2025年大学《生物技术》专业题库- 代谢途径工程与微生物生产

2025年大学《生物技术》专业题库——代谢途径工程与微生物生产考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题3分，共15分）1.代谢途径2.别构调节3.代谢流4.代谢途径工程5.发酵二、填空题（每空1分，共10分）1.代谢途径通常由一系列______反应组成，这些反应由特定的______催化。2.糖酵解途径的终产物是______和______。3.在代谢途径调控中，______调节通常具有快速、可逆的特点。4.代谢途径工程的目标之一是增加目标产物合成途径中关键酶的______。5.常见的宿主微生物用于代谢工程改造包括______、______和______。6.代谢流分析（MFA）的核心思想是追踪进入和离开网络各节点的______。7.通过基因敲除消除代谢途径中的______是代谢途径工程常用策略之一。8.固定化酶技术可以提高酶在______生产中的应用效率。9.利用重组微生物生产药物，通常需要关注其______和______。10.合成生物学为代谢途径工程提供了强大的______工具。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述糖酵解途径的主要步骤及其关键酶。2.比较酶的别构调节和共价修饰两种调节方式的异同。3.简述代谢途径工程中引入新酶策略的原理及其挑战。4.简述影响微生物发酵过程的主要因素。四、论述题（每题10分，共30分）1.详细阐述代谢途径工程中通过基因过量表达提升目标产物产量的基本原理，并举例说明。2.以一种你熟悉的抗生素或氨基酸为例，简述其微生物发酵生产过程，并说明代谢途径工程在其中可能发挥的作用。3.结合当前生物制造的需求，论述代谢途径工程面临的挑战以及可能的解决方案。五、设计题（15分）假设你想通过代谢途径工程改造大肠杆菌，以使其能够高效生产赤藓糖醇（一种五碳糖醇，可由葡萄糖经木酮糖激酶途径生成）。请设计一个基本的改造方案，至少包括以下内容：1.需要引入或改造的关键酶及其来源。2.需要敲除或抑制的基因（如有）。3.预期对关键代谢节点（如磷酸戊糖途径、糖酵解途径）流量的影响。4.在设计过程中需要考虑的主要限制因素或潜在问题。试卷答案一、名词解释1.代谢途径：一系列紧密联系、按顺序进行的酶促反应，将底物转化为产物，通常位于细胞内特定的区域（如细胞质、内膜系统）。2.别构调节：指代谢途径中的某个酶受到其代谢物或别构效应剂非共价结合后，其催化活性发生可逆变化的现象。3.代谢流：指在单位时间内，通过代谢网络中某一节点或某一代谢途径的代谢物摩尔数。4.代谢途径工程：通过遗传改造或酶工程手段，修饰生物体的代谢网络，以改变其代谢能力，旨在获得具有重要经济价值的产品或改善生物体性能的工程技术。5.发酵：指微生物（或动植物细胞）在无氧或低氧条件下，利用特定底物进行代谢活动的过程，常用于工业生产。二、填空题1.连锁；酶2.丙酮酸；ATP（或能量）3.别构4.活性（或水平）5.大肠杆菌；酵母；真菌6.物质（或代谢物）7.节点（或分支点）8.工业生产（或应用）9.安全性；有效性（或质量）10.基因（或合成）三、简答题1.糖酵解途径的主要步骤包括：葡萄糖磷酸化（己糖激酶/葡萄糖激酶），葡萄糖-6-磷酸脱氢形成葡萄糖-6-磷酸和NADPH，磷酸葡萄糖异构化，果糖-6-磷酸磷酸化，果糖-1,6-二磷酸裂解为二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸，二羟丙酮磷酸异构化为甘油醛-3-磷酸，甘油醛-3-磷酸和1,3-二磷酸甘油酸生成NADH和ATP，1,3-二磷酸甘油酸脱水形成3-磷酸甘油酸，3-磷酸甘油酸磷酸化形成2-磷酸甘油酸，2-磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸，磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸和ATP。关键酶包括己糖激酶/葡萄糖激酶、磷酸葡萄糖异构酶、果糖-1,6-二磷酸醛缩酶、磷酸丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶复合体（涉及氧化脱羧）等。2.相同点：都是通过分子与酶活性中心（或调节位点）相互作用来改变酶的活性状态，从而调节代谢速率。不同点：别构调节通常是可逆的，通过非共价结合，效应剂与酶的结合位点不同于催化位点，且多为协同效应（激动剂或抑制剂）；共价修饰通常涉及酶蛋白上特定氨基酸残基的共价化学键变化（如磷酸化、乙酰化），由特定的激酶或磷酸酶催化，可以放大信号，且调节通常涉及酶的构象变化。3.引入新酶策略的原理是通过基因工程将编码所需外源酶的基因导入目标宿主细胞，使宿主细胞能够表达并分泌该酶，从而在原有的代谢途径中引入新的催化步骤或改变现有途径的流向。