系統(tǒng)生物學信息與發(fā)酵食品健康開發(fā)研究進展

劉 輝 張會生 童火艷 江曉楠 陳曉婷

(1.廣東海天創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 廣東 佛山 528000; 2.佛山市國創(chuàng)生物發(fā)酵食品技術(shù)創(chuàng)新中心, 廣東 佛山 528000)

1 系統(tǒng)生物信息的概念

早在1969 年, Bertalanfy LV 就提出了一般系統(tǒng)理論(generalsystemstheory), 他在文章中指出生物體是一個開放系統(tǒng), 對其組成及生物學功能的深入研究最終需要借助于計算機和工程學等其他分支學科才能完成[1]。1999 年, 由Leroy Hood 創(chuàng)立的系統(tǒng)生物學(systemsbiology)則是在以還原論為主流的現(xiàn)代生物學中反其道而行之, 把這種以整體為研究對象的概念重新提出。他給系統(tǒng)生物學賦予了這樣的定義, 系統(tǒng)生物學(systemsbiology)是研究一個生物系統(tǒng)中所有組成成分(基因、mRNA、蛋白質(zhì)等)的構(gòu)成, 以及在特定條件下這些組分間的相互關(guān)系的學科。換言之, 以往的實驗生物學僅關(guān)心基因和蛋白質(zhì)的個案, 而系統(tǒng)生物學則要研究所有的基因、所有的蛋白質(zhì)、組分間的所有相互關(guān)系。顯然, 系統(tǒng)生物學是以整體性研究為特征的一種大科學, 是生物學領(lǐng)域革命性的方法論。如果系統(tǒng)生物學被當作為研究生物食品發(fā)酵及開發(fā)的方法之一，那么從一開始，他就有意識的將還原和整合空間范圍有機的結(jié)合。這種方法可以從不同起點出發(fā)對生物功能的系統(tǒng)進行研究[2]。

2 系統(tǒng)生物學在發(fā)酵食品中的研究方法

2.1 自上而下的系統(tǒng)生物學方法

隨著“組學”的廣泛性研究，自上而下生物系統(tǒng)研究成為一種新型和具有優(yōu)勢的方法。這個系統(tǒng)一開始就鳥類的眼睛從天空中和整體開始，通過研究基因組的大量數(shù)據(jù)有針對性的發(fā)現(xiàn)和描述底部的生物機制即部分和他們的整體相互作用。在自上而下的系統(tǒng)生物學，主要目的是利用初始實驗數(shù)據(jù)的反復循環(huán)發(fā)現(xiàn)新的分子機制，然后通過數(shù)據(jù)分析、整合測定分子濃度，最終建立分子相互之內(nèi)和之間的假說模式。這些假說可以預測新的關(guān)系并且通過新的實驗規(guī)律被測定或者通過進一步的生化分析。自上而下的系統(tǒng)生物學方法的優(yōu)點是其具有潛在完整性以及集合了代謝組學、通量組學、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白組學的應用[3]。

任何一種自上而下的系統(tǒng)生物學研究都面對大量的實驗數(shù)據(jù)(上千個典型數(shù)據(jù)點)[4]，需要對微生物經(jīng)過一定的處理。因為這些處理包括：遺傳方面(如：一點或多點突變或者蛋白過量表達)、環(huán)境變化(改變營養(yǎng)物質(zhì)、生長因子或外壓強度)、通過RNA干擾誘變、內(nèi)在動態(tài)(如：細胞循環(huán)，或者通過食品成分的控制)。這些研究的目的是獲得足夠大的數(shù)據(jù)以了解系統(tǒng)生物，并且發(fā)生物的普遍形為。這種形為具有預測生物機制在系統(tǒng)中展示的能力[5-7]，為了發(fā)現(xiàn)功能的相關(guān)過程，就需要控制一系列的轉(zhuǎn)錄因子[8-10]。然而，無論多么龐大的數(shù)據(jù)庫，依然很難產(chǎn)生大量真實獨立的干擾，可以有效的說明很多在活細胞內(nèi)的調(diào)控機制；雖然己經(jīng)有很多有意義的研究被報道出來，但他們所揭示的只是生物系統(tǒng)中的一個小部分。

大部分自上而下的系統(tǒng)生物學使用的不同的模型描述不同時期系統(tǒng)變化。在早期階段，實驗的主要目的是發(fā)現(xiàn)成份的共性和這些成份與DNA序列的關(guān)系、了解到在早期成份產(chǎn)生在何處，以及確定成分之間關(guān)系，根據(jù)線性關(guān)系和自變量的構(gòu)建一系列數(shù)學模型可以對主要成分分析，或貝式模型可以產(chǎn)生一些管理樹。這些結(jié)果有利于指導新的實驗，通過反復的實驗產(chǎn)生新的相互作用理論或機理[11]，這種反復實驗的過程可以用計算機完成[12]。

