代谢调控-第一章-绪论PPT课件

1、2021/3/2,代谢控制Regulation of Metabolism,主讲教师：郭金玲,2021/3/2,第一章 绪论,2、代谢控制发酵出现的必然性,1、发酵技术是工业生物技术的核心技术,5、课程内容和学习方法,3、代谢工程的基本思想,4、正向代谢工程面临的挑战和发展趋势,2021/3/2,寻求化石资源的替代已经成为社会经济可持续发展的重大战略,社会经济 可持续发展,1、发酵技术是工业生物技术的核心技术,2021/3/2,可持续发展的两个方面： 以可再生生物资源取代化石资源，以可再生生物能源取代不可再生化石能源; 以清洁高效的生物加工方式取代低效污染的传统物质加工方式，以精细产品取代大量

2、粗加工产品,背景,2021/3/2,Renewable raw materials,Biofuels Biomaterials Chemicals Foodstaffs etc,微生物细胞工厂,环境、资源、能源,2021/3/2,2001年大型跨国公司美国Cargill-Dow公司利用玉米为原料生产聚乳酸（14万吨/年），是工业生物技术产业兴起的标志,淀粉,糖化,乳酸,聚乳酸,发酵,生物材料,2021/3/2,以淀粉、再生纤维素等原料，实现聚酯、聚乳酸、聚氨基酸等生物可降解材料的低成本生产，逐步减少对化石资源的依赖与环境污染,2021/3/2,十一五”以来我国生物产业产值以年均22.9%的速度

3、增长，2011年实现总产值约2万亿元。争取到2020年，把生物产业发展成为国民经济支柱产业,2021/3/2,问题,微生物既不会使代谢物大量积累而造成浪费，也不会因代谢物的缺失而供不应求。微生物会保持各种代谢物浓度的相对稳定和动态平衡，适应内外环境的变化,如何使微生物过量积累某种代谢产物,2021/3/2,代谢控制发酵：利用遗传学或其它生物化学的方法，人为地在脱氧核糖核酸（DNA）的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用的代谢产物大量生成、积累的发酵技术,2、代谢控制发酵出现的必然性,2021/3/2,微生物代谢调控机制能否被解除是代谢控制发酵的关键所在,研究方法：先研究目标产物的生物合成

4、路径、遗传控制及代谢调节机制，然后定向选育大量积累目标产物的微生物,2021/3/2,代谢控制发酵出现和发展的现实基础,生物化学,酶的变构动力学,各种操纵子调控机制,诱变育种,原生质体融合等,重组DNA技术,发酵过程控制,合成途径+调节机制,菌株改造技术,菌株发酵环境,2021/3/2,正向(Constructive)代谢工程,1991年Bailey J E 在Science上正式提出，基本思想是： 根据已有的遗传和生化知识，找出限速步骤，进行遗传操作,3、代谢工程基本思路,2021/3/2,代谢工程定义,采用重组DNA技术和高精度的分析生物学技术相关的遗传学方法，进行精确目标的基因操作，改变

5、微生物原有调节系统，实现提高目的代谢活性和目的代谢产物量,2021/3/2,代谢工程的具体思路,改变代谢流,扩展或构建新的代谢途径,2021/3/2,碳水化合物原料,C3,酸P,酸P,实现代谢途径重构,2021/3/2,NAD,NADH,Pyruvate,PDC,Acetaldehyde,Ethanol,ADH,Acetaldehyde,110,丙酮酸产率提高44,提高乙醇脱氢酶活性,加速速度限制反应,2021/3/2,改变分支代谢途径的流向,Glucose,Pyruvate,Alanine,Acetaldehyde,Ethanol,Citrate,OAA,KG,AcCoA,Pyruvate,

