代謝工程概述

主要參參考書書代謝工工程，，趙學(xué)學(xué)明等等譯，，化學(xué)學(xué)工業(yè)業(yè)出版版社，，北京京。2003年年12月Biotechnology,2nded.Vol.1;BiologicalFundamentals.RehmH-JBBiotechnology,3ndedVol.3;Bioprocessing.RehmH-JB途徑工工程，，張惠惠展，，2003基因工工程原原理，，吳乃乃虎，，2004代謝工工程，，張蓓蓓等，，天津津大學(xué)學(xué)出版版社，，200301緒緒論代代謝謝工程程概述述授課教教師：：李強(qiáng)強(qiáng)本章內(nèi)內(nèi)容§1.1代代謝工工程的的產(chǎn)生生和概概念的的演變變§1.2代代謝工工程的的研究究內(nèi)容容§1.3代代謝謝工程程的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域和和前景景第一節(jié)節(jié)代謝工工程的的產(chǎn)生生和概概念的的演變變現(xiàn)代生生物技技術(shù)手手段主主要包包括基基因工工程(GeneEngineering)、、細(xì)胞胞工程程(CellEngineering)、發(fā)發(fā)酵工工程(FermentationEngineering)、、酶工工程(EnzymeEngineering)和和生化化工程程(BiochemicalEngineering)，，現(xiàn)代代生物物技術(shù)術(shù)在化化工、、醫(yī)藥藥衛(wèi)生生、農(nóng)農(nóng)林牧牧漁、、輕工工食品品、能能源和和環(huán)境境等領(lǐng)領(lǐng)域都都將發(fā)發(fā)揮重重要作作用，，可促促進(jìn)傳傳統(tǒng)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的的改造造和新新型產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的的形成成，對對人類類社會會產(chǎn)生生深遠(yuǎn)遠(yuǎn)影響響。其其中發(fā)發(fā)酵工工程是是生物物技術(shù)術(shù)的重重要組組成部部分，，是生生物技技術(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成成產(chǎn)品品的重重要環(huán)環(huán)節(jié)。。20世紀(jì)紀(jì)90年代代提出出的代代謝工工程發(fā)發(fā)展迅迅速，，被視視為繼繼傳統(tǒng)統(tǒng)的蛋蛋白質(zhì)質(zhì)多肽肽單基基因表表達(dá)（（第一一代基基因工工程））、基基因定定向突突變（（第二二代基基因工工程））之后后的第第三代代基因因工程程。代謝研研究的的產(chǎn)生生和發(fā)發(fā)展歷歷史微生物物發(fā)酵酵已經(jīng)經(jīng)有幾幾千年年的歷歷史。。早在2000年年以前前，人人們就就開始始利用用微生生物進(jìn)進(jìn)行白白酒、、黃酒酒、清清酒的的發(fā)酵酵，此此時(shí)的的發(fā)酵酵為天天然發(fā)發(fā)酵時(shí)時(shí)代。。20世世紀(jì)40年年代，，隨著著抗生生素青青霉素素的發(fā)發(fā)酵生生產(chǎn)的的大規(guī)規(guī)模進(jìn)進(jìn)行，，開始始了現(xiàn)現(xiàn)代發(fā)發(fā)酵工工業(yè)時(shí)時(shí)代。。通過過自然然選擇擇的方方法，，人們們用10-6的突變幾幾率來篩篩選所謂謂的高產(chǎn)產(chǎn)菌株。。由于沒有有代謝控控制發(fā)酵酵理論作作為指導(dǎo)導(dǎo)，直到到20世世紀(jì)60年代現(xiàn)現(xiàn)代發(fā)酵酵工業(yè)仍仍處于盲盲目階段段。1957年，日日本的木木下等人人開始了了谷氨酸酸的發(fā)酵酵研究。。隨著各各國對代代謝發(fā)酵酵理論的的深入研研究，許許多國家家轉(zhuǎn)向發(fā)發(fā)酵菌株株本身的的研究，，獲得了了許多的的氨基酸酸高產(chǎn)菌菌株。