当大多数代谢物是小分子并且代谢反应过程基本上仍是化学反应的时候,我们推断代谢网络结构可能具有化学基础。化学在代谢进化中有何贡献,化学性质对代谢进化有何影响,这就激发我们使用化学信息学的方法对这个问题深入下去。代谢网络与其他生物网络和非生物网络一样都具有无标度性质,可以从进化上解释新增加代谢物为何优先选择那些连接度较高的代谢物。但是优先添加原则的分子机制仍然不明确。在网络扩展中,新代谢物是如何“知晓”哪个代谢物连接度更高?并且代谢网络相比较化学网络究竟有哪些区别?在设计网络时选择hub代谢物的评判标准是什么?这些问题仍然令人费解。另外,代谢网络拓扑结构的进化解释对于实践并未有直接的指导意义,基于代谢网络中拓扑性质与化学性质的相关性,本研究尝试将其应用到致病菌的药物靶点筛选中。在筛选完靶点之后,运用计算机辅助药物设计中的同源模建和分子对接,期望为致病菌的药物设计和生物活性测试提供新的参考信息。首先,使用代谢网络建模、网络可视化与图论分析以及化学信息学方法分别深入分析原核生物和真核生物的模式生物大肠杆菌、酿酒酵母以及基于KEGG整体的代谢网络,由代谢物拓扑性质与化学性质的相关性研究验证代谢网络结构具有一个化学基础,探索代谢网络中hub代谢物区别于非hub代谢物所具备的特殊性质。生命源于水环境,早起源代谢物大部分都是分子较小,亲水性较高的。随着物种的进化,越来越多的复杂膜系统进化出来,这就需要疏水性代谢物完成细胞内和细胞外的交流。因而在新陈代谢的进化过程中,代谢物从亲水到疏水,从小体积到大体积的演变,都明确地说明了大肠杆菌、酿酒酵母以及生物整体新陈代谢的化学进化过程。其次,结合大肠杆菌和酿酒酵母代谢物的浓度数据,发现代谢网络结构所具有的化学基础可以由hub代谢物驱动各种反应所需要的高浓度来解释,代谢物浓度是决定代谢网络延伸的重要因素。这就从分子水平上重新解释了代谢网络满足的优先添加原则。另一方面,通过代谢网络与化学网络hub代谢物的比较分析发现,代谢网络相比化学网络,其hub代谢物平均具有更强的亲水性。因而在不同类型的网络设计中必须考虑环境,环境的极性与非极性性质决定了选用亲水还是疏水性分子作为hub代谢物,希望可以为代谢网络的设计提供一定的参考依据。最后,基于代谢网络中拓扑性质与化学性质的相关性,结合胡萝卜软腐欧文氏菌代谢网络中拓扑性质Degree和化学性质AlogP两项指标,由最初已知DIGAP数据库中的44个靶点初步筛选出17个靶点,并且由在植物寄主中不存在、经实验验证的成功靶点、阻塞点代谢物等诸多条件进一步筛选靶点,最终确定murA作为胡萝卜软腐欧文氏菌的潜在靶点。运用计算机辅助药物设计中的同源模建和分子对接,期望为该致病菌的药物设计和生测试验提供新的参考信息。综上所述,本研究的创新点在于以下几点：在以往的代谢网络研究中,往往忽视了化合物作为网络节点所具有的化学性质,本文突出节点的化学性质有助于分析代谢网络的拓扑结构,网络研究不应该脱离研究对象的自身性质。首次发现拓扑性质与化学性质的相关性,验证了代谢网络所具有的化学基础,以及将相关性结论应用到致病菌靶点筛选的实际工作中；运用代谢物浓度与化学性质的相关数据,从分子水平上重新解释了代谢网络的优先添加原则；提出在不同类型的网络设计中需要考虑环境,环境的极性与非极性性质决定了选用亲水还是疏水性分子作为hub代谢物。