times while the unused enzyme is deleted by the unused enzyme deletion means, and then the maximum of the discharge amount specified by the maximum value specifying means. The display control means (for example, the
前記繰り返し手段の制御により、前記未使用酵素削除手段により未使用の酵素が削除されながら、前記排出量の算出が所定回数繰り返された後、前記最大値特定手段により特定された前記排出量の最大値、および前記最大値が算出されるときの酵素群を記憶部に記憶させる記憶制御手段(例えば、図3の記憶制御部169)をさらに備えることができる。
Under the control of the repetition means, the calculation of the discharge amount is repeated a predetermined number of times while the unused enzyme is deleted by the unused enzyme deletion means, and then the maximum of the discharge amount specified by the maximum value specifying means. The storage control unit (for example, the
本発明の第1の側面は、また、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートする情報処理装置の情報処理方法であって、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定し(例えば、図4のステップS6)、前記構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出し(例えば、図4のステップS7)、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出し(例えば、図4のステップS10)、繰り返し算出した排出量の中から最大値を特定し(例えば、図4のステップS8およびステップS9)、特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除し(例えば、図4のステップS11)、さらに、未使用の酵素が削除された酵素群について、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出する(例えば、図4のステップS12)情報処理方法である。 The first aspect of the present invention is also an information processing method of an information processing apparatus for simulating the state of metabolism from a starting material to an exhausted substance by an enzyme reaction, and each of the enzyme groups to be simulated The composition ratio of the enzyme is set (for example, step S6 in FIG. 4), and the enzyme reaction by each enzyme for which the composition ratio is set is simulated using the Michaelis-Menten equation. The state of metabolism is simulated, the emission amount of the emission substance after a predetermined time is calculated (for example, step S7 in FIG. 4), and the emission amount is repeatedly calculated while changing the composition ratio (for example, FIG. 4). Step S10), the maximum value is specified from the repeatedly calculated discharge amount (for example, Step S8 and Step S9 in FIG. 4), and the discharge amount of the specified maximum value is calculated. The enzyme that has not been subjected to the enzyme reaction is deleted from the enzyme group (eg, step S11 in FIG. 4), and the composition ratio is changed for the enzyme group from which the unused enzyme is deleted. However, the discharge amount is repeatedly calculated (for example, step S12 in FIG. 4).
本発明の第1の側面は、また、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートするコンピュータが、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定し(例えば、図4のステップS6)、前記構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出し(例えば、図4のステップS7)、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出し(例えば、図4のステップS10)、繰り返し算出した排出量の中から最大値を特定し(例えば、図4のステップS8およびステップS9)、特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除し(例えば、図4のステップS11)、さらに、未使用の酵素が削除された酵素群について、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出する(例えば、図4のステップS12)処理を実行するプログラムである。 In the first aspect of the present invention, the computer that simulates the metabolic state from the starting material to the discharged material by the enzyme reaction sets the composition ratio of each enzyme of the enzyme group to be simulated ( For example, in step S6) of FIG. 4, the state of metabolism is simulated for the entire enzyme group by simulating an enzyme reaction by each enzyme with the composition ratio set using the Michaelis-Menten equation, The emission amount after a predetermined time of the emission material is calculated (for example, step S7 in FIG. 4), the emission amount is repeatedly calculated while changing the composition ratio (for example, step S10 in FIG. 4), and the calculation is repeated. The maximum value is specified from the discharge amount (for example, Step S8 and Step S9 in FIG. 4), and the enzyme group when the discharge amount of the specified maximum value is calculated Then, the enzyme that has not been subjected to the enzyme reaction is deleted (for example, step S11 in FIG. 4), and the discharge amount is repeatedly calculated while changing the composition ratio for the enzyme group from which the unused enzyme is deleted. (For example, step S12 in FIG. 4).
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1は、本発明を適用した情報処理システムの構成例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an information processing system to which the present invention is applied.
図1において、情報処理システム100は、代謝シミュレータ101およびデータベース102を有し、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートするシステムである。
In FIG. 1, an
代謝シミュレータ101は、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子のシミュレーションに関する処理を行う情報処理装置である。代謝シミュレータ101は、どのように構成されても良いが、例えば、パーソナルコンピュータ等により構成される。データベース102は、そのシミュレーションに必要な情報を記憶する。データベース102は、例えば、ハードディスク、半導体メモリ、光ディスク、光磁気ディスク、または磁気ディスク等、代謝シミュレータ101より読み出しや書き込みが可能な任意の記憶媒体により構成される。なお、代謝シミュレータ101およびデータベース102が一体的に構成されるようにし、情報処理システム100が1つの装置として構成されるようにしてもよい。
The metabolism simulator 101 is an information processing apparatus that performs processing related to a simulation of the state of metabolism from a starting material to an exhausted material by an enzyme reaction. The metabolism simulator 101 may be configured in any manner, and is configured by, for example, a personal computer. The database 102 stores information necessary for the simulation. The database 102 is configured by an arbitrary storage medium that can be read and written by the metabolic simulator 101, such as a hard disk, a semiconductor memory, an optical disk, a magneto-optical disk, or a magnetic disk. Note that the metabolic simulator 101 and the database 102 may be configured integrally, and the
図1には、代謝シミュレータ101が、主に有する機能を表わす機能ブロックが示されている。図1に示されるように、代謝シミュレータ101は、主な機能ブロックとして、シミュレーション処理部111、入力部112、表示部113、データ読み出し部114、およびデータ書き込み部115を有する。
FIG. 1 shows functional blocks representing functions that the metabolism simulator 101 mainly has. As shown in FIG. 1, the metabolic simulator 101 includes a simulation processing unit 111, an
シミュレーション処理部111は、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子のシミュレーションに関する処理を行う機能を示す。シミュレーション処理部111は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、およびRAM(Random Access Memory)等により構成される。 The simulation processing unit 111 has a function of performing processing related to a simulation of the state of metabolism from the starting material to the discharged material by an enzyme reaction. The simulation processing unit 111 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like.
入力部112は、例えば、キーボードやマウス等により構成され、例えばユーザからの操作指示等、外部からの情報を受け付ける機能を示す。なお、入力部112を構成する入力デバイスは任意であり、例えば、カメラやマイクであっても良いし、外部入力端子であってもよい。
The
表示部113は、例えば、LCDやCRT等の任意の画像表示デバイスにより構成され、画像情報を表示する機能を示す。表示部113は、例えば、シミュレーション用のGUI(Graphical User Interface)やシミュレーション結果の画像等、シミュレーション処理部111より供給される画像情報を表示する。
The
データ読み出し部114は、例えば、シミュレーション処理部111がシミュレーションを開始する際に、データベース102の酵素ネットワークデータベース121から、酵素に関する情報を読み出してそれをシミュレーション処理部111に供給する機能を示す。データ読み出し部114は、例えば、データベース102を構成する記憶媒体のドライバ等により構成される。データ読み出し部114は、基本的に、酵素ネットワークデータベース121に登録されている全ての酵素についての情報を読み出してシミュレーション処理部111に供給するが、例えば、シミュレーション処理部111に要求された酵素等、特定の一部の酵素についての情報のみを読み出すこともできる。 For example, when the simulation processing unit 111 starts a simulation, the data reading unit 114 has a function of reading information on an enzyme from the enzyme network database 121 of the database 102 and supplying the information to the simulation processing unit 111. The data reading unit 114 is configured by, for example, a driver of a storage medium that configures the database 102. The data reading unit 114 basically reads information about all the enzymes registered in the enzyme network database 121 and supplies the information to the simulation processing unit 111. For example, the enzyme requested by the simulation processing unit 111, etc. It is also possible to read out only information about a specific partial enzyme.
データ書き込み部115は、シミュレーション処理部111より供給される、シミュレーション結果に関する情報等を、データベース102の作成データデータベース122に登録する(記憶させる)。データ書き込み部115は、例えば、データベース102を構成する記憶媒体のドライバ等により構成される。
The data writing unit 115 registers (stores) information related to the simulation result supplied from the simulation processing unit 111 in the
また、図1に示されるように、データベース102には、酵素ネットワークデータベース121および作成データデータベース122が構築される。酵素ネットワークデータベース121は、既存の酵素と各酵素が触媒する酵素反応(代謝経路)に関する情報が登録されるデータベースである。例えば、酵素のID情報、その酵素が触媒する化学反応の反応式、ミカエリス定数、ターンオーバ数、および固有の活動度などの情報が含まれる。ミカエリス定数は、化学反応の反応速度を表す反応速度式(ミカエリス・メンテン式)に利用される定数である。ミカエリス定数Kmは、酵素Eと基質Sが中間複合体ESになる速度k+1、中間複合体ESが酵素Eと基質Sになる速度k-1、および中間複合体ESが生成物Pおよび酵素Eになる速度k+2を用いて、以下の式(1)のように表すことができる。
As shown in FIG. 1, an enzyme network database 121 and a
Km=(k-1+k+2)/k+1 ・・・(1) K m = (k −1 + k +2 ) / k +1 (1)
また、基質の濃度をSとすると、ミカエリス・メンテン式は、以下の式(2)のように表すことができる。 If the substrate concentration is S, the Michaelis-Menten equation can be expressed as the following equation (2).
v=(V×[S])/(Km+[S]) ・・・(2) v = (V × [S]) / (K m + [S]) (2)
ターンオーバ数は、酵素1つ当たりが1秒間に反応させる基質の数(酵素1分子の1秒間当たりの代謝回転分子数)を示す。固有の活動度は、実質的にターンオーバ数と同じ意味であるが単位が異なる。 The turnover number indicates the number of substrates reacted per second per enzyme (number of turnover molecules per second per molecule of enzyme). Intrinsic activity is essentially the same as the number of turnovers, but in different units.
データ読み出し部114は、シミュレーションに使用される酵素の、これらの情報を酵素ネットワークデータベース121より読み出し、それをシミュレーション処理部111に供給する。 The data reading unit 114 reads the information on the enzyme used for the simulation from the enzyme network database 121 and supplies it to the simulation processing unit 111.