6、OAA,B1： 硫胺素 NA： 烟酸 Bio：生物素 B6： 吡哆醛,光滑球拟酵母中丙酮酸代谢途径,X,X,X,X,策略： 选育维生素缺陷型酵母,目标：积累丙酮酸,2021/3/2,Nissen等在Azotobacter vinelandii 基因双缺失型菌株中构建了一个产生NAD+的新途径，使甘油减少40,3-磷酸甘油醛脱氢酶 （ GDP1和GDP2基因,NAD,构建代谢旁路,2021/3/2,改变能量代谢途径,丙酮酸生产强度提高42.9,发酵时间 缩短23,抑制氧化磷酸化途径提高酵解速度,丙酮酸生产强度提高42.9,发酵时间 缩短23,2021/3/2,Okumagai等从巴斯德毕赤氏酵母

7、中分离了一个不受乙醇阻遏的醇氧化酶基因(AOX1)启动子表达淀粉酶基因使淀粉酶分泌量大大提高，这个工程菌可以由淀粉直接发酵乙醇，以3淀粉至少产生2乙醇,延伸代谢途径,2021/3/2,P.stipitis中分离到木糖还原酶基因XYL1和木糖醇 脱氢酶XYL2基因,将其克隆进S.cerevisiae,木糖还原酶,木糖醇脱氢酶,构 建 新 的 生 物 合 成 途 径,2021/3/2,正向代谢工程问题的提出,天然存在的各种基因或经改造的各种新基因足于应付代谢工程的需要，但要使代谢工程的目标真正实现却只有很少一部分基因有效，要找到这一小部分基因无益大海捞针。 对于复杂网络，传统的代谢工程思路遇到了难

8、题,4、正向代谢工程面临的挑战及发展趋势,2021/3/2,1996年Bailey J E首次提出“反向代谢工程”的概念,反向代谢工程的兴起,2021/3/2,反向代谢工程的基本思想是： 对实验室菌株（或野生型）的突变、定向进化和定向筛选，获得预期的表型，并确定其基因型。 选择工业菌株并对其相应基因进行遗传操作，以期获得同样的表型,2021/3/2,目前为止，反向代谢工程在很多方面的应用都获得成功,逆代谢工程避免了对复杂代谢网络的充分认识过程，解决了许多正向代谢工程思路解决不了的问题,2021/3/2,Khosla和Bailey：专性需氧透明颤菌在限氧条件下合成了大量的透明颤菌血红蛋白VHb,

9、合成血红蛋白可能是透明颤菌在氧限制条件下提高代谢和生长的一种“基因策略,表达VHb的大肠杆菌在限氧条件下可达到较高生 长密度,将该血红蛋白的基因克隆到一系列需氧工业微生 物中,实例,2021/3/2,在人们并不知道VHb产生途径及影响机制的前提下，上述方法成功解决了限氧的瓶颈。正是这些成功的实例推动了对VHb的重新认识,2021/3/2,逆代谢工程的关键在于确定希望表型的遗传基础。 微生物和细胞培养积累的关于遗传刺激表型反应的数据库，以及标准微生物系统遗传、生理和生物化学特性方面的研究成果，加上高度自动化的现代分析工具，将使基因和表型之间相关性分析变得越来越容易,代谢工程的前景,2021/3/

10、2,蛋白质工程的兴起，使代谢工程仅仅利用天然存在的基因克隆这一局限将被打破，从而解除原有细胞代谢的很多限制因素。 这种逆向思维已远远超出了逆代谢工程创立之初的设想，并将成为代谢工程研究的主流方向,2021/3/2,5. 课程主要内容,1、绪论 2、代谢控制发酵的基本思想 3、代谢控制发酵育种的基本技术 4、糖代谢与控制 5、脂类代谢与控制 6、氨基酸代谢与控制 7、核酸类物质的代谢控制与发酵 8、抗生素发酵的代谢与控制,2021/3/2,1、抓住课程内容的基本逻辑结构 2、认真理解和体会其中的原理和技术 3、结合实例进一步巩固所学的理论 4、课后要及时复习和总结所学习的知识,学习方法,2021/3/2,参考书目,使用教材： 张克旭等编著代谢控制发酵 中国轻工业出版社，2004年 参考书目： 陶文沂编著工业微生物生理与遗传育种学 中国轻工业出版社，1997年 王镜岩等编著生物化学（第三版） 高等教育出版社，200