自上而下的系統(tǒng)生物學關(guān)注的是網(wǎng)絡分子中的組成識別，強調(diào)的是系統(tǒng)的形為即來源與系統(tǒng)數(shù)據(jù)‘逆向工程’。這樣可以揭示真實的機制組成、結(jié)構(gòu)現(xiàn)象學如：基因網(wǎng)絡[13-15]，或者僅確定其參數(shù)值。提出的相互作用的結(jié)構(gòu)例如：蛋白與蛋白之間或者基因網(wǎng)絡內(nèi)部，都可以被直接實驗方法確定。一種提議可以充分說明蛋白在網(wǎng)絡構(gòu)成中的作用[16-18]。問題是怎么樣選擇大量實驗信息來建立實驗設計以其標化化和系統(tǒng)化的確定[19]。

2.2 自下而上的系統(tǒng)生物學

系統(tǒng)生物學更想了解到的是有生命活力的微生物機體內(nèi)部是如何運作的。自上而下的系統(tǒng)生物學是通過歸納方法來了解微生物機體內(nèi)部動態(tài)，而自下而上的系統(tǒng)生物學則是通過演繹方法了解微生物動態(tài)，其主要是通過分子方法從己經(jīng)了解的較低級的系統(tǒng)進入更加高級的機制理論系統(tǒng)。自上而下的系統(tǒng)生物學開始于建設底層系統(tǒng)中的各種成份(如：酶修飾)之間的相互作用。然后整合這些模型預測系統(tǒng)形為。這個方法的最終目的是使聯(lián)合途徑模型進入到整個系統(tǒng)水平中。通過研究和調(diào)整程序，在了解高級機理細節(jié)方面，模型通過整合更多的修飾過程而被特意的擴大[20-21]。

自下而上的系統(tǒng)生物學研究主要依靠：(1)成份的動力學和物化特性實驗研究(例如：酶活動力學， 漫反射特性)或者通過研究單一酶活、或者利用參數(shù)評估策略。(2)收集反應亞系統(tǒng)在細胞范圍內(nèi)受到的干擾數(shù)據(jù)。(3)通過(2)中數(shù)據(jù)建立一個系統(tǒng)的模型從而改善實驗設計。(4)軟件的開發(fā)為模型的分析和表述。

動力學參數(shù)測定利用參數(shù)評估策略是要通過一些遺傳風險[22-23]。因為動力學模型常常是簡化的，一個參數(shù)評估策略不能產(chǎn)生真實的動學參數(shù)。當模型被擴大后，同樣的數(shù)據(jù)被再一次輸入后就會產(chǎn)生的不同值，而且有些非測定數(shù)據(jù)就有可能因為錯誤的擬合而丟失。然而在一些情況下保留參數(shù)評估是唯一的選擇(如：真核生物信號和真核基因表達)，因為在體內(nèi)測定是十分困難，所以只有利用在體外測定動力學參數(shù)。隨著高分辨率成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在可以解決在體內(nèi)測定酶活力方法。

計算細胞程序是一種十分接近自下而上的系統(tǒng)生物學[24]。在這個程序中，目標十分明確就是利用電腦復制真實的途徑，包括所有分子組份實驗測定特性[25]。系統(tǒng)形為只是計算而不是似合。如果計算的形為不能反應實驗觀察系統(tǒng)形為，那么這個數(shù)據(jù)在計算機細胞模擬中“偽數(shù)據(jù)”及不被接收數(shù)據(jù)。計算機細胞程序是結(jié)合了全部的通路構(gòu)建出一個詳細的生物模型。通過結(jié)合己報導期刊，模型可以過程JWS在線服務做出，這種在線服務可以利用計算機在線實驗，例如：在途徑中的酶過量表達是否可以增加產(chǎn)物產(chǎn)量。JWS在線并不是軟件的開發(fā)：它的目的是提供真實的詳細的模型包括實驗己測定的參數(shù)和整合己報導的科學期刊。JWS的獨特性在于它可以在沒有相應的途徑電腦程序的情況下在線運行。其它模式的數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在己經(jīng)建立，但是它們要求下載并且還需要整合模型及其構(gòu)建模型的軟件。