作成データデータベース122は、シミュレーション結果、およびシミュレーション結果に関する情報が登録されるデータベースである。データ書き込み部115は、シミュレーション処理部111より供給されるシミュレーション結果を示す各種情報を取得すると、それを作成データデータベース122に供給して記憶させる。
The
動作の概要を説明する。代謝シミュレータ101のシミュレーション処理部111は、入力部112を介して入力されたユーザ指示を受けると、データ読み出し部114を制御し、データベース102の酵素ネットワークデータベース121から酵素ネットワークの情報を読み出させ、シミュレーションを開始する。そして、シミュレーションにより効率の良い酵素ネットワークを特定すると、シミュレーション処理部111は、そのシミュレーション結果を画像情報として表示部113に表示させ、さらに、データ書き込み部115を制御して、そのシミュレーション結果を、データベース102の作成データデータベース122に記憶させる。
An outline of the operation will be described. Upon receiving a user instruction input via the
図2は、表示部113により、酵素ネットワークを画像情報として表示する際の表示例を示す図である。図2に示されるように、表示部113のモニタに、酵素ネットワークを表示するGUIであるウィンドウ131が表示され、そこに酵素ネットワークの画像が描画される。酵素ネットワークは、点であるノードと、ノード同士を結ぶ線であるエッジにより表現される。ノードが酵素、基質、生成物等の物質を表し、エッジはそれらの化学反応(つまり代謝経路)を表す。
FIG. 2 is a diagram illustrating a display example when the enzyme network is displayed as image information by the
このウィンドウ131には、例えば、シミュレーションを開始する前において、酵素ネットワークデータベース121から読み出された、情報処理システム100において既知とされる酵素ネットワーク全体が描画される。ユーザはその描画された酵素ネットワークの中から最初の出発物質と、生成する排出物質を特定し、シミュレーションを開始する。そしてシミュレーションが終了すると、ウィンドウ131には、シミュレーションにより特定された効率のよい酵素ネットワークがシミュレーション結果として描画される。
In this
このように、酵素ネットワークを画像情報(GUI)として表示することにより、ユーザはより容易に酵素ネットワークの様子を把握することができ、より容易に代謝シミュレータ101を操作し、シミュレーションを実行させることができる。 In this way, by displaying the enzyme network as image information (GUI), the user can more easily understand the state of the enzyme network, and more easily operate the metabolic simulator 101 and execute the simulation. it can.
図3は、図1のシミュレーション処理部111の詳細な機能を説明する機能ブロック図である。 FIG. 3 is a functional block diagram illustrating detailed functions of the simulation processing unit 111 in FIG.
図3において、シミュレーション処理部111は、主な構成として処理を行う演算部151と、データを保持する保持部152を有する。演算部151は、設定部161、不要経路削除部162、酵素割り当て部163、排出量算出部164、最大値特定部165、未使用経路削除部166、繰り返し制御部167、表示制御部168、および記憶制御部169を有する。
In FIG. 3, the simulation processing unit 111 includes a
設定部161は、シミュレーションに必要な設定を行う。例えば、設定部161は、シミュレーションを行う酵素群の設定、出発物質およびその量の設定、並びに、酵素による触媒作用に寄与する補酵素等の共通物質およびその量の設定等、シミュレーションを開始するにあたって必要な設定を行う。この他にも例えば温度や湿度の設定、シミュレーションする時間等、実行環境の設定等も行うようにしてもよい。設定部161は、任意の設定を行うことができる。
The
不要経路削除部162は、出発物質と排出物質が特定された時点で、シミュレーションを行う酵素ネットワークから、代謝経路の袋小路等、明らかに排出物質の生成に寄与しない経路を削除する。例えば、指定された排出物質以外の物質を生成するためだけの代謝経路であって、その生成された物質が他の化学反応に利用されないような場合、その経路は、不要経路として削除される。このようにシミュレーションを開始する前に不要経路を削除することにより、シミュレーション処理部111は、不要な演算を低減させることができ、シミュレーションによる負荷を低減させることができるとともに、シミュレーションに要する時間を低減させることができる。
When the starting material and the discharged material are specified, the unnecessary
この不要経路の特定方法は任意であるが、単純な例としては、酵素ネットワーク全体から、エッジが1つしか接続されていないノードを検索して削除する方法がある。ただし、この不要経路の削除をより正確に行うためには、必要以上に経路を削除しないように制御する必要もある。 The method for identifying this unnecessary path is arbitrary, but a simple example is a method of searching and deleting a node to which only one edge is connected from the entire enzyme network. However, in order to delete the unnecessary route more accurately, it is necessary to control not to delete the route more than necessary.
酵素割り当て部162は、シミュレーションの対象となる各酵素に対して、予め定められた総量に基づいて量の割り当てを行う。すなわち、酵素割り当て部162は、シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定する。酵素割り当て部162は、割り当てを行うたびに各酵素の構成比が変わるように設定を行う。この割り当て方法は任意であり、各酵素の割当量をランダムに決定するようにしてもよいし、予め定められた変更パターンに従って各酵素の割当量を毎回変更しながら決定するようにしてもよい。
The
シミュレーションは、酵素割り当て部162によって各酵素の割当量が毎回変更されながら繰り返し実行される。そして各回の排出物質の排出量を比較し、排出量が最大値となるときの構成比が、最も効率がよくなる構成比として特定される。
The simulation is repeatedly executed while the allocation amount of each enzyme is changed each time by the
なお、酵素割り当て部162は、割り当てを行う際に、各酵素のうち、所定の割合の酵素の割当量をゼロとする。例えば、酵素割り当て部162は、酵素群に含まれる各酵素のうち、5つに1つの割合で酵素の割当量をゼロに設定する。
In addition, the
後述するようにシミュレーションによって代謝経路の絞込みを行うが、一般的に、出発物質から排出物質までの経路は多数存在し、互いに複雑に関係しあう。例えば、生成物を少量しか生成しない酵素反応(効率の悪い代謝経路)であっても、その生成された少量の生成物が他の酵素反応に対して大きく寄与し、排出物質の生成効率を大幅に向上させる場合もある。また、例えば、生成物を大量に生成する酵素反応(効率のよい代謝経路)であっても、その大量に生成された生成物が排出物質の生成にわずかしか寄与しない場合もある。このように、代謝経路においては、各酵素反応の並び方が重要であり、1つ1つの酵素反応の効率そのものが経路全体に対して大きな影響を及ぼすことは少ない。従って、単純に代謝経路の一部分の効率だけをみても、その経路が不要であるか否かを判定することが難しく、絞込みを行うことが困難である。 As will be described later, the metabolic pathways are narrowed down by simulation. In general, there are many routes from the starting material to the discharged material, and they are related to each other in a complicated manner. For example, even in an enzyme reaction that produces only a small amount of product (inefficient metabolic pathway), the small amount of product produced greatly contributes to other enzyme reactions, greatly increasing the efficiency of emission generation. In some cases, it may be improved. In addition, for example, even in an enzyme reaction (an efficient metabolic pathway) that generates a large amount of product, the product generated in a large amount may contribute only slightly to the generation of effluent. As described above, in the metabolic pathway, the arrangement of the enzyme reactions is important, and the efficiency of each enzyme reaction itself hardly affects the entire pathway. Therefore, simply looking at the efficiency of a part of the metabolic pathway, it is difficult to determine whether or not the pathway is unnecessary, and it is difficult to narrow down.
つまり、経路の不要な削除を抑制するためには、シミュレーション処理部111が、酵素反応が全く行われなかった代謝経路(未使用経路)のみを削除するようにする必要がある。しかしながら、このようにすると、わずかでも酵素反応が行われるとその経路は削除されないので、代謝経路の絞込みがほとんど行われなくなる可能性がある。 That is, in order to suppress unnecessary deletion of a route, the simulation processing unit 111 needs to delete only a metabolic route (an unused route) in which no enzyme reaction has been performed. However, if this is done, the pathway will not be deleted if an enzymatic reaction is performed even slightly, so there is a possibility that the narrowing of the metabolic pathway will not be performed.
そこで、酵素割り当て部162は、所定の割合で酵素の割当量をゼロとすることにより、強制的に、所定の割合の酵素反応を行わせないようにする。当然、割当量をゼロにされた酵素は削除の対象とされるが、後述するように、シミュレーション処理部111は、割当量を変更しながらシミュレーションを繰り返し行い、排出物質の排出量が最大となる時に酵素反応が行われなかった経路のみを削除する。これは、とりあえず所定の割合で経路を仮に削除してみて、その削除の影響が小さい経路(削除しても排出物質の生成効率が最大となる経路)のみ、削除を決定するのと等価である。このようにすることにより、シミュレーション処理部111は、排出物質の生成に寄与しない経路をより正確に特定することができるので、より効率のよい酵素ネットワークを容易に特定することができる。
Therefore, the
なお、割当量をゼロにする割合は任意である。また、その割合は可変であってもよい。 In addition, the ratio which makes an allocation amount zero is arbitrary. The ratio may be variable.
排出量算出部164は、設定された各種条件に基づいて酵素反応のシミュレーションを行い、排出物質の生成量(排出量)を算出する。排出量算出部164は、各酵素のミカエリス・メンテン式を用いて各酵素反応を演算することにより酵素ネットワーク全体について代謝の様子をシミュレートし、予め定められた所定時間後の排出量を算出する。このとき、排出量算出部164は、どのような手順で演算を行うようにしてもよいが、例えば、1分または1秒等のように短い単位でシミュレートを行い、それを繰り返すことにより、例えば60分等、予め定められた所定時間分のシミュレートを行う。
The discharge
最大値特定部165は、上述したように、酵素の構成比を変えながら所定回数繰り返し算出された排出量の中から、最大値を特定する。未使用経路削除部166は、排出量が最大値となるときのシミュレーションにおいて、未使用であった経路、つまり、酵素反応が行われなかった(トラフィックがゼロであった)経路(酵素)を酵素ネットワークから削除する。繰り返し制御部167は、設定部161乃至未使用経路削除部166を制御し、シミュレートを繰り返し実行させる。
As described above, the maximum
表示制御部168は、最終的に特定された排出量の最大値や、その最大値の排出物質を排出する酵素ネットワーク等をシミュレーション結果として表示部113に表示させる。記憶制御部169は、最終的に特定された排出量の最大値や、その最大値の排出物質を排出する酵素ネットワーク等をシミュレーション結果として、作成データデータベース122に記憶させる。
The
保持部152には、酵素ネットワーク181、出発物質情報182、排出物質情報183、共通物質情報184、酵素量割り当て情報185、反応情報186、排出量最大値187、および最大時酵素ネットワーク188等の各種情報が保持される。
The holding
酵素ネットワーク181は、酵素ネットワークデータベース121より読み出された、シミュレーションの対象となる酵素ネットワークに関する情報である。出発物質情報182は、設定部161により設定された出発物質およびその量の情報を含む出発物質に関する情報である。排出物質情報183は、設定部161により設定された排出物質に関する情報である。共通物質情報184は、設定部161により設定された共通物質およびその量の情報を含む共通物質に関する情報である。酵素量割り当て情報185は、酵素割り当て部163により割り当てられた各酵素の割当量の情報である。反応情報186は、排出量算出部164により算出される各酵素の酵素反応に関する情報である。排出量算出部164は、演算の途中結果を反応情報186として保持部152に保持させながら、ネットワーク全体のシミュレーションを行う。排出量最大値187は、排出量算出部164により算出された排出量の最大値を示す情報である。最大時酵素ネットワーク188は、排出量が最大値となるときの酵素ネットワークに関する情報である。
The
次に、シミュレーション処理部111の各部により実行されるシミュレーション処理の流れの例を図4のフローチャートを参照して説明する。 Next, an example of the flow of simulation processing executed by each unit of the simulation processing unit 111 will be described with reference to the flowchart of FIG.