隨后，核核酸類物物質(zhì)發(fā)酵酵生產(chǎn)菌菌也以代代謝控制制發(fā)酵理理論為指指導(dǎo)進(jìn)行行選育，，并奮起起直追成成為后起起之秀。。早期的代代謝研究究主要內(nèi)內(nèi)容*早期研研究中側(cè)側(cè)重應(yīng)用用過程中中采用的的方法及及所達(dá)到到的目標(biāo)標(biāo)，通常常是對細(xì)細(xì)胞特定定的代謝謝途徑進(jìn)進(jìn)行改造造。**代謝謝控制發(fā)發(fā)酵就是利用用遺傳學(xué)學(xué)的方法法或生物物化學(xué)方方法，人人為地在在DNA分子水水平上改改變和控控制微生生物的代代謝，使使目的產(chǎn)產(chǎn)物大量量的生成成、積累累的發(fā)酵酵。代謝謝控制發(fā)發(fā)酵的核核心為：：解除微微生物代代謝控制制機(jī)制，，打破微微生物正正常的代代謝調(diào)節(jié)節(jié)，人為為地控制制微生物物的代謝謝。隨著代謝控制制發(fā)酵理論的的日臻完善，，目前已發(fā)展展出一個重要要的研究分支支——代謝工工程。它是近近年來分子生生物學(xué)、生物物化學(xué)、化學(xué)學(xué)工程學(xué)和計(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的的發(fā)展與交差差的產(chǎn)物，從從而使生物技技術(shù)突飛猛進(jìn)進(jìn)的發(fā)展，使使有關(guān)的研究究進(jìn)入了細(xì)胞胞水平。從細(xì)細(xì)胞的代謝途途徑出發(fā)，運(yùn)運(yùn)用工程學(xué)原原理進(jìn)行代謝謝調(diào)控，使之之向產(chǎn)物積累累的方向發(fā)展展，由此創(chuàng)建建了一個新興興的領(lǐng)域，即即“代謝工程程”。途徑工程Pathwayengineering利用DNA重組技術(shù)修飾各種代謝途徑，提高特定代謝物的產(chǎn)量1988，Macquitty代謝工程Metabolicengineering利用DNA重組技術(shù)優(yōu)化細(xì)胞酶活、運(yùn)輸和調(diào)控功能，提高細(xì)胞活力1991，Bailey代謝途徑工程Metabolicpathwayengineering生化途徑的修飾、設(shè)計(jì)與構(gòu)建1991，Tongetal代謝工程Metabolicengineering利用DNA重組技術(shù)對代謝進(jìn)行目的性修飾1993，Cameron代謝工程/代謝設(shè)計(jì)Pathwayengineering/Metabolicdesign改造細(xì)胞代謝途徑，提高提高天然最終產(chǎn)物產(chǎn)量或合成新產(chǎn)物1994，pieperberg**代謝工程程概念演變代謝工程Metabolicengineering對生化反應(yīng)的代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目的性修飾1994，Gregory代謝工程Metabolicengineering為達(dá)到所需目標(biāo)對活細(xì)胞的代謝途徑進(jìn)行修飾1996，william代謝工程Metabolicengineering利用分子生物學(xué)原理系統(tǒng)分析代謝途徑，設(shè)計(jì)合理的遺傳修飾戰(zhàn)略，從而優(yōu)化細(xì)胞生物學(xué)特性1999，koffasl**代謝工程程的現(xiàn)代概念念代謝工程也被被人們成為““途徑工程””，它屬于基基因工程的一一個重要的分分支。它應(yīng)用用重組DNA技術(shù)和應(yīng)用用分析生物學(xué)學(xué)相關(guān)的遺傳傳手段，進(jìn)行行有精確目標(biāo)標(biāo)的遺傳操作作，改變酶的的功能輸送體體系的功能，，以改進(jìn)細(xì)細(xì)胞某些方面面的代謝活性性的整套操作作（包括代謝謝分析、代謝謝設(shè)計(jì)、遺傳傳操作、目的的代謝活性的的實(shí)現(xiàn)）是一一種生物化學(xué)學(xué)反應(yīng)代謝網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)有目的的的修飾。