代谢工程导读ppt课件

1、 研讨代谢工程的就是为了研讨代谢工程的就是为了能准确地处置好微生物细胞本能准确地处置好微生物细胞本身的利益与人类对微生物细胞身的利益与人类对微生物细胞提出的要求之间的对立与一致提出的要求之间的对立与一致的关系。的关系。代谢工程的导读代谢工程的导读1. 代谢工程的酝酿代谢工程的酝酿2. 代谢流及其控制的的概念代谢流及其控制的的概念3. 代谢工程的两个组成部分代谢工程的两个组成部分4. 代谢工程的含义代谢工程的含义5. 代谢工程的运用代谢工程的运用1.1 半个多世纪生理与育种知识半个多世纪生理与育种知识的累积的累积1.2 基因工程实际和技术的成熟基因工程实际和技术的成熟1.3 代谢流定量分析技术的

2、开展代谢流定量分析技术的开展1.4 生化工程在线检测和建模方生化工程在线检测和建模方法的开展法的开展 1. 代谢工程的酝酿代谢工程的酝酿 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消氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法消费中，都可以找到采用这个路子实现人类理费中，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置微生物，并用进展设计的用化学诱变剂处置微生物，并用进展设计的挑选技术来

3、检出已获得优良性状的突变株。挑选技术来检出已获得优良性状的突变株。虽然这种方法已被广泛地接受并已获得好的虽然这种方法已被广泛地接受并已获得好的效果，但人们对突变株的遗传和代谢性状的效果，但人们对突变株的遗传和代谢性状的准确变化，知之甚少。准确变化，知之甚少。1.1 半个多世纪生理与育种知识的累积半个多世纪生理与育种知识的累积 虽然在一切的菌种改良方案中都有虽然在一切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某种定向的含义，但传统的诱变是随机的。的。“定向与随机诱变没有直接关系。定向与随机诱变没有直接关系。 现实上，我们早就根据随机诱变后现实上，我们早就根据随机诱变后从突变株中筛得的

4、高产突变株遗传标志，从突变株中筛得的高产突变株遗传标志，及这些突变株的优良性质的实验结果，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。来推测途径及其控制的机制。 有人把这样的做法叫做有人把这样的做法叫做“逆行的逆行的代谢工程代谢工程reverse metabolic engineering, “逆行的代谢工程逆行的代谢工程 为代谢网络的构建和完善，以及代谢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工程的进展提供了大量的生理学和遗传学信息。传学信息。 二十多年来，基因工程的实际和二十多年来，基因工程的实际和DNA重组的分子生物学技术已成熟。重组的分子生物学技

5、术已成熟。DNA重组的分子生物学技术的开发和重组的分子生物学技术的开发和运用，把代谢操作引进了一个新的层运用，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面，人们已能对代谢途径的指定酶反响进展准确的修饰，因此，有能够构响进展准确的修饰，因此，有能够构建精心设计的遗传背景。建精心设计的遗传背景。 1.2 基因工程实际和技术的成熟基因工程实际和技术的成熟1.3 代谢流定量分析技术的开展代谢流定量分析技术的开展 代谢流量分析代谢流量分析 metabolic flux analysis是一种研讨胞内代谢的方是一种研讨胞内代谢的方法，根据已有的代谢网络的信息建法，根据已有的代谢网络的信息建

6、立胞内主要反响的化学计量模型和立胞内主要反响的化学计量模型和胞内代谢产物的质量平衡，以实践胞内代谢产物的质量平衡，以实践测得的分泌到胞外的代谢中间产物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。的浓度，来推算代谢代谢流量。 这种分析方法的根底是拟稳态这种分析方法的根底是拟稳态假设，即假设在产物构成速率最大假设，即假设在产物构成速率最大的阶段各种代谢中间物的胞内浓度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，由变化速率为零。根据质量平衡，由 n 个中间代谢物即可得到个中间代谢物即可得到 n 个关于个关于速率的方程，经过测定胞外代谢产速率的方程，经过测定胞外代谢产物的浓

7、度，计算未知途径的流量。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开展生化工程在线检测和建模方法的开展 色谱、质谱、红外等等在线检测色谱、质谱、红外等等在线检测手段，以及生物传感技术的开展，可为发手段，以及生物传感技术的开展，可为发酵在线检测和反响提供可靠的原始数据。酵在线检测和反响提供可靠的原始数据。建模方法也有开展。建模方法也有开展。 代谢流的概念本身实践上并不是新的概念。代谢流及其控制引起生化研讨人员中的少数先知的留意，大约已有30多年历史了。作为他们任务的结果，代谢控制的观念成熟了，并且被严厉的定义了，虽然这些观念并不是一直被传统的生物学家广泛地接受。 2 代谢