例えば、入力部112を介して受け付けられたユーザ指示等に基づいて、シミュレーション処理が開始されると、設定部161は、ステップS1において、データ読み出し部114を制御し、酵素ネットワークデータベース121から、シミュレーションを行う酵素ネットワークを読み出す。ステップS2において、設定部161は、例えば入力部112を介して受け付けられたユーザ指示等に基づいてシミュレーションにおける出発物質を設定する。このとき設定部161は、その出発物質の量(濃度)も設定する。例えば、設定部161は、出発物質としてグルコースを、その濃度として40000nmolを設定する。
For example, when the simulation process is started based on a user instruction received via the
次に、設定部161は、ステップS3において、例えば入力部112を介して受け付けられたユーザ指示等に基づいてシミュレーションにおける排出物質を設定する。例えば、設定部161は、排出物質として二酸化炭素(CO2)を設定する。
Next, in step S <b> 3, the
ステップS4において、不要経路削除部162は、不要経路を削除する。また、ステップS5において、設定部161は、例えば入力部112を介して受け付けられたユーザ指示等に基づいてシミュレーションにおける共通物質を設定する。このとき設定部161は、その共通物質の量(濃度)も設定する。例えば、設定部161は、共通物質として、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの酸化型であるNAD+(還元型NADH)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸の酸化型であるNADP+(還元型NADPH)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)、フラビンアデニンジヌクレオチドリン酸(FADP),アデノシン三リン酸(ATP)、グルタミルトランスフェラーゼ(GTP)、ウリジンジリン酸(UDP)、酸素(O2)、水(H2O)、無機リン酸(Orthophosphate)、グアノシン二リン酸(GDP)、アデノシン二リン酸(ADP)、水素イオン(H+)、水素(Hydrogen)、およびコエンザイムA (CoA)を設定し、その濃度として合計400000nmol、つまり、出発物質の10倍を設定する。なお、共通物質の量は、常識の範囲内であれば、多すぎても排出物質の生成効率には影響ない。
In step S4, the unnecessary
ステップS6において、酵素割り当て部163は、シミュレーションの対象とされる各酵素の割当量を設定する。この割当量設定処理の詳細については後述する。
In step S6, the
割当量の設定が終了すると、排出量算出部164は、ステップS7において、酵素反応をシミュレートし、60分間の排出物質(CO2)の排出量を算出する。この排出量算出処理の詳細については後述する。
When the setting of the allocated amount is completed, the emission
ステップS8において、最大値特定部165は、ステップS7の処理において今回算出された排出量が、保持部152に保持している排出量最大値187より大きいか否かを判定し、大きいと判定した場合、ステップS9において、今回算出された排出量により、保持部152に保持されている排出量最大値187を更新する。つまり、今回算出された排出量が新たな排出量最大値187として保持部152に保持される。ステップS9の処理が終了すると、処理はステップS10に進められる。また、ステップS9において、今回算出された排出量が排出量最大値187以下であると判定された場合、最大値特定部165は、ステップS9の処理を省略し、排出量最大値187の更新を行わずに、処理をステップS10に進める。
In step S8, the maximum
ステップS10において、繰り返し制御部167は、シミュレーションを所定回数繰り返したか否かを判定し、繰り返していないと判定した場合、処理をステップS1に戻し、それ以降の処理を繰り返すように制御する。つまり、シミュレーション処理部111は、ステップS1乃至ステップS10の処理を予め定められた所定回数繰り返す。なお、このとき、酵素割り当て部163は、各酵素の構成比率を毎回変更するように割当量の設定を行う。
In step S10, the
ステップS10において、排出量の演算が所定回数繰り返されたと判定した場合、処理はステップS11に進められる。ステップS11において、未使用経路削除部166は、排出量が最大値となるときの酵素ネットワークにおいてトラフィックがゼロであった経路、すなわち、酵素反応が行われなかった酵素を酵素ネットワークより削除する。
If it is determined in step S10 that the calculation of the discharge amount has been repeated a predetermined number of times, the process proceeds to step S11. In step S11, the unused
ステップS12において、繰り返し制御部167は、さらに、シミュレーションを所定回数繰り返したか否かを判定し、繰り返していないと判定した場合、処理をステップS1に戻し、それ以降の処理を繰り返すように制御する。つまり、シミュレーション処理部111は、ステップS1乃至ステップS12の処理を予め定められた所定回数繰り返す。
In step S12, the
シミュレーションにおいては多様な条件について排出量の算出が行われる。従って、特別な条件下でのみ、極めて稀に発生する現象などにより、偶然に排出量が大きくなる場合がある。このような特異なケースは再現性が低いことも考えられる。そこで、より確実に高排出量を期待することができる酵素ネットワークを求めるために、繰り返し制御部167は、複数回排出量最大値を求めるように制御する。
In the simulation, emissions are calculated for various conditions. Therefore, the emission amount may increase by chance due to a phenomenon that occurs very rarely only under special conditions. Such a unique case may have low reproducibility. Therefore, in order to obtain an enzyme network that can more reliably expect a high discharge amount, the
そしてステップS12において、所定回数繰り返されたと判定した場合、繰り返し制御部167は、処理をステップS13に進める。ステップS13において、表示制御部168は、算出された排出量最大値187と、そのときの各酵素の酵素濃度の数値を、表示部113に表示させる。また、表示制御部168は、ステップS14において、排出量が最大となるときの代謝経路(最大時酵素ネットワーク188)を図2に示されるように、ノードおよびエッジで描画し、その画像情報を表示部113に表示させる。
If it is determined in step S12 that the process has been repeated a predetermined number of times, the
ステップS15において、記憶制御部169は、算出された排出量最大値と、そのときの各酵素の酵素濃度の情報等を、作成データベース122に登録する。ステップS15の処理が終了すると、シミュレーション処理が終了される。
In step S <b> 15, the
次に、図4のステップS6において実行される割当量設定処理の詳細な流れの例を図5のフローチャートを参照して説明する。 Next, an example of a detailed flow of the allocation amount setting process executed in step S6 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart of FIG.
割当量設定処理が開始されると、酵素割り当て部163は、ステップS21において、保持部152にシミュレーション対象として保持されている酵素ネットワーク181に基づいて、酵素量(濃度)の割り当てを行う酵素を特定する。つまり、酵素割り当て部163は、酵素ネットワーク181に含まれる酵素を、割り当ての対象とする。
When the allocation amount setting process is started, the
ステップS22において、酵素割り当て部163は、割当量をゼロとする酵素を所定の割合で設定する。上述したように、酵素割り当て部163は、割り当て対象の酵素のうち、一部の酵素の濃度を0nmolに設定する。
In step S22, the
ステップS23において、酵素割り当て部163は、予め設定されている酵素の総量に基づいて、残りの各酵素の割当量(濃度)を決定する。つまり、酵素割り当て部163は、各酵素の構成比を設定する。
In step S23, the
ステップS23の処理が終了すると、酵素割り当て部163は、処理を図4のステップS6に戻し、ステップS7以降の処理を実行させる。
When the process of step S23 ends, the
次に、図4のステップS7において実行される排出量算出処理の詳細な流れの例を図6のフローチャートを参照して説明する。 Next, an example of a detailed flow of the emission amount calculation process executed in step S7 of FIG. 4 will be described with reference to the flowchart of FIG.
排出量算出処理が開始されると、排出量算出部164は、ステップS41において、酵素ネットワーク181の中の未処理の酵素の中から、酵素反応をシミュレートする新たな処理対象酵素を選択する。酵素を選択すると、排出量算出部164は、ステップS42において、ミカエリス・メンテン式等を用いて、その酵素が触媒する酵素反応の、1分あたりに反応する濃度(量)を示す反応濃度(つまり反応速度と等価である)を算出し、ステップS43において、化学反応させられる物質である基質の1分後の濃度(1分後の基質濃度)を算出し、ステップS44において、算出した基質濃度と反応濃度に基づいて、化学反応により基質から生成される物質である生成物質の1分後の濃度(1分後の生成物濃度)を算出する。
When the discharge amount calculation process is started, the discharge
ステップS45において、繰り返し制御部167は、全ての酵素について反応濃度、基質濃度、および生成物濃度を算出したか否かを判定し、処理対象の酵素ネットワーク181の中に、未処理の酵素が存在すると判定した場合、処理をステップS41に戻し、それ以降の処理を繰り返すように制御する。
In step S45, the
また、ステップS45において、全ての酵素について各濃度を算出した、つまり、1分間分のシミュレーションが終了したと判定した場合、繰り返し制御部167は、処理をステップS46に進める。ステップS46において、排出量算出部164は、全ての酵素について各濃度を求めることにより算出された排出物質の排出量を、保持している総排出量に加算する。
In Step S45, when it is determined that the respective concentrations have been calculated for all the enzymes, that is, the simulation for one minute has been completed, the
ステップS47において、繰り返し制御部167は、60分間分のシミュレーションを行い、60分後の排出量を算出したか否かを判定し、まだ60分後の排出量を算出していないと判定した場合、処理をステップS41に戻し、それ以降の処理を繰り返すように制御する。そして、ステップS47において、60分後の排出量を算出したと判定した場合、繰り返し制御部167は、排出量算出処理を終了し、処理を図4のステップS7に戻し、ステップS8以降の処理を実行させる。
In step S47, the
以上においては、排出量算出部164が、1分ずつのシミュレーションを60回行うことにより、60分後の排出量を算出するように説明したが、シミュレーションする時間および方法は任意である。例えば、10分ずつのシミュレーションが6回行われるようにしてもよいし、秒単位のシミュレーションを繰り返すようにしてもよいし、120分後の排出量を算出するようにしてもよいし、24時間後の排出量を算出するようにしてもよい。もちろん、これら以外の時間を適用するようにしてもよい。
In the above description, it has been described that the discharge
以上のように、酵素の構成比を変更しながら排出量の算出を繰り返し行い、排出量が最大となる酵素ネットワークにおいて酵素反応が行われなかった経路を削除(淘汰)し、さらに排出量の算出を繰り返すことにより、情報処理システム100は、より効率のよい酵素ネットワークを特定することができる。これにより、ユーザは、より効率のよい酵素ネットワークを容易に特定することができる。
As described above, the calculation of the emission amount is repeated while changing the composition ratio of the enzyme, the path where the enzyme reaction has not been performed in the enzyme network where the emission amount is maximum is deleted (淘汰), and the emission amount is calculated. By repeating the above, the
なお、酵素割り当て部163が、割り当ての際に、任意に選択される所定の割合の酵素の構成比をゼロとすることにより、経路の削除(淘汰)を活性化させることができるので、情報処理システム100は、より効率のよい酵素ネットワークを特定することができる。
In addition, since the
また、不要経路削除部162が排出物質の生成に不要な経路を予め削除することにより、シミュレーション処理の負荷およびシミュレーション時間を低減させることができる。
Moreover, the unnecessary
さらに、表示制御部168がシミュレーション結果を表示部113に表示させることにより、ユーザは、容易にシミュレーション結果を把握することができる。
Furthermore, the
また、記憶制御部169がシミュレーション結果を作成データデータベース122に記憶させることにより、ユーザは、シミュレーション後任意のタイミングでシミュレーション結果を確認することができる。また、シミュレーション結果の他の処理への利用も任意のタイミングで可能となる。
Further, the
以下に、以上のようなシミュレーションにより求めた酵素ネットワークの例について説明する。 Below, the example of the enzyme network calculated | required by the above simulations is demonstrated.
