代谢工程导读课件.ppt

2002年春 张星元：发酵原理（讲座） 2002年春 张星元：代谢工程导读 张星元：发酵原理（讲座） 代谢工程导读 * * 研究代谢工程的就是为了能精确地处理好微生物细胞自身的利益与人类对微生物细胞提出的要求之间的对立与统一的关系。 代谢工程的导读 1. 代谢工程的酝酿 2. 代谢流及其控制的的概念 3. 代谢工程的两个组成部分 4. 代谢工程的含义 5. 代谢工程的应用 1.1 半个多世纪生理与育种知识的累积 1.2 基因工程理论和技术的成熟 1.3 代谢流定量分析技术的发展 1.4 生化工程在线检测和建模方法的发展 1. 代谢工程的酝酿 用代谢途径操作的手段来改造微生物以获得期望的性质，这确实并不是新的观念。在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都可以找到采用这个路子实现人类理想的一些突出的例子。这些方法主要依赖于用化学诱变剂处理微生物，并用进行设计的筛选技术来检出已获得优良性状的突变株。尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的效果，但人们对突变株的遗传和代谢性状的精确变化，知之甚少。 1.1 半个多世纪生理与育种知识的累积 尽管在所有的菌种改良方案中都有某种定向的含义，但传统的诱变是随机的。“定向”与随机诱变没有直接关系。  事实上，我们早就根据随机诱变后从突变株中筛得的高产突变株遗传标记，及这些突变株的优良性质的实验结果，来推测途径及其控制的机制。 有人把这样的做法叫做“逆行的代谢工程”（reverse metabolic engineering）, “逆行的代谢工程” 为代谢网络的构建和完善，以及代谢工程的进展提供了大量的生理学和遗传学信息。 2002年春 张星元：发酵原理（讲座） 二十多年来，基因工程的理论和DNA重组的分子生物学技术已成熟。DNA重组的分子生物学技术的开发和应用，把代谢操作引进了一个新的层面，人们已能对代谢途径的指定酶反应进行精确的修饰，因此，有可能构建精心设计的遗传背景。 1.2 基因工程理论和技术的成熟 1.3 代谢流定量分析技术的发展  代谢流量分析（ metabolic flux analysis）是一种研究胞内代谢的方法，根据已有的代谢网络的信息建立胞内主要反应的化学计量模型和胞内代谢产物的质量平衡，以实际测得的分泌到胞外的代谢中间产物的浓度，来推算代谢代谢流量。 这种分析方法的基础是拟稳态假设，即假设在产物形成速率最大的阶段各种代谢中间物的胞内浓度变化速率为零。根据质量平衡，由 n 个中间代谢物即可得到 n 个关于速率的方程，通过测定胞外代谢产物的浓度，计算未知途径的流量。 1.4 生化工程在线检测和建模方法的发展  色谱、质谱、红外等等在线检测手段，以及生物传感技术的发展，可为发酵在线检测和反馈提供可靠的原始数据。建模方法也有发展。 代谢流的概念本身实际上并不是新的概念。代谢流及其控制引起生化研究人员中的少数先知的注意，大约已有30多年历史了。作为他们工作的结果，代谢控制的观念成熟了，并且被严格的定义了，尽管这些观念并不是始终被传统的生物学家广泛地接受。 2 代谢流及其控制的的概念 代谢工程最初仅仅被设想为特定的途径操作（在生物化学、生理学、遗传学的领域）。后来，发酵工程师们惊喜地发现利用代谢流控制分析这个有效的平台，可以向工业发酵过程导入严密性；并把它变成了发酵工程的领域工程数据分析的输出端。 尽管代谢和细胞生理学可为反应途径的分析提供主要的背景知识；还应该指出，代谢流量测定和控制的结果具有广阔的适用范围和实际应用前景。因而，除了要分析代谢途径上的物质流和能量流，代谢工程的概念同样可以应用于将来信号传感途径的信息流的分析（目前对于信息流尚未很好地定义）。 3 代谢工程的两个组成部分 3.1 “分析” 部分 3.2 “综合” 部分 因为代谢工程借助于 DNA 重组技术而作为一种启用技术而出现，所以一开始人们就把注意力放在这个领域的综合方面：新的基因在不同寄主中的表达，内酶的扩增，基因的删除，酶活力修饰，转录的解调或酶的解调等。 这样所谓的代谢工程，在相当程度上仅仅是应用分子生物学技术表现形式，几乎没有工程的内容，因此从生物过程的角度来衡量，并不是够格的代谢工程。 与所有传统的工程领域一样，代谢工程也包含 “ 分析 ” 和 “ 综合 ” 两个规定的步骤。