8、流及其控制的的概念代谢流及其控制的的概念 代谢工程最初仅仅被想象为特代谢工程最初仅仅被想象为特定的途径操作在生物化学、生理定的途径操作在生物化学、生理学、遗传学的领域。后来，发酵学、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成了发酵工程的领域工程数据分析的输出端。的输出端。 虽然代谢和细胞生理学可为反响途虽然代谢和细胞生理学可为反响途径的分析提供主要的背景知识；还应该径的分析提供主要的背景知识；还应该指出

9、，代谢流量测定和控制的结果具有指出，代谢流量测定和控制的结果具有宽广的适用范围和实践运用前景。因此，宽广的适用范围和实践运用前景。因此，除了要分析代谢途径上的物质流和能量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运用于未流，代谢工程的概念同样可以运用于未来信号传感途径的信息流的分析目前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。对于信息流尚未很好地定义。 3 代谢工程的两个组成部分代谢工程的两个组成部分3.1 “分析分析 部分部分3.2 “综合综合 部分部分 由于代谢工程借助于由于代谢工程借助于 DNA 重组技术而作为一种启用技术而重组技术而作为一种启用技术而呈

10、现，所以一开场人们就把留意呈现，所以一开场人们就把留意力放在这个领域的综合方面：新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。修饰，转录的解调或酶的解调等。 这样所谓的代谢工程，在这样所谓的代谢工程，在相当程度上仅仅是运用分子生物相当程度上仅仅是运用分子生物学技术表现方式，几乎没有工程学技术表现方式，几乎没有工程的内容，因此从生物过程的角度的内容，因此从生物过程的角度来衡量，并不是够格的代谢工程。来衡量，并不是够格的代谢工程。 与一切传统的工程领域一样，与一切传统的工程

11、领域一样，代谢工程也包含代谢工程也包含 “ 分析分析 和和 “ 综综合合 两个规定的步骤。两个规定的步骤。 重要的工程内容存在于代谢工程的分析方面，例如：3.1 “分析分析 部分部分怎样推算特定代谢流量等生理形状参数？怎样推算特定代谢流量等生理形状参数？ 怎样用这些信息解释代谢网络的控制构怎样用这些信息解释代谢网络的控制构造体系，进而提出到达某个目的的符造体系，进而提出到达某个目的的符合道理的修饰位点？合道理的修饰位点？ 怎样进一步估计测定这些遗传修饰和酶怎样进一步估计测定这些遗传修饰和酶的修饰的真实的生化效果，以便进展下一的修饰的真实的生化效果，以便进展下一轮的途径修饰，直到到达目的？轮的途

12、径修饰，直到到达目的？能不能提出一个合理的方法以确定代谢能不能提出一个合理的方法以确定代谢修饰的最有希望的靶位？修饰的最有希望的靶位？ ？ 综合部分包括以分子生物学方综合部分包括以分子生物学方法进展的综合实验：设计育种方案的法进展的综合实验：设计育种方案的制定，新的基因的导入和在寄主细胞制定，新的基因的导入和在寄主细胞中的表达，内酶的扩增，基因的删除，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酶活力修饰，转录的解调或酶的解调等。等。3.2 “综合综合 部分部分 在综合方面，代谢工程的另在综合方面，代谢工程的另一个不同寻常的特征是代谢途径一个不同寻常的特征是代谢途径的的“

13、集成，而往往不是单个反集成，而往往不是单个反响的导入。这样，代谢工程研讨响的导入。这样，代谢工程研讨的是整个代谢网络，涉及到途径的是整个代谢网络，涉及到途径分析和热动力学能够性，途径流分析和热动力学能够性，途径流量及其控制。量及其控制。 我们研讨的动身点正在阅历我们研讨的动身点正在阅历从单个酶反响向相互影响的生化从单个酶反响向相互影响的生化反响体系转变。反响体系转变。 经过对整个反响体系而不经过对整个反响体系而不是一个个孤立的反响的调查就是一个个孤立的反响的调查就有能够获得关于代谢和细胞功有能够获得关于代谢和细胞功能的更全面的认识，在这个的能的更全面的认识，在这个的意义上意义上 “ 代谢网络代

14、谢网络 的观念的观念是最为重要的。是最为重要的。 因此，代谢工程运用来自因此，代谢工程运用来自复原论者的大量的信息和研讨复原论者的大量的信息和研讨技术，来进展设计和综合。而技术，来进展设计和综合。而关于整个体系的运转形状的察关于整个体系的运转形状的察看工程数据采集，对于进看工程数据采集，对于进一步的合理的分析来说，又是一步的合理的分析来说，又是最好的指点。最好的指点。 代谢工程让人们把留代谢工程让人们把留意力转向代谢网络的整个意力转向代谢网络的整个体系而不是其组成部分。体系而不是其组成部分。这个转向阐明基因工程已这个转向阐明基因工程已在总结阅历和教训中走向在总结阅历和教训中走向成熟。成熟。 代