図7は、図1の情報処理システム100により特定された酵素ネットワークの例を示す図である。図7に示される酵素ネットワーク200は、出発物質をグルコース、排出物質をCO2とする代謝ネットワークを形成し、グルコースから効率よくCO2を生成して排出する。また、その代謝の過程において電子を放出する。つまり、酵素ネットワーク200は、グルコースから効率よく電子を生成するので、バイオ燃料電池用の酵素ネットワークとして用いるのに好適である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an enzyme network identified by the
図7の酵素ネットワーク200の構成について、まず、概要を説明する。図7においては、酵素ネットワーク200の代謝経路が矢印(エッジ)で示されている。そのエッジで結ばれる、図中四角で示されるノードは、基質や酵素等を示す。つまり、図7において、酵素ネットワーク200は、各酵素による酵素反応の連なりとして示されている。具体的には、基本的に1つの酵素反応が以下の式(3)のように示されており、酵素ネットワーク200は、複数の式(3)が互いに結び付けられた構成となっている。
First, the outline of the configuration of the
S→(E+S)→(E+P)→P ・・・(3) S → (E + S) → (E + P) → P (3)
式(3)において、Sは基質、Eは酵素、Pは生成物を示す。つまり、3つのエッジ(4つのノード)により1つの酵素反応の各過程を示している。ただし、図7において、基質や生成物には、補酵素等の共通物質等も含まれる。また、図7に示されるように矢印(エッジ)の向きは逆方向もありうる。図7において、例えば、ノード211やノード214のように白四角で示されるノードが、式(3)のSやPの項を示しており、例えば、ノード212やノード213のような灰色四角で示されるノードが、式(3)の(E+S)や(E+P)の項を示している。つまり、図7に示されるように、酵素ネットワーク200は、基質や生成物を共通とする酵素反応同士が結び付けられたものである。
In the formula (3), S represents a substrate, E represents an enzyme, and P represents a product. That is, each process of one enzyme reaction is shown by three edges (four nodes). However, in FIG. 7, the substrate and the product include common substances such as coenzymes. Further, as shown in FIG. 7, the direction of the arrow (edge) may be reversed. In FIG. 7, for example, nodes indicated by white squares such as the
図7の酵素ネットワーク200のシミュレーション結果を図8乃至図16に示す。これらを参照して酵素ネットワーク200の構成についてより具体的に説明する。
The simulation results of the
図8の範囲301に記載されるリストは、酵素ネットワーク200において行われる各酵素反応をリスト化したものであり、各行は、式(3)における(E+S)→(E+P)の部分を示している。例えば、上から2行目の「2.7.1.2[ATP,D-Glucose]→2.7.1.2[ADP,D-Glucose 60phosphate]」は、図7のノード212からノード213への化学反応を示している。これらの詳細については、図9乃至図16に記載されているので、それらを参照して後述する。
The list described in the
図8の範囲302には、最終的な生成物(排出物質)とその濃度(排出量)が示されている。
A final product (exhaust substance) and its concentration (exhaust amount) are shown in a
図9乃至図16には酵素反応の詳細が示されている。図9乃至図16の範囲311乃至範囲336の構成は基本的に共通であるので、まず、その構成について、図9の範囲311を参照して説明する。 9 to 16 show details of the enzyme reaction. Since the configurations of the ranges 311 to 336 in FIGS. 9 to 16 are basically the same, first, the configuration will be described with reference to the range 311 of FIG.
上から1行目の「ID」には、酵素のIDが示されている。このIDは、各酵素を識別する識別情報であり、所謂EC番号である。EC番号は、国際生化学連合の酵素委員会によって付与されるIDであり、4つの番号の組み合わせよりなる。酵素は、酵素を反応特異性と基質特異性の違いによって分類される。EC番号は酵素がこの分類のどこに属するかを示すものである。4つの数字のうち左から右に向かって細分化されている。なお、酵素には、さらに基質分子の名称と反応の名称を連結した系統名が付される。なお、一部の酵素には、基質の一部を省略したりして短縮された常用名が用いられることもある。 The ID of the enzyme is shown in “ID” on the first line from the top. This ID is identification information for identifying each enzyme, and is a so-called EC number. The EC number is an ID assigned by the Enzyme Committee of the International Biochemical Union, and consists of a combination of four numbers. Enzymes are classified according to differences in reaction specificity and substrate specificity. The EC number indicates where the enzyme belongs in this category. Of the four numbers, they are subdivided from left to right. The enzyme is further given a system name in which the name of the substrate molecule and the name of the reaction are linked. For some enzymes, common names that are shortened by omitting part of the substrate may be used.
本実施の形態においては、EC番号を用いて酵素を識別する。ただし、酵素ネットワークデータベース121内において各酵素を識別可能であれば、どのような識別情報を用いて酵素を識別するようにしてもよい。 In the present embodiment, an enzyme is identified using an EC number. However, as long as each enzyme can be identified in the enzyme network database 121, any identification information may be used to identify the enzyme.
上から2行目の「Reaction」には、酵素反応式が示されている。これは、図8の範囲301に記述されるリストと同様であり、式(3)のにおける(E+S)→(E+P)の部分を示している。範囲311乃至範囲336の各範囲の記述は、このReaction単位の情報を記述したものである。なお、酵素によっては逆向きに反応することもあるので、1つの酵素に対して2つのReactionが存在する場合もある。その場合、2つの範囲を用いてそれぞれのReactionについて記述されている。
The “Reaction” in the second line from the top shows the enzyme reaction formula. This is the same as the list described in the
上から3行目の「Michaelis Constant」は、この酵素反応のミカエリス定数を示している。各酵素反応のミカエリス定数は酵素ネットワークデータベース121に予め登録されている。なお、本実施の形態においては、酵素ネットワークデータベース121として、ドイツのCologne大学のBrendaを用いている。つまり、ミカエリス定数の値は、Brendaにおいて定義される値が用いられている。 “Michaelis Constant” on the third line from the top indicates the Michaelis constant of this enzymatic reaction. The Michaelis constant of each enzyme reaction is registered in advance in the enzyme network database 121. In the present embodiment, Brenda from Cologne University in Germany is used as the enzyme network database 121. That is, the value defined in Brenda is used as the value of the Michaelis constant.
上から4行目の「Turnover Number」は、この酵素反応のターンオーバ数を示している。このターンオーバ数もミカエリス定数と同様に、酵素ネットワークデータベース121において定義されており、本実施の形態においては、Brendaにおいて定義されている値を用いている。 “Turnover Number” on the fourth line from the top indicates the turnover number of this enzyme reaction. This turnover number is also defined in the enzyme network database 121 as in the Michaelis constant. In the present embodiment, the value defined in Brenda is used.
上から5行目の「Specific Activity」は、この酵素反応の固有の活動度を示している。この固有の活動度もターンオーバ数やミカエリス定数と同様に、酵素ネットワークデータベース121において定義されており、本実施の形態においては、Brendaにおいて定義されている値を用いている。 “Specific Activity” on the fifth line from the top indicates the specific activity of this enzyme reaction. Similar to the turnover number and Michaelis constant, this unique activity is also defined in the enzyme network database 121. In this embodiment, the value defined in Brenda is used.
上から6行目の「Organism」は、自然界においてその酵素が存在する生物名のリストである。下から2行目の「Amount」は、その酵素の割当量(濃度)を示している。なお、図9乃至図16には、各酵素の、排出物質の排出量が最大値をとるときの割当量(濃度)が示されている。下から1行目の「Traffic」は、その酵素反応の反応濃度を示している。この反応速度は、ミカエリス定数、ターンオーバ数、基質濃度、酵素の割当量等に基づいて、排出量算出部164が算出した値である。
“Organism” on the 6th line from the top is a list of organism names where the enzyme exists in nature. “Amount” in the second line from the bottom indicates the allocated amount (concentration) of the enzyme. 9 to 16 show the assigned amount (concentration) of each enzyme when the emission amount of the emission substance takes the maximum value. “Traffic” in the first line from the bottom indicates the reaction concentration of the enzyme reaction. This reaction rate is a value calculated by the discharge
以上のような構成で情報が記述された範囲311乃至範囲336を参照しながら、図7の構成を説明する。
The configuration of FIG. 7 will be described with reference to a range 311 to a
図7において、ノード211は、出発物質であり、ノード212からノード213への酵素反応の基質である「D-Glucose」を示す。なお、出発物質の濃度は、「40000.0 nmol」とする。
In FIG. 7, a
ノード212からノード213への酵素反応についての情報は、図9の範囲311に記述される。つまり、ノード212は、ID「2.7.1.2」の酵素(glucokinase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Glucose」および「ATP」を示し、ノード213は、ID「2.7.1.2」の酵素(glucokinase)、並びに、この酵素反応の生成物である「ADP」および「D-Glucose 6-phosphate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.028 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「410.0 /s」であり、固有の活動度は「370.0 umol/min/mg」である。この酵素(2.7.1.2)は、例えば、大腸菌、バクテリア、ドブネズミ、および人などから採取することができる。また、この酵素(2.7.1.2)の割当量(濃度)は、「6.344967267689803 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「40000.0 nmol」であった。
Information about the enzymatic reaction from
ノード214は、ノード212からノード213への酵素反応の生成物である「D-Glucose 6-phosphate」を示す。なお、このノード214(D-Glucose 6-phosphate)は、ノード215からノード216への酵素反応の基質、並びに、ノード216からノード215への酵素反応の生成物でもある。
The node 214 indicates “D-Glucose 6-phosphate” which is a product of the enzyme reaction from the
ノード215からノード216への酵素反応についての情報は、図14の範囲330に記述される。つまり、ノード215は、ID「1.1.1.49」の酵素(glucose-6-phosphate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「NADP+」および「D-Glucose 6-phosphate」を示し、ノード216は、ID「1.1.1.49」の酵素(glucose-6-phosphate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「NADPH」、「h」、「D-Glucono-1」、および「5-lactone 6-phosphate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「1.2000000000000002E-5 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「30100.0 /s」であり、固有の活動度は「790.0 umol/min/mg」である。この酵素(1.1.1.49)は、例えば、グリーンピース、トウモロコシ、イノシシ、カンジダカビ、バクテリア、ドブネズミ、イヌ、ウシ、および人などから採取することができる。また、この酵素(1.1.1.49)の割当量(濃度)は、「5.723009684711666 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「40000.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード216からノード215への酵素反応についての情報は、図14の範囲331に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「0.014 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「0.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード217は、ノード215からノード216への酵素反応の生成物である「D-Glucono-1」および「5-lactone 6-phosphate」を示す。なお、このノード217(D-Glucono-1および5-lactone 6-phosphate)は、ノード216からノード215への酵素反応の基質、並びに、ノード218からノード219への酵素反応の基質でもある。
