代谢工程01
代谢工程
代谢工程科技名词定义中文名称：代谢工程英文名称：metabolic engineering定义：通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径。
所属学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；新陈代谢（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布代谢工程书籍图代谢工程（Metabolic engineering）是生物工程的一个新的分支。
代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。
目录发展前沿展开编辑本段发展为了满足人类对生物的特定需求而对微生物进行代谢途径操作，已有将近半个世纪的历史了。
在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都可以找到一些典型实例。
操作的主要方法是，用化学诱变剂处理微生物，并用创造性的筛选技术来检出已获得优良性状的突变菌株。
尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的效果，但对突变株的遗传和代谢性状的鉴定是很不够的，更何况诱变是随机的，科学不足技巧补！DNA重组的分子生物学技术的开发把代谢操作引进了一个新的层面。
遗传工程使我们有可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。
DNA重组技术刚进入可行阶段不久，就出现了不少可用来说明这种技术在定向的途径修饰方面的潜在应用的术语。
如分子育种（1981年），体外进化（1988年），微生物工程或代谢途径工程（1988~1991年），细胞工程（1991年）和代谢工程（1991年）。
尽管不同的作者提出不完全相同的定义，这些定义均传达了与代谢工程的总目标和手段相似的含义。
我们曾经把代谢工程定义为，代谢工程就是用DNA重组技术修饰特定的生化反应或引进新的生化反应，直接改善产物的形成和细胞的性能的学科。
这样定义代谢工程强调了代谢工程工作目标的确切性。
代谢工程(1)
二、代谢工程的研究内容
代谢工程涉及的主要内容包括：
①生物合成相关代谢调控和代谢网络理论； ②代谢流的定量分析； ③代谢网络的重新设计； ④中心代谢作用机理及相关代谢分析； ⑤基因操作。
代谢分析
代谢分析是代谢工程的重要组成部分。它 涉及代谢流的定量和定向、研究细胞内代 谢物浓度的反应工程方法以及细胞内稳态 流分析等。 代谢流分析是代谢分析的一个重要手段。 它假定细胞内的物质、能量处于拟稳态， 通过测定胞外物质浓度，再根据物料平衡 计算细胞内的代谢流。
代谢改造思路
代谢工程研究的重点在于改造代谢网络， 以便生产特定目的代谢产物或具有过量生 产能力的工程菌应用于工业生产。根据微 生物的不同代谢特性，常采用改变代谢流、 扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种方 法。
(1)改变代谢途径方法 加速限速反应 增加限速酶的表达量，来提高产物 产率。然而限速酶反应的改变可能会给 整个代谢网络带来负面影响。 改变分支代谢途径流向 提高代谢分支点某一分支代谢途径 酶活力，使其在与其它的分支代谢途径 的竞争中占据优势，从而提高目的代谢 产物的产量。
(2)扩展代谢途径 在宿主菌中克隆和表达特定外源基因， 从而延伸代谢途径，以生产新的代谢产物 和提高产率。扩展代谢途径还可使宿主菌 能够利用自身的酶或酶系消耗原来不消耗 的底物。 (3)转移或构建新的代谢途 通过转移代谢途径、构建新的代谢途 径等方法来实现。
代谢工程发展趋势
传统的代谢工程是以代谢网络理论为 基础，以代谢分析和代谢改造为主要手段。 代谢途径的复杂性给检测分析带来不少麻 年代末兴起的逆世纪烦，在某种程度上阻 碍了它的应用。 逆代谢工程
代谢工程
代谢工程（metabolic engineering)是指藉某些特定 生化反应的修饰来定向改变细胞的特性或运用重组 DNA技术来创造新的化合物。经分析方法运用于与 物流的定量化，用分子生物技术来控制物流以实现 所需的遗传改造是代谢工程的要素。代谢工程采用 的概念来自反应工程和用于生化反应途径分析的热 力学。它强调整体的代谢途径而不是个体反应。代 谢工程涉及完整的生物反应网络、途径合成问题、 热力学可行性、途径的物流及其控制。
代谢工程名词解释
代谢工程名词解释
代谢工程
代谢工程是一门研究利用生物技术手段对生物体代谢进行优化和调控的学科。
它综合运用生物学、生物化学、分子生物学、计算机科学等多学科知识，利用基因工程、蛋白工程、酶工程等技术手段，旨在通过调节代谢途径、改变代谢产物生成、提高生物反应器效率等方法，达到提高生产效率、生产新化合物或降低资源消耗的目的。
代谢途径
代谢途径是生物体内进行物质转化和能量转换的路线。