代謝工程的一一些基本定義義底物：培養(yǎng)基基質(zhì)中的化合合物，是能被被細(xì)胞進(jìn)一步步代謝或直接接利用構(gòu)成細(xì)細(xì)胞組分。碳碳源、氮源、、能源物質(zhì)以以及滿足細(xì)胞胞功能必須的的各種礦物質(zhì)質(zhì)元素均屬于于細(xì)胞代謝的的底物。代謝產(chǎn)物：由由細(xì)胞合成的的化合物，可可以是初級代代謝產(chǎn)物（二二氧化碳、乙乙醇等），也也可以是次級級代謝產(chǎn)物或或者蛋白質(zhì)。。生物基質(zhì)要素素：構(gòu)成生物物質(zhì)大分子池池的一類物質(zhì)質(zhì)，包括DNA、RNA、蛋白質(zhì)等等代謝工程的一一些基本定義義代謝流和碳骨骨架物質(zhì)流：：代謝物在代代謝途徑中流流動形成代謝謝流。在代謝謝工程領(lǐng)域代代謝流往往是是指骨架物質(zhì)質(zhì)流。代謝主流：在在一定的培養(yǎng)養(yǎng)條件下，代代謝物再代謝謝網(wǎng)絡(luò)中流動動，流量相對對集中的代謝謝流叫做該條條件下的代謝謝主流。代謝謝途徑的延伸伸和改變都會會改變代謝主主流，從而實(shí)實(shí)現(xiàn)新基質(zhì)的的利用和新產(chǎn)產(chǎn)品的開發(fā)。。代謝主流的的測定是代謝謝工程的重要要組成部分。。代謝工程的一一些基本定義義載流途經(jīng)：代代謝主流流經(jīng)經(jīng)的代謝途徑徑為主要載流流途經(jīng)，簡稱稱載流途經(jīng)。。在代謝工程程研究中載流流途經(jīng)是指碳碳流在代謝網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中通過的的主要途徑。。代謝主流的變變動性和選擇擇性：生物細(xì)細(xì)胞的代謝主主流處于不斷斷的變化之中中，其方向、、流量甚至代代謝主流的載載流途經(jīng)都可可能發(fā)生變化化。這就是代代謝主流的變變動性和代謝謝主流對代謝謝網(wǎng)絡(luò)途徑的的選擇性。這這種變動和選選擇的根據(jù)在在于生物細(xì)胞胞的遺傳物質(zhì)質(zhì)，選擇的原原因在于細(xì)胞胞所處的環(huán)境境條件的變化化。代謝工程的一一些基本定義義代謝途徑定義義為：一連串串可以進(jìn)行的的并可觀測的的生物化學(xué)反反應(yīng)步驟，這這些反應(yīng)步驟驟是以指定的的一組輸入和和輸出代謝物物所連結(jié)。代謝工程的一一些基本定義義代謝網(wǎng)絡(luò)：在在代謝過程中中,通過特定定的生物化學(xué)學(xué)反應(yīng),一些些物質(zhì)被分解解,從而為基基本的生命過過程提供能量量,同時(shí)合成成另一些生命命所必需的物物質(zhì)。發(fā)生在在某物種的活活細(xì)胞內(nèi)所有有代謝反應(yīng)構(gòu)構(gòu)成了此物種種的代謝網(wǎng)絡(luò)絡(luò)。對蛋白質(zhì)層次次的代謝網(wǎng)絡(luò)絡(luò)來說，一個個代謝物分子子就是一個節(jié)節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)點(diǎn)之間的連結(jié)結(jié)則是生化反反應(yīng)。大部分分的分子只參參加一種或兩兩種反應(yīng)，但但少數(shù)分子參參與許多反應(yīng)應(yīng)，它們實(shí)際際上就是代謝謝流的集散中中心或通用代代謝物代謝工程的一一些基本定義義代謝通量定義義為：輸入代代謝物反應(yīng)生生成輸出代謝謝物的速率。。胞內(nèi)代謝通量量的確定稱為為代謝通量分分析（metabolicfluxanalysis，MFA）），其在代代謝工程處于于中心地位。。代謝工程的一一些基本定義義代謝控制分析析(MCA)*ＭetabolicControlAnalysis，簡稱ＭＭＣＡ代謝工程的一一個主要目標(biāo)標(biāo)就是對代謝謝通量控制的的理解。