雖然所有的自下而上的系統(tǒng)生物學都有一個普遍的目標就是對微生物亞系統(tǒng)的基本機理的描述，但是所有自上而下的系統(tǒng)生物不同之處是來源不同，它們都是為了模型構(gòu)建。特別是模型結(jié)構(gòu)是反應‘真實’化學結(jié)構(gòu)和變構(gòu)調(diào)節(jié)的準確性。然而一些構(gòu)建的模型研究的是把實驗工作輸入后得到一個詳細測定的動力學參數(shù)或者研究的微生物酶學機理方面，另一些是采用文庫中的信息或者擬合動力學參數(shù)簡化催化機理。因此一些自下而上的系統(tǒng)生物學研究比其它系統(tǒng)生物學更為精細。

2.3 自中向外系統(tǒng)生物學

自下而上和自上而下的系統(tǒng)生物學都有其局限性，它他們都只適用于己分離出的生物系統(tǒng)。由此產(chǎn)生了自中向外的系統(tǒng)生物學，其主要特點是可以以更為高級的群體生物中進行研究[26]。它可以被描述成為一個連接自下而上和自上而下的方法，但是這只是生物系統(tǒng)中的一部分。因為它的實用性強，所以它可以成功把“組計劃”進行更為細質(zhì)的劃分。模型可以在任何一個系統(tǒng)內(nèi)開始，當然在這個系統(tǒng)內(nèi)要有足夠的可依靠的數(shù)據(jù)來建立模型，這是自中向外系統(tǒng)生物學的起點，它包括在己選定的水平上參數(shù)空間的開發(fā)。下一步是到達復雜構(gòu)成的更高或更低水平即外延水平，這種方法是一個好的例子是可以作為模型的中心， 能在細胞水平上代替修飾和成分對于電子、機械、或代謝功能的作用[27]。然后它可以通過合并細胞模型已達更高的組織和器官水平，從而進入更為細質(zhì)描述了高水平的細胞和器宮的結(jié)構(gòu)[28]以及了解下游的基因被替代會對己知的基因翻譯成蛋白的影響[29-30]。

無論哪一種方法被采用，成功的模型可以跨越組織之間的不同水平。能引起特殊的表型特征揭示多角度相互作用。這將引導我們?nèi)パ芯總€非常重要的概念工具：在生物系統(tǒng)中很多復雜的相互作用的多維觀察可以被替代，我們將其稱為“景觀圖”。

3 網(wǎng)絡系統(tǒng)生物學在發(fā)酵食品開發(fā)中應用

3.1 系統(tǒng)發(fā)酵食品信息學

3.1.1 網(wǎng)絡限定函數(shù)或目標識別

途徑分析特點是產(chǎn)生一個擴展網(wǎng)絡，他能夠?qū)⒄洗蟛糠只蛉康慕Y(jié)點輸入到一個單一、廣泛的文本中。由于沒有網(wǎng)絡可以綜合表達全部的系統(tǒng)，因此建一個焦點用來約束系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)的變化，整合后數(shù)據(jù)作為一個整體考慮而不是多種分子的綜合。近來，通過蛋白質(zhì)組學的解碼，一些功能分類蛋白質(zhì)的變化可以與心臟K+缺陷型途徑結(jié)合，因為這些蛋白可以識別代謝受體[31]。在案例研究中，一個單基因損傷誘導一個復雜病理表型。最終，建立以代謝生物學過程為焦點網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中強調(diào)的是提取復雜分子重構(gòu)模型進入缺陷型通路和整合心臟疾病的敏感源[32]。網(wǎng)絡中解卷積可以被用于確定主要治療被破壞途徑的逆轉(zhuǎn)或緩減。

在途徑分析過程中，額外加入結(jié)點不能被初始集測定，但可以被結(jié)合到網(wǎng)絡中，因此可以增加數(shù)據(jù)的覆蓋及分子在系統(tǒng)的中功能重要性和關(guān)鍵機理。例如，雖然在初始蛋白質(zhì)組學分析中可以逃脫檢測，但是TGF-(被整合到干細胞譜中特殊的分泌腺中。TGF-(的高連接表明它做一個集線器可以驅(qū)動這個網(wǎng)絡，而且指出TGF-(在計算中關(guān)鍵作用并預測網(wǎng)絡功能。然后，這個結(jié)點在體外被阻斷表明他的在增強生命決定性中的主要功能[33]。