常见的代谢途径包括糖分解途径、脂肪酸合成途径、氨基酸代谢途径等。
通过对代谢途径的研究，代谢工程可以发现调控点并进行优化，从而实现对特定化合物的高效生产。
基因工程
基因工程是利用DNA重组和修改技术来改变生物体的遗传信息。
在代谢工程中，基因工程常用于改变代谢途径中的限速酶活性、优化底物转化率等。
通过定向改变特定基因的表达水平或引入外源基因，可以实现对代谢产物的调控。
蛋白工程
蛋白工程是通过改变蛋白质的结构和功能来改变生物体的代谢性能。
代谢工程中常利用蛋白工程技术改变代谢途径中的酶的催化性能，提高酶的稳定性和活性。
蛋白工程手段包括点突变、重组蛋白表达等。
酶工程
酶工程是通过改变酶的结构和功能来改变生物体的代谢性能。
代谢工程中常利用酶工程技术改变代谢途径中的催化酶的特性，提高底物转化效率和产物选择性。
酶工程手段包括蛋白工程、酶的固定化等。
代谢工程概述
• 随后，核酸类物质发酵产生菌也以代谢控制发酵
理论为指导进行选育，并奋起直追成为后起之秀。
实用文档
5
• 氨基酸和核苷酸发酵的研究进一步推动了抗生素 发酵的研究与生产，发酵由野生型发酵向高度人 为控制的发酵转移；由依赖于微生物分解代谢的 发酵转向依赖于生物合成的发酵，即向代谢产物 大量积累的方向转移。
第三代基因工程。
实用文档
代谢工程的产生
• 微生物发酵已经有几千年的历史，早在2000多年 以前，人们就开始利用微生物进行白酒、黄酒、 葡萄酒、啤酒和清酒等的发酵，此时的发酵被称 为天然发酵时代。
• 20世纪40年代，随着抗生素青霉素的发酵生产的 大规模进行，开始了现代发酵工业时代。通过自 然选择的方法，人们用10-6的突变几率来筛选所谓 的高产菌株。由于没有代谢控制发酵理论作为指 导，直到20世纪60年代现代发酵工业仍处于盲目 阶段。
实用文档
• 代谢控制发酵就是利用遗传学的方法或生 物化学方法，人为地在DNA分子水平上改变 和控制微生物的代谢，使得目的产物大量 的生成、积累的发酵。
• 代谢控制发酵的核心：解除微生物代谢控 制机制，打破微生物正常的代谢调节，人 为地控制微生物的代谢。
实用文档
• 随着代谢控制发酵理论的逐渐完善，目前已发展 出一个重要的研究分支——代谢工程。
• （1）1988年MacQuitty指出，微生物途径工程 (Microbial Pathway engineering)是利用DNA重组 技术修饰各种代谢途径（包括生物体非固有的 代谢途径），提高特定代谢物的产量。
• （ 2 ） 1991 年 Bailey 将 代 谢 工 程 (Metabolic engineering)定义为：利用DNA重组技术优化细 胞的酶活、转运和调控功能，提高细胞活力。
代谢工程基础生物化学
代谢工程基础生物化学代谢工程是一门将生物学、化学工程和计算机科学有机结合的交叉学科，它致力于通过对生物系统代谢通路的调控和优化来实现高效的代谢工程应用。
在代谢工程中，基础生物化学知识是至关重要的，只有深入理解生物体内代谢途径的基本原理，才能够进行有效的代谢工程设计和实践。
1. 代谢途径代谢是生物体内进行能量转化和物质合成的过程，包括有氧呼吸、无氧发酵、葡萄糖酵解、脂肪酸合成等多种途径。
其中，有氧呼吸是最主要的能量供给途径，通过氧化糖类物质产生ATP，并释放CO2和H2O。
而无氧发酵则是在缺氧条件下进行的，产生的乳酸或酒精可以在某些微生物中被进一步利用。
2. 代谢调控生物体内的代谢反应受到多种调控机制的影响，包括底物水平、酶活性、反馈抑制等。
其中，反馈抑制是一种常见的调控方式，即当代谢产物的浓度达到一定水平时，会抑制代谢途径中的关键酶活性，达到维持代谢平衡的效果。
3. 代谢工程设计在代谢工程中，研究人员通过基因工程和蛋白工程手段来改变生物体内代谢通路的结构和功能，以实现特定的生产目的。
例如，通过将外源基因导入细胞中，可以使其表达特定的代谢途径，产生目标产物。
同时，也可以通过调控内源基因的表达水平来优化代谢途径的效率。
4. 应用领域代谢工程在生物医药、生物燃料、生物材料等领域具有广泛的应用前景。
通过改造微生物代谢途径，可以实现生产抗肿瘤药物、生物可降解塑料等产品。
同时，代谢工程也可以提高微生物对废水中有机物的降解能力，实现环境友好型生产方式。
5. 发展趋势随着生物技术的不断发展，代谢工程在精准医疗、精准农业等领域的应用将会越来越广泛。
未来，通过计算机模拟等手段，还将实现对生物体内代谢通路的精准调控，为生物工业的发展带来更多可能。
总结：代谢工程基础生物化学是一门重要的交叉学科，它将生物化学原理应用于代谢工程的设计和实践中。
深入理解代谢途径、代谢调控、代谢工程设计等基础知识，可以帮助人们更好地利用生物体内的生物反应进行工业生产和环境治理。
[新版]代谢工程课件.ppt
![[新版]代谢工程课件.ppt](https://img.taocdn.com/s3/m/70f3bb52aef8941ea66e05a5.png)
特征：
不同的微生物初级代谢产物基本相同； 初级代谢产物合成过程是连续不断的， 与菌体的生长呈平行关系。