其是通過途徑徑中酶的活性性、代謝物、、效應(yīng)物和其其它參數(shù)所施施加的通量控控制程度進(jìn)行行定量表述。。代謝控制的關(guān)關(guān)鍵參數(shù)確定定以后，人們們需要實(shí)施這這些變化從而而最有效地達(dá)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)標(biāo)。在實(shí)施通量控控制的策略中中，無論采用用哪種路線，，為獲得最佳的的結(jié)果，都應(yīng)應(yīng)將基因修飾飾和環(huán)境條件件改變結(jié)合起起來使用。第二節(jié)代謝工程的研研究內(nèi)容代謝工程的實(shí)實(shí)質(zhì)在于對代代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行行定量分析，，并且在此基基礎(chǔ)上進(jìn)行代代謝改造（代代謝網(wǎng)絡(luò)重組組），以最大大限度地提高高代謝產(chǎn)物的的產(chǎn)率。主要內(nèi)容：生物合成相關(guān)關(guān)代謝調(diào)控和和代謝網(wǎng)絡(luò)理理論代謝流的定量量分析代謝網(wǎng)絡(luò)的重重新設(shè)計(jì)中心代謝作用用機(jī)理及相關(guān)關(guān)代謝分析基因操作代謝工程研研究的目的的通過重組DNA技術(shù)術(shù)構(gòu)建具有有能合成目目標(biāo)產(chǎn)物的的代謝網(wǎng)絡(luò)絡(luò)或具有高高產(chǎn)能力的的工程菌(細(xì)胞株、、生物個體體)并用于于生產(chǎn)是代代謝工程研研究的主要要目的。代謝網(wǎng)絡(luò)理理論代謝網(wǎng)絡(luò)理理論是把細(xì)細(xì)胞的生化化反應(yīng)以網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)整體而而不是孤立立地考慮。。細(xì)胞代謝謝的網(wǎng)絡(luò)由由上萬種酶酶催化的系系列反應(yīng)系系統(tǒng)、膜傳傳遞系統(tǒng)、、信號傳遞遞系統(tǒng)組成成，并且既既受精密調(diào)調(diào)節(jié)，又彼彼此互相協(xié)協(xié)調(diào)。代謝網(wǎng)絡(luò)理理論是代謝謝工程研究究的基礎(chǔ)代謝分析代謝分析是是代謝工程程的重要組組成部分，，它涉及代代謝流的定定量和定向向、研究細(xì)細(xì)胞內(nèi)代謝謝物濃度的的反應(yīng)工程程方法以及及細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)穩(wěn)態(tài)流分析析等代謝工程的的實(shí)質(zhì)代謝工程最最重要的貢貢獻(xiàn)在于其其強(qiáng)調(diào)在胞胞內(nèi)條件下下代謝通量量及其調(diào)控控。代謝工程的的實(shí)質(zhì)是：：將通量及及其控制進(jìn)進(jìn)行量化的的方法與分分子生物學(xué)學(xué)技術(shù)結(jié)合合起來，用用以執(zhí)行所所建議的基基因修飾任任務(wù)。當(dāng)反反復(fù)利用代代謝工程方方法時(shí)，它它就為在很很廣范圍內(nèi)內(nèi)系統(tǒng)改進(jìn)進(jìn)細(xì)胞的性性質(zhì)提供了了一種強(qiáng)有有力的方法法。通量是細(xì)胞胞生理學(xué)的的一個基本本決定因素素，也是代代謝途徑中中最重要的的參數(shù)。代謝工程與與隨機(jī)誘變變的區(qū)別盡管定向性性從某種意意義上來講講是所有菌菌種改進(jìn)工工作的固有有特性，但但是代謝工程與與隨機(jī)誘變變相比，其其工作焦點(diǎn)點(diǎn)致力于定定向性，以以致其在目目標(biāo)酶的選選擇、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及及數(shù)據(jù)分析析等方面都都起著重要要的作用。。