3.1.2 通過網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的目標識別

拓撲結(jié)構(gòu)的特征是利用信息技術(shù)識別關(guān)鍵網(wǎng)絡成份。包括：結(jié)點度和橋接的連接[34, 35]。在一個自由范圍的網(wǎng)絡中，大多數(shù)的結(jié)點經(jīng)過很少的連接，于是有一些結(jié)點就被稱為集線器，他們的聯(lián)系很頻繁[36]。這樣就使得網(wǎng)絡功能更為穩(wěn)定，與集結(jié)器相比，隨機性結(jié)點可以有效減少連接的結(jié)點，從而有利于減少低連接點對網(wǎng)絡功能的干擾。另一方面，集結(jié)點和目標阻斷物的識別可以用于評估集結(jié)器對于整個網(wǎng)絡及功能的臨界值。其它的中心參數(shù)例如：橋接可以指出重要功能性結(jié)點。而低連接的集結(jié)器，橋接結(jié)點在結(jié)點處是斷開，利用復合網(wǎng)絡，將高度連接的集合點的子圖相互連接起來，由此作為信息流通的渠道。然而，并不像集結(jié)器阻斷物那樣，橋接結(jié)點阻斷物是非致命的。而且橋結(jié)點顯示是依靠管量系統(tǒng)，不像蛋白那樣在一個復雜或者功能性模塊，這樣的管理傾向于相互關(guān)聯(lián)的基因表達[37]。這種相互作用表達可以作為藥性靶點，因為低毒性可以預測非必要阻斷物，而且在功能之間的信息流的順式中斷可以證明治療的效果。一個蛋白的去除可以通過敲除或RNAi敲除，從系統(tǒng)中去除蛋白結(jié)點。對于在網(wǎng)絡中，在結(jié)點相連一些蛋白特殊的網(wǎng)絡連接表達是不可能被識別的，這些特別網(wǎng)絡連接是在疾病的表達關(guān)鍵。近期的方法設計表明網(wǎng)絡相互作用是以網(wǎng)絡相互接連為基礎，即網(wǎng)絡連接化擾動[38]。在網(wǎng)絡化水平上，可以有效的預測孟德爾實驗或者是外顯突。網(wǎng)絡連接擾動只是干擾唯一結(jié)點連接，這一方法區(qū)別于全完結(jié)點去除。的確，利用網(wǎng)絡連接干擾區(qū)別每個基因特殊功能多態(tài)性的丟失或者加入，很多研究己確認在單個基因與多個干擾有聯(lián)系。網(wǎng)絡連接化研究屬于網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲，他用于預測食品特珠性或普遍性是很有發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

3.1.3 作為發(fā)酵食品成分作用靶點的網(wǎng)絡途徑

網(wǎng)絡途徑要比只關(guān)注特別的結(jié)點作為突發(fā)系性能的關(guān)鍵因素更為全面，因為它關(guān)注更多的目標蛋白和因素(如：復雜性、構(gòu)建模型、信號及代謝途徑)，通過建立函數(shù)和研究途徑是如何構(gòu)成及變化，不僅可以解釋疾病狀態(tài)而且還可以提供比單一蛋白更多的適合食品成分靶點[39]。在ErbB途徑中，利用網(wǎng)絡途徑方法可以確定最佳的癌癥治療作用目標。通過ErbB信號網(wǎng)絡電腦模型，研究識別大部分有效目標的配體，描述的途徑可能對ErbB3阻遏特最為敏感，隨后確定與目標作用的單克隆抗體。ErbB3在途徑中的主要功能僅僅是通過網(wǎng)絡分析出來。因此這項研究說明網(wǎng)絡是如何作為工具來確定主要途徑和進行最佳選擇治療目標的。

3.2 系統(tǒng)建模

3.2.1 生物發(fā)酵復雜性的多層次整合

擴展多個水平系統(tǒng)整合是將連接轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學和代謝組學數(shù)據(jù)輸入到單一網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，使其成為代謝干擾中有效模型[40]。近來多層次網(wǎng)絡系統(tǒng)建模在“Nanog敲除”后被用于干細胞生命轉(zhuǎn)變[41]。通過分析其遺傳表征改變將其與轉(zhuǎn)錄組學和蛋白組學的圖片結(jié)合，數(shù)據(jù)流的動態(tài)監(jiān)管過程也同時被揭示出。而不是單獨的依靠序列的改變加復雜性，詳細的管理作用反饋是可被觀察到的。由于轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控先于染色體重組，而且轉(zhuǎn)錄因子多樣改變不能引導目的基因mRNA的多樣性，因此轉(zhuǎn)錄或者后轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用在不同的細胞中都是很重要的，這些研究表明多層整合網(wǎng)絡解釋并建立了系統(tǒng)動力學。

3.2.2 構(gòu)建發(fā)酵食品成分-蛋白相互關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡

美國食品與藥品管理局(FDA)己經(jīng)批準藥品及其作用靶點可以用于建立藥品-蛋白相互作用網(wǎng)絡(一個-靶點網(wǎng)絡接結(jié)著藥品的結(jié)點，這個結(jié)點利用一般的靶蛋白和作用位點-蛋白以及靶蛋白網(wǎng)絡連接被普通藥品作用的蛋白靶點)。所以區(qū)別藥品或食品的特性，發(fā)現(xiàn)作用過程變得十分明顯[42]。定量拓撲網(wǎng)絡分析揭示了在這些藥品或食品成分網(wǎng)絡中后續(xù)藥品或食品成分的高頻發(fā)現(xiàn)，同時說明藥品和食品成分發(fā)現(xiàn)或開發(fā)過程一直依靠著大量前期證明有效的靶蛋白，這些傳統(tǒng)的方法己經(jīng)產(chǎn)生一系列先進的儀器，利用絡網(wǎng)計算機技術(shù)可以明確疾病和致病基因與藥品作用位點的聯(lián)系。

將其引入食品開發(fā)一個食品成分與疾病學作用越多，在其途徑長度方面，分子步驟越少。因此病因靶點食品元素可以顯示途徑的長度比隨機網(wǎng)絡距離要短很多，但是途徑的長度對于大多數(shù)食品元素與隨機性網(wǎng)絡距離是匹配的，說明這些食品元素的主要緩解特性是消除癥狀的唯一方法，而不是疾病的特殊作用靶點。然而近來更多的食品元素介紹的分析表明現(xiàn)在正在向著更為合理食品成分設計轉(zhuǎn)變。就這一點而言，食品元素與疾病關(guān)系的系統(tǒng)評估通過網(wǎng)絡拓撲分析進行，極大的豐富引導新食品開發(fā)使用與鑒定，同時也期待加強在食品病理學和食品元素靶點鑒定方面分子知識[43]。

3.2.3 利用化學系統(tǒng)生物學建立網(wǎng)絡發(fā)酵食品成分

在構(gòu)建食品成分與潛在配體之間化學構(gòu)成方面，屬于一種相似的數(shù)據(jù)模型作為新的方法構(gòu)建模型和預測藥靶點相互作用[44-45]。大量的食品成分網(wǎng)絡途徑通過與靶蛋白之間作用前后，化學成分配體之間建?？梢灶A測新靶點，包括主要作用位點和脫靶蛋白解釋為副作用。隨著新的和意想不到的食品成分關(guān)系，發(fā)現(xiàn)貫穿主要分類的蛋白與序列和結(jié)構(gòu)無關(guān)[46]。大量的預測模型通過連結(jié)分析證明是有效的，對化學系統(tǒng)生物學的運用提供有力的支持。通過結(jié)構(gòu)活性數(shù)據(jù)預測多個連接靶點成份，一個派生的網(wǎng)絡途徑(化學基因組空間學，其主要說明在基因家族之間有著很高的相互作用，提供方便的食品元素合成作用于預測靶點上[47]。闡明網(wǎng)絡是如何作為有用模板服務于統(tǒng)計學、電腦模型預測藥物配體相互作用以及說明了解多層藥理學的價值是十分有貢獻的，因為一個混合物的特殊位點有兩個或者更多分子靶點。

4 結(jié)論及展望

網(wǎng)絡食品成分研究是一種新興工具，他的應用促進了新興的食品研發(fā)人員了解與人類相關(guān)的健康和疾病[42, 48]。網(wǎng)絡分析使更多已知系統(tǒng)通過揭示特殊的結(jié)點在食品成分介入后的反映得己說明，或者了解一些未知脫靶位點對現(xiàn)存食品的影響，然后建立模型后在系統(tǒng)內(nèi)擴大的修飾，觀察特殊食品成分干擾對機理的改變很少。這種網(wǎng)絡方法加深了對疾病生物途徑的了解和系統(tǒng)食品科學，同時為下游的復雜多層次整合提供了模板[49]。在生理調(diào)控系統(tǒng)中關(guān)鍵是涉及到靶點作用的持續(xù)反饋，這一點在食品和藥品開發(fā)中十分重要，這樣的反饋可以了解食品或藥品介入后預測全部潛在負面效應，包括食品元素的主要和輔助性質(zhì)對于靶點結(jié)合還是脫離作用。雖然廣泛網(wǎng)絡應用并沒有得到認可，但系統(tǒng)生物學的出現(xiàn)提供了一個全新的方法，它具有潛在轉(zhuǎn)化設計和未來食品的發(fā)現(xiàn)與開發(fā)使用的能力。