ノード218からノード219への酵素反応についての情報は、図13の範囲326に記述される。つまり、ノード218は、ID「3.1.1.31」の酵素(6-phosphogluconolactonase)、並びに、この酵素反応の基質である「H20」、「D-Glucono-1」、および「5-lactone 6-phosphate」を示し、ノード219は、ID「3.1.1.31」の酵素(6-phosphogluconolactonase)、並びに、この酵素反応の生成物である「6-Phospho-D-gluconate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.08 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」であり、固有の活動度は「6753.0 umol/min/mg」である。この酵素(3.1.1.31)は、例えば、ドブネズミ、ヒト、ウシ、および大腸菌などから採取することができる。また、この酵素(3.1.1.31)の割当量(濃度)は、「7.107184800310227 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「40000.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード220は、ノード218からノード219への酵素反応の生成物である「6-Phospho-D-gluconate」を示す。なお、このノード220(6-Phospho-D-gluconate)は、ノード221からノード222への酵素反応の基質でもある。
ノード221からノード222への酵素反応についての情報は、図16の範囲336に記述される。つまり、ノード221は、ID「4.2.1.12」(phosphogluconate dehydratase)の酵素、並びに、この酵素反応の基質である「6-Phospho-D-gluconate」を示し、ノード222は、ID「4.2.1.12」の酵素(phosphogluconate dehydratase)、並びに、この酵素反応の生成物である「H20」および「2-Dehydro-3-deoxy-6-phospho-D-gluconate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.04 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」である。この酵素(4.2.1.12)は、例えば、根粒菌、大腸菌、およびカンジダカビなどから採取することができる。また、この酵素(4.2.1.12)の割当量(濃度)は、「3.3411991914852237 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「40000.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード223は、ノード221からノード222への酵素反応の生成物である「2-Dehydro-3-deoxy-6-phospho-D-gluconate」を示す。なお、このノード223(2-Dehydro-3-deoxy-6-phospho-D-gluconate)は、ノード224からノード225への酵素反応の基質、並びに、ノード225からノード224への酵素反応の基質でもある。
A
ノード224からノード225への酵素反応についての情報は、図15の範囲334に記述される。つまり、ノード224は、ID「4.1.2.14」の酵素(2-dehydro-3-deoxy-phosphogluconate aldolase)、並びに、この酵素反応の基質である「2-Dehydro-3-deoxy-6-phospho-D-gluconate」を示し、ノード225は、ID「4.1.2.14」の酵素(2-dehydro-3-deoxy-phosphogluconate aldolase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Pyruvate」および「(2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.0060 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「533.0 /s」であり、固有の活動度は「625.0 umol/min/mg」である。この酵素(4.1.2.14)は、例えば、根粒菌や大腸菌などから採取することができる。また、この酵素(4.1.2.14)の割当量(濃度)は、「1.459436730959706 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「40000.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from node 224 to
ノード225からノード224への酵素反応についての情報は、図16の範囲335に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「10.0 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「6.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「0.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード226は、ノード224からノード225への酵素反応の生成物である「(2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal」を示す。なお、このノード226((2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propana)は、ノード225からノード224への酵素反応の基質、ノード228からノード229への酵素反応の基質、並びに、ノード229からノード228への酵素反応の生成物でもある。
ノード228からノード229への酵素反応についての情報は、図10の範囲316に記述される。つまり、ノード228は、ID「1.2.1.9」の酵素(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「(2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal」、「NADP+」、および「H2O」を示し、ノード229は、ID「1.2.1.9」の酵素(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「3-Phospho-D-glycerate」、「NADPH」、および、2つの「h」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.017 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「103.0 /s」であり、固有の活動度は「150.5 umol/min/mg」である。この酵素(1.2.1.9)は、例えば、グリーンピース、バクテリア、トウモロコシ、ムギ、およびホウレンソウなどから採取することができる。また、この酵素(1.2.1.9)の割当量(濃度)は、「6.260318661362094 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「47510.533612162806 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード229からノード228への酵素反応についての情報は、図10の範囲317に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「0.062 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「7510.533612162805 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード230は、ノード228からノード229への酵素反応の生成物である「3-Phospho-D-glycerate」を示す。なお、このノード230(3-Phospho-D-glycerate)は、ノード229からノード228への酵素反応の基質、ノード237からノード238への酵素反応の生成物、ノード238からノード237への酵素反応の基質、ノード239からノード240への酵素反応の基質、並びに、ノード240からノード239への酵素反応の生成物でもある。
The
ノード227は、ノード224からノード225への酵素反応の生成物である「Pyruvate」を示す。なお、このノード226(Pyruvate)は、ノード225からノード224への酵素反応の基質、ノード231からノード232への酵素反応の基質、ノード232からノード231への酵素反応の生成物、ノード262からノード263への酵素反応の生成物、ノード263からノード262への酵素反応の基質、並びに、ノード264からノード265への酵素反応の基質でもある。
ノード231からノード232への酵素反応についての情報は、図13の範囲328に記述される。つまり、ノード231は、ID「2.7.1.40」の酵素(pyruvate kinase)、並びに、この酵素反応の基質である「ATP」および「Pyruvate」を示し、ノード232は、ID「2.7.1.40」の酵素(pyruvate kinase)、並びに、この酵素反応の生成物である「ADP」および「Phosphoenolpyruvate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.48 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」であり、固有の活動度は「1685.0 umol/min/mg」である。この酵素(2.7.1.40)は、例えば、イノシシ、バクテリア、サルモネラ菌、ホウレンソウ、ウシ、カイウサギ、イヌ、ミドリムシ、ヒト、ドブネズミ、および大腸菌などから採取することができる。また、この酵素(2.7.1.40)の割当量(濃度)は、「5.644579048497802 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「93983.78606942232 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード232からノード231への酵素反応についての情報は、図14の範囲329に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「0.03 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「232.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「60916.44483227227 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from the
ノード233は、ノード231からノード232への酵素反応の生成物である「Phosphoenolpyruvate」を示す。なお、このノード233(Phosphoenolpyruvate)は、ノード232からノード231への酵素反応の基質、ノード234からノード235への酵素反応の基質、並びに、ノード235からノード234への酵素反応の生成物でもある。
The
ノード234からノード235への酵素反応についての情報は、図9の範囲313に記述される。つまり、ノード234は、ID「4.2.1.11」の酵素(phosphopyruvate hydratase)、並びに、この酵素反応の基質である「Phosphoenolpyruvate」および「H2O」を示し、ノード235は、ID「4.2.1.11」の酵素(phosphopyruvate hydratase)、並びに、この酵素反応の生成物である「2-Phospho-D-glycerate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.11 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。この酵素(4.2.1.11)は、例えば、トウモロコシ、イノシシ、カンジダカビ、カイウサギ、バクテリア、ドブネズミ、イヌ、ウシ、大腸菌、およびヒトなどから採取することができる。また、この酵素(4.2.1.11)の割当量(濃度)は、「5.677655768238286 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「39875.078162698206 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード235からノード234への酵素反応についての情報は、図9の範囲312に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「0.0 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「230.0 /s」であり、固有の活動度は「1118.0 umol/min/mg」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「6807.736925548192 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード236は、ノード234からノード235への酵素反応の生成物である「2-Phospho-D-glycerate」を示す。なお、このノード233(2-Phospho-D-glycerate)は、ノード235からノード234への酵素反応の基質、ノード237からノード238への酵素反応の基質、並びに、ノード238からノード237への酵素反応の生成物でもある。
ノード237からノード238への酵素反応についての情報は、図15の範囲332に記述される。つまり、ノード237は、ID「5.4.2.1」の酵素(phosphoglycerate mutase)、並びに、この酵素反応の基質である「2-Phospho-D-glycerate」を示し、ノード238は、ID「5.4.2.1」の酵素(phosphoglycerate mutase)、並びに、この酵素反応の生成物である「3-Phospho-D-glycerate」を示す。なお、この生成物「3-Phospho-D-glycerate」は、上述したノード230に示される。また、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.041 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「199.0 /s」であり、固有の活動度は「2880.0 umol/min/mg」である。この酵素(5.4.2.1)は、例えば、トウモロコシ、ムギ、イノシシ、線虫、カイウサギ、バクテリア、ドブネズミ、ウシ、大腸菌、イネ、ヒト、およびカンジダカビなどから採取することができる。また、この酵素(5.4.2.1)の割当量(濃度)は、「5.5627079024453545 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「63015.941943861675 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード238からノード237への酵素反応についての情報は、図15の範囲333に記述される。なお、この酵素反応の基質である「3-Phospho-D-glycerate」は、上述したノード230に示される。この酵素反応のミカエリス定数は、「0.026 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「530.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「29948.60070671166 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード239からノード240への酵素反応についての情報は、図12の範囲325に記述される。なお、この酵素反応の基質は、上述したノード230に示される。つまり、ノード239は、ID「3.1.3.38」の酵素(3-phosphoglycerate phosphatase)、並びに、この酵素反応の基質である「3-Phospho-D-glycerate」および「H2O」を示し、ノード240は、ID「3.1.3.38」の酵素(3-phosphoglycerate phosphatase)、並びに、この酵素反応の生成物である「D-Glycerate」および「Orthophosphate」を示す。また、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.28 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」であり、固有の活動度は「740.0 umol/min/mg」である。この酵素(3.1.3.38)は、例えば、グリーンピース、トウモロコシ、アルファルファ、およびホウレンソウなどから採取することができる。また、この酵素(3.1.3.38)の割当量(濃度)は、「2.938928995971154 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「73067.34123715002 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード241は、ノード239からノード240への酵素反応の生成物である「Orthophosphate」を示す。また、ノード242は、ノード239からノード240への酵素反応の生成物である「D-Glycerate」を示す。なお、このノード242(D-Glycerate)は、ノード243からノード244への酵素反応の基質、並びに、ノード244からノード243への酵素反応の生成物でもある。
The
ノード243からノード244への酵素反応についての情報は、図11の範囲318に記述される。つまり、ノード243は、ID「1.1.1.81」の酵素(hydroxypyruvate reductase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Glycerate」および「NADP+」を示し、ノード244は、ID「1.1.1.81」の酵素(hydroxypyruvate reductase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Hydroxypyruvate」、「NADPH」、および「h」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.037 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」であり、固有の活動度は「943.0 umol/min/mg」である。この酵素(1.1.1.81)は、例えば、グリーンピース、トウモロコシ、ドブネズミ、イノシシ、ウシ、およびホウレンソウなどから採取することができる。また、この酵素(1.1.1.81)の割当量(濃度)は、「20.00797589129738 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「354833.7646339715 nmol」であった。
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ノード244からノード243への酵素反応についての情報は、図11の範囲319に記述される。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.015 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「281766.4233968215 nmol」であった。