另一方面，，細(xì)胞的定定向改進(jìn)應(yīng)應(yīng)解釋為合合理的途徑徑設(shè)計(jì)與修修飾，因此此在這個意意義上說，，代謝工程程與隨機(jī)誘誘變是完全全不同的。。實(shí)際上,通過隨機(jī)機(jī)誘變而得得到的性能能優(yōu)良的菌菌株能夠作作為關(guān)于途途徑結(jié)構(gòu)與與控制方面面重要信息息的來源，，這可經(jīng)由由反向代謝謝工程獲取取。代謝工程也也包括兩個個明確的步步驟：即分分析與合成成。因?yàn)榇x工程是是隨著DNA重組而而出現(xiàn)的可可行技術(shù)，，所以最初初代謝工程程幾乎都集集中于這個個領(lǐng)域的合合成方面:如在各種種宿主細(xì)胞胞中新基因因的表達(dá)、、內(nèi)源酶的的擴(kuò)增、基基因的缺失失或酶活性性的調(diào)節(jié)、、轉(zhuǎn)錄的或或酶的解除除調(diào)控等。。因此，代代謝工程在在很大程度度上曾是應(yīng)應(yīng)用分子生生物學(xué)的技技術(shù)體現(xiàn)，，而很少帶帶有工程方方面的內(nèi)容容。*代謝工程程的主要特特征代謝工程的的主要特征征就是利用用DNA重重組技術(shù)，，重建代謝謝網(wǎng)絡(luò)，改改變代謝流流及分支代代謝速度，，以改進(jìn)代代謝產(chǎn)物及及蛋白類產(chǎn)產(chǎn)品，由于于外源DNA的引入入擴(kuò)展了固固有的代謝謝途徑，獲獲得了新的的化學(xué)物質(zhì)質(zhì)。改變轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化蛋白的的過程，減減少不必要要的廢物。。**代謝工工程研究的的主要問題題提高細(xì)胞已已有的代謝謝途徑中天天然產(chǎn)物的的產(chǎn)量改變細(xì)胞已已有代謝途途徑，合成成新產(chǎn)物對不不同同細(xì)細(xì)胞胞的的代代謝謝途途徑徑進(jìn)進(jìn)行行整整合合，，構(gòu)構(gòu)建建全全新新的的代代謝謝途途徑徑優(yōu)化化細(xì)細(xì)胞胞的的生生物物學(xué)學(xué)特特性性，，如如生生長長速速率率、、耐耐受受性性等等。。代謝謝工工程程的的研研究究手手段段1.采采用用遺遺傳傳學(xué)學(xué)手手段段的的遺遺傳傳操操作作（1））基基因因工工程程技技術(shù)術(shù)的的應(yīng)應(yīng)用用（2））常常規(guī)規(guī)誘誘變變技技術(shù)術(shù)的的應(yīng)應(yīng)用用2.生生物物合合成成途途徑徑的的代代謝謝調(diào)調(diào)控控（1））生生物物合合成成中中間間產(chǎn)產(chǎn)物物的的定定量量生生物物測測定定（2））共共合合成成法法在在生生物物合合成成中中的的應(yīng)應(yīng)用用（3））酶酶的的誘誘導(dǎo)導(dǎo)合合成成和和分分解解代代謝謝產(chǎn)產(chǎn)物物阻阻遏遏（4））無無機(jī)機(jī)磷磷對對生生物物合合成成的的調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)3.研研究究生生物物合合成成機(jī)機(jī)制制的的常常用用方方法法（1））刺刺激激實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)法法（2））同同位位素素示示蹤蹤法法（3）洗洗滌菌絲絲懸浮法法（4）無無細(xì)胞抽抽提法（5）遺遺傳特性性誘變法法代謝工程程的研究究方法1分子生生物學(xué)方方法：構(gòu)構(gòu)建特殊殊的基因因轉(zhuǎn)移系系統(tǒng)，尤尤其對于于具有較較高生產(chǎn)產(chǎn)價(jià)值的的微生物物，具有有重要意意義。例例如Backman等等利用切切割載體體獲得Tyr營營養(yǎng)突變變型，為為構(gòu)建苯苯丙氨酸酸的生產(chǎn)產(chǎn)菌株奠奠定基礎(chǔ)礎(chǔ)。2分析化化學(xué)及檢檢測方法法：代謝謝工程的的研究對對象是代代謝途徑徑，因此此必須對對代謝通通路中的的一些酶酶及產(chǎn)物物進(jìn)行研研究和分分析。