生命系统的能量代谢与物质代谢同等重要，代谢反应的自由能变化决定了反应能否发生及其方向。生物体细胞内代谢反应网络规模庞大，存在数目繁多的耦合反应，因此能量代谢应该从基因组规模上进行分析。基于约束建模理念（Constraint-based Modelling Philosophy）构建的大肠杆菌全基因组规模代谢网络模型iAF1260，采用计算化学的基团贡献法（Group Contribution Method，GCM）计算了大肠杆菌代谢系统大部分反应和代谢物的自由能变化，但尚有81 reactions (4%)和167 compounds (16%)的自由能数据无法计算，从而难以从基因组规模上对大肠杆菌进行完全能量代谢分析。

孙际宾课题组与孙啸教授合作，以计算生物学为基础，采用数学上未定方程（Nonexact Equations）的最小二乘解法（least-squares solution）补全了大肠杆菌全基因组代谢网络模型的未知自由能数据，为基因组规模上研究其能量代谢提供了可能，并构建了大肠杆菌全基因组规模上的能量加权代谢网络，发现大肠杆菌细胞内能量代谢的不均一性（Uneven distribution）（图1），同时发现大肠杆菌细胞内能量代谢和物质代谢的不一致性，呈现非线性关系（Nonlinear Correlation）（图2）。该项研究提出的方法拓宽了生物化学基团贡献法（GCM）的应用价值，可推广到其他微生物菌株，尤其是对大肠杆菌全基因组规模代谢途径设计中的热力学可行性提供了直接的判据。

此项目获得科技部973项目（2011CBA00804）的支持。

论文链接

图1 大肠杆菌细胞内能量代谢的不均一性

图2 大肠杆菌细胞内能量代谢和物质代谢呈非线性关系