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ノード245は、ノード243からノード244への酵素反応の生成物である「Hydroxypyruvate」を示す。なお、このノード245(Hydroxypyruvate)は、ノード244からノード243への酵素反応の基質、並びに、ノード246からノード247への酵素反応の基質でもある。
ノード246からノード247への酵素反応についての情報は、図13の範囲327に記述される。つまり、ノード246は、ID「4.1.1.40」の酵素(hydroxypyruvate decarboxylase)、並びに、この酵素反応の基質である「Hydroxypyruvate」を示し、ノード247は、ID「4.1.1.40」の酵素(hydroxypyruvate decarboxylase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Glycolaldehyde」および「CO2」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「1.0 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」である。この酵素(4.1.1.40)は、例えば、イヌ、ウシ、カイウサギ、ドブネズミ、およびイノシシなどから採取することができる。また、この酵素(4.1.1.40)の割当量(濃度)は、「4.032799046786325 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「73067.34123715002 nmol」であった。
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ノード248は、ノード246からノード247への酵素反応の生成物である「Glycolaldehyde」を示す。なお、このノード248(Glycolaldehyde)は、ノード249からノード251への酵素反応の基質、並びに、ノード251からノード249への酵素反応の基質でもある。
また、ノード250は、ノード249からノード251への酵素反応の基質、および、ノード251からノード249への酵素反応の生成物である「NAD+」を示す。
Further, the
ノード249からノード251への酵素反応についての情報は、図10の範囲314に記述される。つまり、ノード249は、ID「1.2.1.21」の酵素(glycolaldehyde dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「Glycolaldehyde」、「NAD+」、および「H2O」を示し、ノード251は、ID「1.2.1.21」の酵素(glycolaldehyde dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Glycolate」、「NADH」、および2つの「h」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は「0.027 mmol/l」であり、ターンオーバ数は「100.0 /s」であり、固有の活動度は「30.5 umol/min/mg」である。この酵素(1.2.1.21)は、例えば、バクテリア、サルモネラ菌、および大腸菌などから採取することができる。また、この酵素(1.2.1.21)の割当量(濃度)は、「7.061585889861108 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「105296.45600275489 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード251からノード249への酵素反応についての情報は、図10の範囲315に記述される。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「5.9000000000000025E-8 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「32229.114765604863 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード252は、ノード249からノード251への酵素反応の生成物、および、ノード251からノード249への酵素反応の基質である「NADH」を示す。
The
また、ノード253は、ノード249からノード251への酵素反応の生成物、および、ノード251からノード249への酵素反応の基質である「Glycolate」を示す。なお、このノード253(Glycolate)は、ノード254からノード256への酵素反応の基質でもある。
A
ノード254からノード256への酵素反応についての情報は、図11の範囲320に記述される。つまり、ノード254は、ID「1.1.99.14」の酵素(glycolate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「Glycolate」および「Acceptor」を示し、ノード256は、ID「1.1.99.14」の酵素(glycolate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Glyoxylate」および「Reduced acceptor」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は「0.04 mmol/l」であり、ターンオーバ数は「100.0 /s」であり、固有の活動度は「3.1 umol/min/mg」である。この酵素(1.1.99.14)は、例えば、ドナリエラ藻、ミドリムシ、およびシロイヌナズナなどから採取することができる。また、この酵素(1.1.99.14)の割当量(濃度)は、「6.219569206751489 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「73067.34123715002 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード255は、ノード254からノード256への酵素反応の基質である「Acceptor」を示す。
The
ノード257は、ノード254からノード256への酵素反応の生成物である「Reduced acceptor」を示す。
The
ノード258は、ノード254からノード256への酵素反応の生成物である「Glyoxylate」を示す。なお、このノード258(Glyoxylate)は、ノード259からノード260への酵素反応の基質でもある。
ノード259からノード260への酵素反応についての情報は、図11の範囲321に記述される。つまり、ノード259は、ID「2.3.3.9」の酵素(malate synthase)、並びに、この酵素反応の基質である「Acetyl-CoA」、「H2O」、および「Glyoxylate」を示し、ノード260は、ID「2.3.3.9」の酵素(malate synthase)、並びに、この酵素反応の生成物である「(S)-Malate」および「CoA」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は「5.9E-4 mmol/l」であり、ターンオーバ数は「161.0 /s」であり、固有の活動度は「25090.0 umol/min/mg」である。この酵素(2.3.3.9)は、例えば、ドナリエラ藻、ミドリムシ、およびシロイヌナズナなどから採取することができる。また、この酵素(2.3.3.9)の割当量(濃度)は、「6.1659687812423245 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「73067.34123715002 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from the
ノード261は、ノード259からノード260への酵素反応の生成物である「(S)-Malate」を示す。なお、このノード261((S)-Malate)は、ノード262からノード263への酵素反応の基質、および、ノード263からノード262への酵素反応の生成物でもある。
The
ノード262からノード263への酵素反応についての情報は、図12の範囲322に記述される。つまり、ノード262は、ID「1.1.1.40」の酵素(malate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「(S)-Malate」および「NADP+」を示し、ノード263は、ID「1.1.1.40」の酵素(malate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Pyruvate」、「CO2」、および「NADPH」を示す。なお、この生成物「Pyruvate」は、上述したノード227に示される。この酵素反応のミカエリス定数は「0.00118 mmol/l」であり、ターンオーバ数は「582.0 /s」であり、固有の活動度は「7910.0 umol/min/mg」である。この酵素(1.1.1.40)は、例えば、トウモロコシ、イノシシ、カイウサギ、根粒菌、ヒト、ムギ、ドブネズミ、およびウシなどから採取することができる。また、この酵素(1.1.1.40)の割当量(濃度)は、「5.307051508393477 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「73067.34123715002 nmol」であった。
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ノード263からノード262への酵素反応についての情報は、図12の範囲323に記述される。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.0020 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「0.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード264からノード265への酵素反応についての情報は、図12の範囲324に記述される。つまり、ノード264は、ID「1.2.1.51」の酵素(pyruvate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「Pyruvate」、「CoA」、および「NADP+」を示し、ノード265は、ID「1.2.1.51」の酵素(pyruvate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Acetyl-CoA」、「CO2」、および「NADPH」を示す。なお、この基質「Pyruvate」は、上述したノード227に示される。この酵素反応のミカエリス定数は「0.0066 mmol/l」であり、ターンオーバ数は「100.0 /s」であり、固有の活動度は「15.3 umol/min/mg」である。この酵素(1.2.1.51)は、例えば、ミドリムシなどから採取することができる。また、この酵素(1.2.1.51)の割当量(濃度)は、「1.145061623996569 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「80000.0 nmol」であった。
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ノード266は、ノード264からノード265への酵素反応の生成物である「Acetyl-CoA」を示す。なお、このノード266(Acetyl-CoA)は、ノード259からノード260への酵素反応の基質でもある。
以上のような構成のシミュレーション結果が図16の範囲337に示される。出発物質を「D-Glucose」とし、排出物質を「CO2」として、60分後の排出量を算出させたところ、排出量の最大値は、「226134.6824743001 nmol」であった。
A simulation result having the above configuration is shown in a
この酵素ネットワーク200の効率を、既知の代謝経路であるペントースリン酸回路と比較する。
The efficiency of this
図17は、ペントースリン酸回路の構成例を示す図である。図17において、ペントースリン酸回路400の表記方法は、基本的に図7の酵素ネットワーク200の場合と同様であるのでその説明は省略する。
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of a pentose phosphate circuit. In FIG. 17, the notation method of the pentose phosphate circuit 400 is basically the same as that of the
図17のペントースリン酸回路400のシミュレーション結果は、図18乃至図23に示される。これらを参照してペントースリン酸回路400の構成についてより具体的に説明する。 The simulation results of the pentose phosphate circuit 400 of FIG. 17 are shown in FIGS. The configuration of the pentose phosphate circuit 400 will be described more specifically with reference to these.
図18の範囲501に記載されるリストは、ペントースリン酸回路400において行われる各酵素反応をリスト化したものである。記載のフォーマットは、図8の場合と同様であるので説明を省略する。
The list described in the
図18の範囲502には、最終的な生成物(排出物質)とその濃度(排出量)が示されている。
A
図19乃至図23には酵素反応の詳細が示されている。図19乃至図23の範囲511乃至範囲527の構成は基本的に、図9乃至図16の場合と共通である。
19 to 23 show details of the enzyme reaction. The configurations of
以上のような構成で情報が記述された範囲511乃至範囲527を参照しながら、図17の構成を説明する。
The configuration of FIG. 17 will be described with reference to
図17において、ノード411は、出発物質であり、ノード413からノード414への酵素反応の基質である「D-Glucose」を示す。なお、出発物質の濃度は、「40000.0 nmol」とする。
In FIG. 17, a node 411 indicates “D-Glucose” which is a starting material and is a substrate for an enzyme reaction from the
また、ノード412は、ノード413からノード414への酵素反応の基質である「ATP」を示す。
A
ノード413からノード414への酵素反応についての情報は、図19の範囲513に記述される。ノード413は、ID「2.7.1.2」の酵素(glucokinase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Glucose」および「ATP」を示し、ノード414は、ID「2.7.1.2」(glucokinase)の酵素、並びに、この酵素反応の生成物である「ADP」および「D-Glucose 6-phosphate」を示す。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「40000.0 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード415は、ノード413からノード414への酵素反応の生成物である「ADP」を示す。
また、ノード416は、ノード413からノード414への酵素反応の生成物である「D-Glucose 6-phosphate」を示す。なお、このノード(D-Glucose 6-phosphate)は、ノード417からノード418への酵素反応の基質、ノード418からノード417への酵素反応の生成物、ノード445からノード446への酵素反応の生成物、並びに、ノード446からノード445への酵素反応の基質でもある。
A
ノード417からノード418への酵素反応についての情報は、図22の範囲521に記述される。ノード417は、ID「1.1.1.49」の酵素(glucose-6-phosphate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「NADP+」および「D-Glucose 6-phosphate」を示し、ノード418は、ID「1.1.1.49」の酵素(glucose-6-phosphate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「NADPH」、「h」、「D-Glucono-1」、および「5-lactone 6-phosphate」を示す。また、この酵素(1.1.1.49)の割当量(濃度)は、「0.974925718932978 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「107162.98046962103 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from the
ノード418からノード417への酵素反応についての情報は、図22の範囲522に記述される。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「10524.11222672474 nmol」であった。
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ノード419は、ノード417からノード418への酵素反応の生成物である「h」を示す。なお、このノード419(h)は、ノード418からノード417への酵素反応の基質でもある。
ノード420は、ノード417からノード418への酵素反応の生成物である「D-Glucono-1」および「5-lactone 6-phosphate」を示す。なお、このノード420(D-Glucono-1および5-lactone 6-phosphate)は、ノード422からノード423への酵素反応の基質でもある。
ノード421は、ノード422からノード423への酵素反応の基質である「H2O」を示す。
The
ノード422からノード423への酵素反応についての情報は、図20の範囲516に記述される。ノード422は、ID「3.1.1.31」の酵素(6-phosphogluconolactonase)、並びに、この酵素反応の基質である「H20」、「D-Glucono-1」、および「5-lactone 6-phosphate」を示し、ノード423は、ID「3.1.1.31」の酵素(6-phosphogluconolactonase)、並びに、この酵素反応の生成物である「6-Phospho-D-gluconate」を示す。また、この酵素(3.1.1.31)の割当量(濃度)は、「7.7214390937079305 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「96638.8682428963 nmol」であった。