傳傳統(tǒng)的分分析通路路阻斷的的手段有有：物質(zhì)質(zhì)平衡、、同位素素標(biāo)記、、分析障障礙突變變體等，，目前它它們?nèi)匀蝗皇潜夭徊豢缮俚牡氖侄?，，而核磁磁共振、、流氏?xì)細(xì)胞術(shù)的的應(yīng)用則則為這一一領(lǐng)域的的發(fā)展增增添了新新的活力力。3數(shù)學(xué)及及計(jì)算機(jī)機(jī)工具：：研究代代謝工程程不僅需需要遺傳傳學(xué)知識識，而且且需要對對宿主菌菌的生化化代謝途途徑和生生理學(xué)有有深入的的理解，，所以將將DNA數(shù)據(jù)庫庫的信息息應(yīng)用于于代謝工工程并開開發(fā)出適適合的軟軟件系統(tǒng)統(tǒng)是十分分必要的的，Karp等等構(gòu)建了了981個生命命體化合合物數(shù)據(jù)據(jù)庫，為為未來的的發(fā)展奠奠定了基基礎(chǔ)。人人們已在在實(shí)驗(yàn)的的基礎(chǔ)上上結(jié)合數(shù)數(shù)學(xué)和化化學(xué)的理理論，發(fā)發(fā)展了一一些人工工智能程程序。代謝工程程的基本本過程1、代謝謝分析與與代謝設(shè)設(shè)計(jì)：代代謝工程程的研究究對象是是代謝途途徑，因因此必須須對代謝謝網(wǎng)絡(luò)中中的一些些酶及產(chǎn)產(chǎn)物進(jìn)行行研究和和分析。。根據(jù)代代謝流的的分析確確定代謝謝設(shè)計(jì)的的合理靶靶點(diǎn)，設(shè)設(shè)計(jì)合適適的代謝謝工程操操作手段段，對于于靶點(diǎn)進(jìn)進(jìn)行改造造，達(dá)到到改造代代謝的目目的。代謝工程程的基本本過程2、基因因操作：：代謝改改造的核核心是在在分子水水平上對對于靶基基因或基基因簇進(jìn)進(jìn)的克隆隆、表達(dá)達(dá)、修飾飾、敲除除、調(diào)控控、構(gòu)建建特殊的的基因轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)統(tǒng)以及重重組基因因在細(xì)胞胞染色體體DNA上的穩(wěn)穩(wěn)定整合合。代謝工程程的基本本過程3、效果果分析：：通常一一次性的的代謝設(shè)設(shè)計(jì)和基基因操作作往往不不能達(dá)到到實(shí)際生生產(chǎn)所要要求的產(chǎn)產(chǎn)量、速速率或濃濃度。因因此對于于一次代代謝改造造的效果果分析，，得到本本次操作作的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)和缺點(diǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，，改進(jìn)缺缺陷，綜綜合優(yōu)勢勢，進(jìn)行行下一次次代謝改改造，經(jīng)經(jīng)過不斷斷的改造造和分析析，可以以得到好好的結(jié)果果。代謝工程程的三個個基本觀觀點(diǎn)隨著生物物化學(xué)、、細(xì)胞生生物學(xué)、、應(yīng)用分分子生物物學(xué)、遺遺傳工程程和代謝謝工程的的發(fā)展，，工業(yè)發(fā)發(fā)酵正在在經(jīng)歷一一個從技技藝到科科學(xué)的重重大變化化，正在在向微生生物生物物工程過過渡。在在生物工工程受到到廣泛重重視的今今天，有有必要把把微生物物(菌種種選育)、微生生物學(xué)過過程(發(fā)發(fā)酵工藝藝)和微微生物學(xué)學(xué)體系(生物反反應(yīng)器)作為一一個整體體，在科科學(xué)的水水平上對對工業(yè)發(fā)發(fā)酵進(jìn)行行重新審審視。代謝工程程的三個個基本觀觀點(diǎn)從工業(yè)發(fā)發(fā)酵的現(xiàn)現(xiàn)狀出發(fā)發(fā)，主要要根據(jù)對對碳元素素代謝及及其控制制，菌種種是化能能異養(yǎng)型型微生物物，產(chǎn)物物是微生生物細(xì)胞胞排出細(xì)細(xì)胞的代代謝中間間產(chǎn)物的的工業(yè)發(fā)發(fā)酵，提提出了3個基本本觀點(diǎn)。。**代謝工程程的三個個基本觀觀點(diǎn)1．