挑战包括：外源酶在宿主细胞内的正确折叠、定位和稳定性问题；外源酶与宿主细胞内源性代谢途径的兼容性；引入新酶可能带来的代谢负担或与内源性酶的竞争；新酶作用底物或产物可能存在的毒性或抑制效应；需要克服表达水平的限制等。4.影响微生物发酵过程的主要因素包括：培养基成分（碳源、氮源、无机盐、生长因子等）的选择与配比；发酵条件控制（温度、pH、溶氧、通气量、搅拌速度等）；接种量与菌种纯度；发酵过程中的代谢调控；生物反应器的类型与设计；产物反馈抑制；污染控制等。四、论述题1.通过基因过量表达提升目标产物产量的基本原理在于：许多生物合成途径受到严格的转录水平或翻译水平调控，通过过表达途径中的关键限速酶基因，可以增加该酶的蛋白质水平，从而加速整个代谢途径的速率，使得更多的底物流向目标产物。此外，过表达某些上游酶可以解除下游产物的反馈抑制，进一步提高目标产物的合成速率。例如，在异柠檬酸脱氢酶（IDH）过量表达的酿酒酵母中，α-酮戊二酸向琥珀酸和柠檬酸的流向增加，从而提高了柠檬酸产量。需要注意的是，过量表达必须经过优化，避免对细胞造成代谢负担或引起毒害效应。设计题部分解析思路：首先明确目标产物赤藓糖醇的合成路线，通常由葡萄糖进入磷酸戊糖途径生成木酮糖，再经木酮糖激酶磷酸化生成赤藓糖醇。其次，确定需要引入的关键酶——木酮糖激酶（XK），可能需要从其他微生物（如细菌）中获取基因。同时，为了增加磷酸戊糖途径的通量，可能需要过表达己糖激酶（HK）或葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）。最后，为了减少赤藓糖醇对代谢途径的反馈抑制，可能需要考虑敲除或抑制赤藓糖醇脱氢酶（XR）或甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）等下游相关酶基因。预期流量影响：引入XK和过表达HK/G6PDH会增加流向木酮糖和赤藓糖醇的流量。潜在问题：XK可能对宿主不适应，表达水平低或稳定性差；赤藓糖醇可能对细胞产生毒性；高浓度赤藓糖醇可能反馈抑制XK等。2.以谷氨酸为例，其微生物发酵生产过程通常在大肠杆菌或谷氨酸棒杆菌中进行。过程包括：菌种选育或遗传改造以提高谷氨酸产量；配制含有合适碳源（如葡萄糖）、氮源（如豆饼粉水解液）、无机盐和微量元素的发酵培养基；在适宜的温度、pH、溶氧条件下进行发酵；发酵过程中监测菌体生长、底物消耗和产物生成情况；发酵结束后，通过离心或过滤分离菌体和发酵液；采用萃取、离子交换、蒸馏等方法纯化谷氨酸。代谢途径工程在其中可能发挥的作用：通过基因敲除或抑制谷氨酸脱氢酶（GDH）和α-酮戊二酸脱氢酶复合体（KDC）等分支途径的关键酶，将代谢流更多地导向谷氨酸合成；通过过表达关键合成酶（如GS/AT）或调控其表达水平；通过代谢流分析（MFA）和代谢控制分析（MCA）指导代谢途径的优化；利用合成生物学构建更优的代谢网络等。3.代谢途径工程面临的挑战主要包括：代谢途径的复杂性和非线性，使得预测和调控代谢流非常困难；目标产物可能对细胞产生毒性或抑制反馈；基因型与表型的关联性复杂，高通量筛选和鉴定高效菌株的工作量大；宿主细胞的代谢负荷问题，过度改造可能导致细胞生长迟缓甚至死亡；产物转运效率低，需要改造转运系统；成本控制，发酵过程的经济效益需要考虑原料、能耗、下游加工等成本。可能的解决方案：利用系统生物学和计算生物学方法进行网络建模和仿真，指导理性设计；开发高效、精准的基因编辑工具（如CRISPR-Cas9）；构建冗余的代谢途径或引入解毒系统；寻找或改造更适合生产的宿主菌株（如利用古菌或非模式生物）；优化发酵工艺和下游分离纯化技术；关注绿色生物制造和可持续发展。五、设计题设计一个改造大肠杆菌以高效生产赤藓糖醇的方案：1.关键酶引入与改造：引入来自其他微生物（如酿酒酵母）的木酮糖激酶（XK）基因，并将其置于强启动子控制下，以在胞质中高表达。XK负责将木酮糖磷酸化为赤藓糖醇-5-磷酸。为了提供木酮糖前体，需要强化磷酸戊糖途径。这可能需要过表达己糖激酶（HK）和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）。2.基因敲除或抑制：考虑敲除或抑制赤藓糖醇脱氢酶（XR）和甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH），以减少赤藓糖醇对代谢途径的反馈抑制，并将更多的代谢流导向赤藓糖醇合成。可能还需要考虑敲除磷酸二羟丙酮（DHAP）通路的酶，以减少对糖酵解途径的竞争。3.预期流量影响：过量表达HK和G6PDH会增加流向磷酸戊糖途径的流量，从而增加木酮糖的生成量。高表达的XK将木酮糖转化为赤藓糖醇-5-磷酸，进而生成赤藓糖醇。敲除下游抑制酶将解除反馈，理论上进一步增加赤藓糖醇的合成通量。整