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ノード424は、ノード422からノード423への酵素反応の生成物である「6-Phospho-D-gluconate」を示す。なお、このノード424(6-Phospho-D-gluconate)は、ノード425からノード426への酵素反応の基質、並びに、ノード426からノード425への酵素反応の生成物でもある。
The
ノード425からノード426への酵素反応についての情報は、図20の範囲514に記述される。ノード425は、ID「1.1.1.44」の酵素(phosphogluconate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の基質である「6-Phospho-D-gluconate」および「NADP+」を示し、ノード426は、ID「1.1.1.44」の酵素(phosphogluconate dehydrogenase)、並びに、この酵素反応の生成物である「D-Ribulose」、「5-phosphate」、「CO2」、および「NADPH」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.0060 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「98.0 /s」であり、固有の活動度は「175.0 umol/min/mg」である。この酵素(1.1.1.44)は、例えば、グリーンピース、ドブネズミ、イノシシ、バクテリア、カイウサギ、サルモネラ菌、ヒト、ホウレンソウ、カンジダカビ、イネ、および、大腸菌などから採取することができる。また、この酵素(1.1.1.44)の割当量(濃度)は、「1.032908096565134 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「96638.8682428963 nmol」であった。
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ノード426からノード425への酵素反応についての情報は、図20の範囲515に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「2.2E-4 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「0.0 nmol」であった。
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ノード427は、ノード425からノード426への酵素反応の生成物である「CO2」を示す。なお、このノード427(CO2)は、ノード426からノード425への酵素反応の基質でもある。
ノード428は、ノード425からノード426への酵素反応の生成物である「D-Ribulose 5-phosphate」を示す。なお、このノード428(D-Ribulose 5-phosphate)は、ノード429からノード430への酵素反応の基質、ノード432からノード433への基質、および、ノード433からノード432への酵素反応の生成物でもある。
ノード429からノード430への酵素反応についての情報は、図23の範囲527に記述される。ノード429は、ID「5.1.3.1」の酵素(ribulose-phosphate 3-epimerase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Ribulose 5-phosphate」を示し、ノード430は、ID「5.1.3.1」の酵素(ribulose-phosphate 3-epimerase)、並びに、この酵素反応の生成物である「D-Xylulose 5-phosphate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.19 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「7100.0 /s」であり、固有の活動度は「11610.0 umol/min/mg」である。この酵素(5.1.3.1)は、例えば、イネ、バクテリア、ドブネズミ、ホウレンソウ、ウシ、大腸菌、カイウサギ、イネ、およびヒトなどから採取することができる。また、この酵素(5.1.3.1)の割当量(濃度)は、「62.774954936062876 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「68319.43412144815 nmol」であった。
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ノード431は、ノード429からノード430への酵素反応の生成物である「D-Xylulose 5-phosphate」を示す。なお、このノード431(D-Xylulose 5-phosphate)は、ノード435からノード436への酵素反応の基質、ノード436からノード435への酵素反応の生成物、ノード439からノード441への酵素反応の基質、並びに、ノード441からノード439への酵素反応の生成物でもある。
The
ノード432からノード433への酵素反応についての情報は、図19の範囲511に記述される。ノード432は、ID「5.3.1.6」の酵素(ribose-5-phosphate isomerase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Ribulose 5-phosphate」を示し、ノード433は、ID「5.3.1.6」の酵素(ribose-5-phosphate isomerase)、並びに、この酵素反応の生成物である「D-Ribulose 5-phosphate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.108 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「3440.0 /s」であり、固有の活動度は「1700.0 umol/min/mg」である。この酵素(5.3.1.6)は、例えば、グリーンピース、ドブネズミ、イノシシ、ウシ、大腸菌、ヒト、カンジダカビ、およびホウレンソウなどから採取することができる。また、この酵素(5.3.1.6)の割当量(濃度)は、「13.091980787699258 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「22503.965709252243 nmol」であった。
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ノード433からノード432への酵素反応についての情報は、図19の範囲512に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「0.66 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「50.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「50823.399830700386 nmol」であった。
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ノード434は、ノード432からノード433への酵素反応の生成物である「D-Ribulose 5-phosphate」を示す。なお、このノード434(D-Ribulose 5-phosphate)は、ノード433からノード432への酵素反応の基質、ノード435からノード436への酵素反応の基質、および、ノード436からノード435への酵素反応の生成物でもある。
ノード435からノード436への酵素反応についての情報は、図23の範囲525に記述される。ノード435は、ID「2.2.1.1」の酵素(transketolase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Ribose 5-phosphate」および「D-Xylulose 5-phosphate」を示し、ノード436は、ID「2.2.1.1」の酵素(transketolase)、並びに、この酵素反応の生成物である「Sedoheptulose 7-phosphate」および「(2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「4.0 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」であり、固有の活動度は「50.4 umol/min/mg」である。この酵素(2.2.1.1)は、例えば、ドブネズミ、ムギ、イノシシ、大腸菌、カイウサギ、ヒト、カンジダカビ、およびホウレンソウなどから採取することができる。また、この酵素(2.2.1.1)の割当量(濃度)は、「6.4130119777843735 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「16896.943255219718 nmol」であった。
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ノード436からノード435への酵素反応についての情報は、図23の範囲526に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「0.0056 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「56.7 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「45216.37737666786 nmol」であった。
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ノード437は、ノード435からノード436への酵素反応の生成物である「(2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal」を示す。なお、このノード437( (2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal)は、ノード436からノード435への酵素反応の基質、並びに、ノード439からノード441への酵素反応の生成物、ノード439からノード441への酵素反応の生成物、ノード441からノード439への酵素反応の基質、ノード443からノード444への酵素反応の基質、並びに、ノード444からノード443への酵素反応の生成物でもある。
ノード438は、ノード435からノード436への酵素反応の生成物である「Sedoheptulose 7-phosphate」を示す。なお、このノード438(Sedoheptulose 7-phosphate)は、ノード443からノード444への酵素反応の基質、並びに、ノード444からノード443への酵素反応の生成物でもある。
ノード439からノード441への酵素反応についての情報は、図22の範囲523に記述される。ノード439は、ID「2.2.1.1」の酵素(transketolase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Erythrose 4-phosphate」および「D-Xylulose 5-phosphate」を示し、ノード441は、ID「2.2.1.1」の酵素(transketolase)、並びに、この酵素反応の生成物である「(2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal」および「D-Fructose 6-phosphate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.0056 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「69.0 /s」であり、固有の活動度は「50.4 umol/min/mg」である。また、この酵素(2.2.1.1)の割当量(濃度)は、「6.4130119777843735 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「93511.79261905616 nmol」であった。
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ノード441からノード439への酵素反応についての情報は、図22の範囲524に記述される。この酵素反応のミカエリス定数は、「4.9 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「65192.35849760802 nmol」であった。
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ノード440は、ノード439からノード441への酵素反応の基質である「D-Erythrose 4-phosphate」を示す。なお、このノード440(D-Erythrose 4-phosphate)は、ノード441からノード439への酵素反応の生成物、ノード443からノード444への酵素反応の生成物、並びに、ノード444からノード443への酵素反応の基質でもある。
ノード442は、ノード439からノード441への酵素反応の生成物である「D-Fructose 6-phosphate」を示す。なお、このノード442(D-Fructose 6-phosphate)は、ノード441からノード439への酵素反応の基質、ノード443からノード444への酵素反応の生成物、ノード444からノード443への酵素反応の基質、ノード445からノード446への酵素反応の基質、並びに、ノード446からノード445への酵素反応の生成物でもある。
ノード443からノード444への酵素反応についての情報は、図21の範囲517に記述される。ノード443は、ID「2.2.1.2」の酵素(transaldolase)、並びに、この酵素反応の基質である「Sedoheptulose 7-phosphate」と「(2R)-2-Hydroxy-3-(phosphonooxy)-propanal」を示し、ノード444は、ID「2.2.1.2」の酵素(transaldolase)、並びに、この酵素反応の生成物である「D-Erythrose 4-phosphate」および「D-Fructose 6-phosphate」を示す。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.038 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「100.0 /s」であり、固有の活動度は「60.0 umol/min/mg」である。この酵素(2.2.1.2)は、例えば、ミドリムシ、ドブネズミ、ウシ、大腸菌、カイウサギ、ヒト、カンジダカビ、およびホウレンソウなどから採取することができる。また、この酵素(2.2.1.2)の割当量(濃度)は、「0.9861131028717981 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「38921.48722484376 nmol」であった。
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ノード444からノード443への酵素反応についての情報は、図21の範囲518に記述される。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.2 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「10.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「10602.053103395614 nmol」であった。
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ノード445からノード446への酵素反応についての情報は、図21の範囲519に記述される。ノード445は、ID「5.3.1.9」の酵素(glucose-6-phosphate isomerase)、並びに、この酵素反応の基質である「D-Glucose 6-phosphate」を示し、ノード446は、ID「5.3.1.9」の酵素(glucose-6-phosphate isomerase)、並びに、この酵素反応の生成物である「D-Fructose 6-phosphate」を示す。また、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.03 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「42.0 /s」であり、固有の活動度は「1470.0 umol/min/mg」である。この酵素(5.3.1.9)は、例えば、グリーンピース、イノシシ、カイウサギ、イヌ、ヒト、ホウレンソウ、ムギ、バクテリア、ドブネズミ、ウシ、および大腸菌などから採取することができる。また、この酵素(5.3.1.9)の割当量(濃度)は、「4.943054351198328 nmol」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「49675.42881604301 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
ノード446からノード445への酵素反応についての情報は、図21の範囲520に記述される。なお、この酵素反応のミカエリス定数は、「0.01 mmol/l」であり、ターンオーバ数は、「3330.0 /s」である。そして、この酵素反応のトラフィック(traffic)は、「106314.2970589393 nmol」であった。
Information about the enzyme reaction from
以上のような構成のペントースリン酸回路400をシミュレーションした結果が図23の範囲528に示される。出発物質を「D-Glucose」とし、排出物質を「CO2」として、60分後の排出量を算出させたところ、排出量の最大値は、「96638.8682428963 nmol」であった。 A result of simulating the pentose phosphate circuit 400 having the above configuration is shown in a range 528 of FIG. When the starting material was “D-Glucose” and the emission material was “CO 2 ” and the emission amount after 60 minutes was calculated, the maximum value of the emission amount was “96638.8682428963 nmol”.