1生生物能能支撐觀觀點(diǎn)微生物細(xì)細(xì)胞是工工業(yè)發(fā)酵酵產(chǎn)物的的生產(chǎn)者者，微生生物細(xì)胞胞的生長長和維持持需要由由其自身身的能量量轉(zhuǎn)換機(jī)機(jī)構(gòu)或從從其他形形式的能能量轉(zhuǎn)化化形成的的生物能能來支撐撐。因此此，工業(yè)業(yè)發(fā)酵具具有生物物學(xué)屬性性。1．2代代謝網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)點(diǎn)由生化反反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)和跨輸輸送步驟驟組成的的代謝網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)既沒沒有絕對對的起點(diǎn)點(diǎn)，也沒沒有絕對對的終點(diǎn)點(diǎn)。代謝謝網(wǎng)絡(luò)中中任何一一種中間間產(chǎn)物(或可借借助生物物學(xué)、化化學(xué)方法法與代謝謝網(wǎng)絡(luò)聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的任任何一種種化合物物)都可可能被開開發(fā)成為為工業(yè)發(fā)發(fā)酵的目目的產(chǎn)物物或原料料。1．3細(xì)細(xì)胞經(jīng)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)點(diǎn)微生物細(xì)細(xì)胞的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性是是在自然然選擇的的過程中中逐漸形形成的。。野生的的(未經(jīng)經(jīng)人工變變異的)微生物物細(xì)胞在在自然選選擇的過過程中逐逐漸形成成競爭型型的細(xì)胞胞經(jīng)濟(jì)。。而工業(yè)業(yè)發(fā)酵往往往要以以目的產(chǎn)產(chǎn)物的生生產(chǎn)為主主導(dǎo)，調(diào)調(diào)整代謝謝網(wǎng)絡(luò)中中的代謝謝流，構(gòu)構(gòu)建一種種導(dǎo)向型型細(xì)胞經(jīng)經(jīng)濟(jì)。從從競爭型型細(xì)胞經(jīng)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?nèi)Q決于遺傳傳和環(huán)境境因素的的信息導(dǎo)導(dǎo)向，這這種導(dǎo)向向必須遵遵循細(xì)胞胞經(jīng)濟(jì)的的基本運(yùn)運(yùn)行規(guī)律律。代謝工程程研究的的設(shè)計(jì)思思路在具體的的設(shè)計(jì)和和操作中中,一般般從以下下方面著著手:1)提高高通向目目標(biāo)產(chǎn)物物的代謝謝流;2)擴(kuò)展展代謝途途徑;3)構(gòu)建建新的代代謝途徑徑。提高高通向目目標(biāo)產(chǎn)物物的代謝謝流的手手段通常常有:a、增強(qiáng)強(qiáng)催化限限速反應(yīng)應(yīng)的酶的的表達(dá)量量或活性性,從而而提高代代謝流;b、在有有競爭途途徑(如如分支代代謝途徑徑)存在在時(shí),阻阻斷有害害的或無關(guān)關(guān)的競爭爭代謝途途徑代謝謝產(chǎn)物的的合成,從而達(dá)達(dá)到改變變代謝流流,提高高目標(biāo)產(chǎn)產(chǎn)物產(chǎn)量量的目的的。擴(kuò)展代謝謝途徑一一般是指指通過基基因工程程手段引引入外源源基因(簇)等等,使原原有代謝謝途徑進(jìn)進(jìn)一步向向前或向向后延伸伸,從而而可利用用新的原原料用于于合成目目標(biāo)產(chǎn)物物或產(chǎn)生生新的末末端代謝謝產(chǎn)物。。構(gòu)建新新的代謝謝途徑一一般是指指引入外外源基因因(簇)來改造造和修飾飾代謝網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),使使細(xì)胞從從不能合合成某種種代謝產(chǎn)產(chǎn)物轉(zhuǎn)變變?yōu)槟軌驂蚝铣纱舜舜x產(chǎn)產(chǎn)物。