15、谢工程把发酵工程的两代谢工程把发酵工程的两个关键的组成部分菌种和发个关键的组成部分菌种和发酵工艺控制凝聚在一同，这酵工艺控制凝聚在一同，这正是发酵原理的根本立场。正是发酵原理的根本立场。在发酵工业的历史上菌种和在发酵工业的历史上菌种和发酵工艺控制的分开，促进发酵工艺控制的分开，促进了发酵消费的工业化，也束了发酵消费的工业化，也束缚了高精度发酵工程的开展。缚了高精度发酵工程的开展。代谢工程使发酵工程返朴归代谢工程使发酵工程返朴归真，代谢工程是强化了生物真，代谢工程是强化了生物学属性的广义的发酵工程。学属性的广义的发酵工程。 发酵原理工业发酵的生物学原理是代谢控制发酵通向代谢工程的桥梁，是分子生物

16、学技术在发酵工业上获得丰盛成果的导游，也是我国生物工程、发酵工程界后生超越长辈、领先世界的“内功。 4 代谢工程的含义代谢工程的含义 DNA重组技术刚进入可行阶段不久，重组技术刚进入可行阶段不久，就呈现了不少可用来阐明这种技术在定向就呈现了不少可用来阐明这种技术在定向的途径修饰方面的潜在运用的术语。如分的途径修饰方面的潜在运用的术语。如分子育种子育种 1981年，体外进化年，体外进化1988年，年，微生物工程或代谢途径工程微生物工程或代谢途径工程1988 1991年，细胞工程年，细胞工程 1991 年年 和和 代谢工程代谢工程1991年，虽然不同的作者提出不完全年，虽然不同的作者提出不完全一样

17、的定义，这些定义均传达了与代谢工一样的定义，这些定义均传达了与代谢工程的总目的和手段类似或递进的含义。程的总目的和手段类似或递进的含义。 几十年来我们不时是用物理或几十年来我们不时是用物理或化学诱变来改动微生物的遗传特性。化学诱变来改动微生物的遗传特性。经过传统的诱变和挑选，胜利开发了经过传统的诱变和挑选，胜利开发了大量的消费抗生素和氨基酸的菌种。大量的消费抗生素和氨基酸的菌种。在代谢途径的根底上，采用了一些精在代谢途径的根底上，采用了一些精心设计的挑选方法，但是整体上这个心设计的挑选方法，但是整体上这个方法还仅仅是一种方法还仅仅是一种 “ 试差法试差法 。 DNA 重组技术的呈现使人类的许重

18、组技术的呈现使人类的许多愉快理想有能够成为现实。用目的明多愉快理想有能够成为现实。用目的明确的遗传修饰替代传统的暗箱操作去改确的遗传修饰替代传统的暗箱操作去改动代谢途径，已获得可喜的成果。发酵动代谢途径，已获得可喜的成果。发酵工程和微生物代谢流的分析提供的信息，工程和微生物代谢流的分析提供的信息，又可以校正遗传修饰的精度，从而更进又可以校正遗传修饰的精度，从而更进一步逼近预定目的。一步逼近预定目的。 代谢工程最初被定义为：代谢工程最初被定义为：用用 DNA 重组技术修饰特定的生化重组技术修饰特定的生化反响或引进新的生化反响，直接反响或引进新的生化反响，直接改善产物的构成和细胞的性能的改善产物的

19、构成和细胞的性能的学科。学科。 这样定义的代谢工程的根本特征是这样定义的代谢工程的根本特征是任务目确实实切性。也就是说，先要找任务目确实实切性。也就是说，先要找到要进展修饰或要引进的目的生化反响，到要进展修饰或要引进的目的生化反响，一旦找准了目的，就用已建立的分子生一旦找准了目的，就用已建立的分子生物学技术去扩增、去抑制或删除、去传物学技术去扩增、去抑制或删除、去传送相应的基因或酶，或者解除对相应的送相应的基因或酶，或者解除对相应的基因或酶调理，而广义的基因或酶调理，而广义的DNA重组只是重组只是常规地运用于不同步骤中，以便于到达常规地运用于不同步骤中，以便于到达这些目的。这些目的。 也有人这样给代谢工程下定也有人这样给代谢工程下定义：义：经过运用经过运用 DNA 重组和分子生物重组和分子生物学技术，对代谢途径