図16の範囲337に示されるように、酵素ネットワーク200の場合、排出量の最大値は、「226134.6824743001 nmol」であるので、酵素ネットワーク200の方が、ペントースリン酸回路400よりも効率よくCO2を生成し、排出している。すなわち、酵素ネットワーク200は、既知の代謝回路であるペントースリン酸回路400よりも効率よく電子を放出することができる。
As shown in the
図24は、このような、酵素ネットワーク200を用いるバイオ燃料電池の主な構成例を示す断面図である。
FIG. 24 is a cross-sectional view showing a main configuration example of a biofuel cell using the
バイオ燃料電池600は、酵素によりグルコースを二酸化炭素(CO2)代謝させる際に発生する電子を起電力とする電池である。図24に示されるように、バイオ燃料電池600の筺体611の内部は空洞になっており、アノード621およびカソード623が設けられ、さらに、その空洞のアノード側612には、グルコースと酵素ネットワーク200を入れると、アノード側612において上述したような酵素反応が生じ、電子が放出され、アノード621に電子が溜まる。また、カソード側613において、水素イオン(H+)と酸素分子(O2)を化学反応させ水(H2O)を生成するようにし、カソード側613において電子を消費させるようにすると、アノード621とカソード623との間で電位差が生じる。そこで、筺体611の外部において、アノード621とカソード613を、抵抗622を介して接続させると、抵抗622の両端に電位差が生じ電流が流れる。
The biofuel cell 600 is a cell that uses as an electromotive force electrons generated when glucose is metabolized to carbon dioxide (CO 2 ) by an enzyme. As shown in FIG. 24, the inside of the
このようなバイオ燃料電池600は、従来においては、ペントースリン酸回路400のような、自然界に存在する酵素ネットワークを用いていたが、代謝の効率がよりよい図7に示されるような酵素ネットワーク200を用いることにより、発電効率を向上させることができる。
Such a biofuel cell 600 has conventionally used an enzyme network existing in nature, such as the pentose phosphate circuit 400, but the
以上のように、図1の情報処理システム100は、酵素反応による、出発物質から排出物質までの代謝の様子をシミュレートし、より効率のよい酵素ネットワークを容易に特定することができる。また、これにより、酵素を用いたバイオ技術の開発コストや開発時間を低減させることができる。
As described above, the
なお、以上においてはバイオ燃料電池に使用する酵素ネットワークについてのみ説明したが、酵素ネットワークの利用目的は任意である。つまり、情報処理システム100は、単に出発物質から排出物質を効率よく生成する酵素ネットワークを特定するものであるので、どのような技術分野に利用されるものであっても、代謝効率のよい酵素ネットワークを求めることができる。例えば、情報処理システム100は、グルコース以外の物質を燃料とするバイオ燃料電池に使用する酵素ネットワークを求めることもできるし、薬剤等の生成に利用する酵素ネットワークを求めることもできる。
Although only the enzyme network used for the biofuel cell has been described above, the purpose of using the enzyme network is arbitrary. That is, the
上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウエアにより実行させることもできる。この場合、例えば、図25に示されるようなパーソナルコンピュータとして構成されるようにしてもよい。 The series of processes described above can be executed by hardware or can be executed by software. In this case, for example, a personal computer as shown in FIG. 25 may be configured.
図25において、パーソナルコンピュータ700のCPU711は、ROM712に記憶されているプログラム、または記憶部723からRAM713にロードされたプログラムに従って各種の処理を実行する。RAM713にはまた、CPU711が各種の処理を実行する上において必要なデータなども適宜記憶される。
25, the
CPU711、ROM712、およびRAM713は、バス714を介して相互に接続されている。このバス714にはまた、入出力インタフェース720も接続されている。
The
入出力インタフェース720には、キーボード、マウスなどよりなる入力部721、CRTやLCDなどよりなるディスプレイ、並びにスピーカなどよりなる出力部722、ハードディスクなどより構成される記憶部723、モデムなどより構成される通信部724が接続されている。通信部724は、インターネットを含むネットワークを介しての通信処理を行う。
The input /
入出力インタフェース720にはまた、必要に応じてドライブ725が接続され、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、或いは半導体メモリなどのリムーバブルメディア731が適宜装着され、それらから読み出されたコンピュータプログラムが、必要に応じて記憶部723にインストールされる。
A
上述した一連の処理をソフトウエアにより実行させる場合には、そのソフトウエアを構成するプログラムが、ネットワークや記録媒体からインストールされる。 When the above-described series of processing is executed by software, a program constituting the software is installed from a network or a recording medium.
この記録媒体は、例えば、図25に示されるように、装置本体とは別に、ユーザにプログラムを配信するために配布される、プログラムが記録されている磁気ディスク(フレキシブルディスクを含む)、光ディスク(CD-ROM,DVDを含む)、光磁気ディスク(MDを含む)、もしくは半導体メモリなどよりなるリムーバブルメディア321により構成されるだけでなく、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに配信される、プログラムが記録されているROM712や、記憶部723に含まれるハードディスクなどで構成される。
For example, as shown in FIG. 25, this recording medium is distributed to distribute a program to a user separately from the apparatus main body, and includes a magnetic disk (including a flexible disk) on which a program is recorded, an optical disk ( CD-ROM, DVD (including), magneto-optical disk (including MD), or
なお、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。 In the present specification, the step of describing the program recorded on the recording medium is not limited to the processing performed in chronological order according to the described order, but is not necessarily performed in chronological order. It also includes processes that are executed individually.
また、本明細書において、システムとは、複数のデバイス(装置)により構成される装置全体を表すものである。 Further, in this specification, the system represents the entire apparatus composed of a plurality of devices (apparatuses).
なお、以上において、1つの装置として説明した構成を分割し、複数の装置として構成するようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置として説明した構成をまとめて1つの装置として構成されるようにしてもよい。また、各装置の構成に上述した以外の構成を付加するようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置の構成の一部を他の装置の構成に含めるようにしてもよい。つまり、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 In the above, the configuration described as one device may be divided and configured as a plurality of devices. Conversely, the configurations described above as a plurality of devices may be combined into a single device. Of course, configurations other than those described above may be added to the configuration of each device. Furthermore, if the configuration and operation of the entire system are substantially the same, a part of the configuration of a certain device may be included in the configuration of another device. That is, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
100 情報処理システム, 101 代謝シミュレータ, 102 データベース, 111 シミュレーション処理部, 121 酵素ネットワークデータベース, 122 作成データデータベース, 151 演算部, 152 保持部, 161 設定部, 162 不要経路削除部, 163 酵素割り当て部, 164 排出量算出部, 165 最大値特定部, 166 未使用経路削除部, 167 繰り返し制御部, 168 表示制御部, 169 記憶制御部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定する構成比設定手段と、
前記構成比設定手段により構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出する排出量算出手段と、
前記構成比設定手段および前記排出量算出手段を制御し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出させる繰り返し制御手段と、
前記繰り返し制御手段の制御により算出された複数の排出量の中から最大値を特定する最大値特定手段と、
前記排出量算出手段により、前記最大値特定手段により特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除する未使用酵素削除手段と
を備え、
前記繰り返し制御手段は、前記未使用酵素削除手段により未使用の酵素が削除された酵素群について、再度、前記構成比設定手段および前記排出量算出手段を制御し、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出させる
情報処理装置。 An information processing device that simulates the state of metabolism from the starting material to the discharged material by an enzymatic reaction,
A composition ratio setting means for setting a composition ratio of each enzyme of the enzyme group to be simulated;
By simulating the enzyme reaction by each enzyme whose composition ratio is set by the composition ratio setting means using the Michaelis-Menten equation, the state of metabolism is simulated for the entire enzyme group, and An emission amount calculating means for calculating an emission amount after a predetermined time;
Repetitive control means for controlling the component ratio setting means and the discharge amount calculating means, and repeatedly calculating the discharge amount while changing the component ratio;
Maximum value specifying means for specifying a maximum value among a plurality of discharge amounts calculated by the control of the repetitive control means;
Unused enzyme deletion means for deleting an enzyme that has not been subjected to an enzyme reaction from the enzyme group when the discharge amount of the maximum value specified by the maximum value specifying means is calculated by the discharge amount calculation means; With
The repetitive control means controls the constituent ratio setting means and the discharge amount calculating means again for the enzyme group from which the unused enzymes are deleted by the unused enzyme deleting means, and changing the constituent ratio while changing the constituent ratio An information processing device that repeatedly calculates emissions.
請求項1に記載の情報処理装置。 The information processing apparatus according to claim 1, wherein the component ratio setting unit sets a component ratio of an arbitrarily selected enzyme in a group of enzymes to be simulated to zero.
前記構成比設定手段は、前記不要酵素削除手段により不要な酵素が削除された後の酵素群の各酵素の構成比を設定する
請求項1に記載の情報処理装置。 From the enzyme group to be the target of the simulation, further comprising unnecessary enzyme deletion means for deleting unnecessary enzymes that do not contribute to metabolism from the starting material to the excretion material,
The information processing apparatus according to claim 1, wherein the component ratio setting unit sets a component ratio of each enzyme in the enzyme group after unnecessary enzymes are deleted by the unnecessary enzyme deletion unit.
請求項1に記載の情報処理装置。 Under the control of the repetition means, the calculation of the discharge amount is repeated a predetermined number of times while the unused enzyme is deleted by the unused enzyme deletion means, and then the maximum of the discharge amount specified by the maximum value specifying means. The information processing apparatus according to claim 1, further comprising display control means for causing the display unit to display the value and the enzyme group when the maximum value is calculated as image information.
請求項1に記載の情報処理装置。 Under the control of the repetition means, the calculation of the discharge amount is repeated a predetermined number of times while the unused enzyme is deleted by the unused enzyme deletion means, and then the maximum of the discharge amount specified by the maximum value specifying means. The information processing apparatus according to claim 1, further comprising a storage control unit that stores a value and an enzyme group when the maximum value is calculated in a storage unit.
シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定し、
前記構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出し、
前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出し、
繰り返し算出した排出量の中から最大値を特定し、
特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除し、
さらに、未使用の酵素が削除された酵素群について、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出する
情報処理方法。 An information processing method of an information processing apparatus that simulates the state of metabolism from a starting material to an exhausted substance by an enzyme reaction,
Set the composition ratio of each enzyme in the enzyme group to be simulated,
By simulating the enzyme reaction by each enzyme with the composition ratio set using the Michaelis-Menten equation, the state of metabolism is simulated for the entire enzyme group, and the discharge of the discharge substance after a predetermined time Calculate the quantity,
Repeatedly calculating the emissions while changing the composition ratio,
Identify the maximum value from the repeatedly calculated emissions,
From the enzyme group when the specified maximum discharge amount is calculated, remove the enzyme that did not undergo the enzyme reaction,
Furthermore, for the enzyme group from which unused enzymes are deleted, the discharge amount is repeatedly calculated while changing the composition ratio.
シミュレーションの対象とされる酵素群の各酵素の構成比を設定し、
前記構成比が設定された各酵素による酵素反応を、ミカエリス・メンテン式を用いてシミュレートすることにより、前記酵素群全体について前記代謝の様子をシミュレートし、前記排出物質の所定時間後の排出量を算出し、
前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出し、
繰り返し算出した排出量の中から最大値を特定し、
特定された最大値の排出量が算出されるときの酵素群の中から、酵素反応が行われなかった酵素を削除し、
さらに、未使用の酵素が削除された酵素群について、前記構成比を変更しながら前記排出量を繰り返し算出する
処理を実行するプログラム。 A computer that simulates the state of metabolism from the starting material to the effluent by the enzyme reaction,
Set the composition ratio of each enzyme in the enzyme group to be simulated,
By simulating the enzyme reaction by each enzyme with the composition ratio set using the Michaelis-Menten equation, the state of metabolism is simulated for the entire enzyme group, and the discharge of the discharge substance after a predetermined time Calculate the quantity,
Repeatedly calculating the emissions while changing the composition ratio,
Identify the maximum value from the repeatedly calculated emissions,
From the enzyme group when the specified maximum discharge amount is calculated, remove the enzyme that did not undergo the enzyme reaction,
Furthermore, the program which performs the process which repeatedly calculates the said discharge | emission amount, changing the said composition ratio about the enzyme group from which the unused enzyme was deleted.
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