常用的手手段有:a、轉(zhuǎn)移移代謝途途徑,即即將多個個特定代代謝途徑徑中的相相關(guān)基因因(簇)轉(zhuǎn)移到到無這些些基因的的菌株(或植物物細(xì)胞等等)中,從而達(dá)達(dá)到使其其能合成成新的目目標(biāo)產(chǎn)物物的目的的;b、將無無關(guān)的代代謝途徑徑相連,形成新新的代謝謝途徑,從而合合成新的的目標(biāo)產(chǎn)產(chǎn)物。習(xí)題ＭetabolicControlAnalysis，簡簡稱ＭＣＣＡ第三節(jié)、、代謝工工程的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域和前景景代謝工程程和微生生物發(fā)酵酵工業(yè)要要解決的的根本問問題是:如何有有效地改改造微生生物菌種種,使其其高效地地發(fā)酵生生產(chǎn)各種種產(chǎn)品。。代謝工程程是利用用基因工工程技術(shù)術(shù)改造細(xì)細(xì)胞的代代謝，以以改善細(xì)細(xì)胞的性性能的一一門新興興學(xué)科。。2003年美美國貝克克萊大學(xué)學(xué)J.Keasling，采采用酵母母細(xì)胞表表達(dá)天然然植物藥藥箐篙素素分子，，實(shí)現(xiàn)工工程微生生物代謝謝工程制制藥。采采用系統(tǒng)統(tǒng)生物學(xué)學(xué)原理和和轉(zhuǎn)基因因生物技技術(shù)、計(jì)計(jì)算機(jī)軟軟件輔助助設(shè)計(jì)技技術(shù)，將將細(xì)胞內(nèi)內(nèi)次生代代謝反應(yīng)應(yīng)鏈重新新設(shè)計(jì)、、人工合合成基因因與基因因調(diào)控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，從從而進(jìn)入入了代謝謝工程、、基因工工程的合合成生物物學(xué)-系統(tǒng)統(tǒng)生物學(xué)學(xué)基礎(chǔ)的的遺傳工工程時(shí)代代。代謝工工程的的主要要目標(biāo)標(biāo)是識識別特特定的的遺傳傳操作作和環(huán)環(huán)境條條件的的控制制，以以增強(qiáng)強(qiáng)生物物技術(shù)術(shù)過程程的產(chǎn)產(chǎn)率及及生產(chǎn)產(chǎn)能力力，或或?qū)?xì)細(xì)胞性性質(zhì)進(jìn)進(jìn)行總總體改改性。。本書書最主主要的的內(nèi)容容包括括途徑徑集成成和把把代謝謝通量量作為為細(xì)胞胞生理理學(xué)的的基本本決定定因素素來考考慮的的重要要性。。代謝謝工程程把數(shù)數(shù)學(xué)的的復(fù)雜雜性減減到最最小，，并同同時(shí)提提供一一些必必要的的補(bǔ)充充說明明作為為不同同數(shù)學(xué)學(xué)運(yùn)算算的背背景材材料發(fā)酵產(chǎn)產(chǎn)品代謝工工程研研究的的第一一步必必然是是先確確定要要發(fā)酵酵生產(chǎn)產(chǎn)什么么產(chǎn)品品。微微生物物發(fā)酵酵產(chǎn)品品主要要分為為3大大類:可再再生能能源、、大宗宗化學(xué)學(xué)品(和生生物材材料)、精精細(xì)化化合物物?？煽稍偕茉丛搭惸磕壳把醒芯康牡谋容^較多的的是纖纖維素素乙醇醇、生生物柴柴油、、丁醇醇,然然而目目前的的生物物能源源有著著很多多缺陷陷,將將來很很有必必要開開發(fā)品品質(zhì)高高、原原材料料豐富富的下下一代代生物物能源源,如如長鏈鏈醇、、油酯酯和碳碳?xì)浠衔镂铩４蟠笞诨瘜W(xué)品類目目前研究比比較多的是是檸檬酸、、溶劑、乳乳酸、聚羥羥基烷酸、、1,3-丙二醇、、丁二酸以以及這些化化學(xué)品聚合合生產(chǎn)的生生物材料(如生物塑塑料、生物物橡膠）然而目前能能工業(yè)化發(fā)發(fā)酵生產(chǎn)的的大宗化學(xué)學(xué)品數(shù)量還還非常有限限。將來很很有必要繼繼續(xù)開發(fā)生