优选文档
7
次级代谢产物
定义：微生物生长到一定阶段才产生的化学结构 十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或 并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。
举例：抗生物、毒素、激素、色素等。 特征：
优选文档
2
微生物的生长繁殖和新陈代谢 代谢类型：
主要依赖两种代谢途径： 分解代谢 合成代谢
优选文档
3
分解代谢:指复杂的有机物分子通过分解代谢
酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸 （ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量， 一般用[H]来表示）的作用。
微生物通过分解代谢从环境中吸收的各种碳源、 氮源等物质降解，为生命活动提供能源和小分 子中间体。
第三章 微生物的代谢调节和代谢工程
第一节 微生物代谢的自我调节 第二节 代谢调控 第三节 次级代谢产物的主要调控机制 第四节 代谢工程
优选文档
1
【教学目的与要求】掌握微生物自身代谢 和次级代谢的机理、有关概念及代谢调 控，了解代谢工程设计的方向。
【教学重点与难点】微生物自身代谢和次 级代谢的机理、有关概念及代谢调控。
反馈抑制的情况较为复杂。
为避免在一个分支上的产物过多时不致 同时影响另一分支上产物的供应，微生 物已发展出多种调节方式。
优选文档
19
（1）同功酶调节
同功酶是指能催化相同的生化反应，但酶 蛋白分子结构有差异的一类酶，它们虽同 存于一个个体或同一组织中，但在生理、 免疫和理化特性上却存在着差别。
同功酶的主要功能在于其代谢调节。
不同的微生物次级代谢产物不同；
《代谢工程》课件
代谢工程是一门新兴的交叉学科，通过对微生物、动植物和细胞的基因、代 谢及代谢物的分析，设计高效合成代谢通路，以达到所需的代谢产物。本次 PPT将介绍代谢工程的应用场景、发展历程、工具、调控和优化、应用以及 未来挑战等内容。
代谢通路的分析
构成和运作
代谢通路是由一系列化学反应 组成的，负责产生细胞所需的 能量和化学物质，并维持正常 的代谢活动。了解其组成和运 作方式，有助于制造更高产和 更理想的化合物。
代谢调控和优化
调控的重要性
了解代谢通路的调控机制及其在微生物代谢工程中的应用，提高产量和纯度，优化代谢通路 的构建结果。
优化的策略和方法
包括调节基因表达、代谢物浓度或添加外源物质等多种策略和技术，帮助提高代谢产物的产 量和质量。
实例分析：代谢通路的优化案例
如利用代谢通路工程提高盐酸紫杉醇的产量和质量，使得该化合物的生产与应用在医药领域 中得到了Biblioteka 泛的应用。代谢工程的挑战和机遇
1 挑战
代谢通路的调控、代谢物检测的精准测定、代谢工程和产业化生产的时间和成本。
2 机遇和发展趋势
通过合成代谢和基因组编写等技术，可以实现微生物的全新合成，同时伴随良好的规范 管理以及营销技巧，能够为使用者带来更多实际的应用效果。
3 作用与意义
代谢工程在新药研发、微生物生产等重要领域中，具有不可替代的作用，将为我国相关 产业的进步和人民健康的发展做出重要贡献。
变异和进化
代谢通路具有很高的变异和进 化能力，其表现为同一菌种或 种间的表型差异。了解代谢通 路的变异和进化，有助于更好 地设计合成代谢通路，生产更 多、更为理想的化合物。
特点和研究对象
代谢通路是生物体内最活跃的 部分之一，其主要特点是反应 复杂，条件严格，需要满足严 谨的反应平衡。了解代谢通路 的特点和研究对象，有助于更 好地参与代谢工程的实践。
代谢工程的基本概念
限制性遗传信息之谜
微生物代谢工程
代谢流及其控制的分析
微生物细胞能为其自身提供代谢能 微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物的细胞不同，微生物细胞能独立存在、自主生活。因此每个微生物细胞都具有能量转换机构，这种机构可把其它形式的能量转换成能被其自身直接使用的能量(如 ATP、GTP 和储存在膜上的质子运动势 ΔP )，暂且把它们称为代谢能。在代谢能的直接支撑下，活细胞才能维持其高度有序的状态。
细胞能量转换机构的组成 微生物细胞的能量转换机构包括：需要代谢能来激活的代谢途径的有关的酶和这些酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和真核微生物线粒体的内膜，以及这些膜上的电子传递链和ATP酶，还有在能量代谢和主动输送中起辅助作用的有关载体系统。
微生物细胞代谢的电子流和电子回路 工业发酵普遍使用的化能异养型微生物靠生物氧化把化学能转化为可被微生物直接利用的代谢能。微生物细胞的生物氧化过程必须借助于辅酶，并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子(或质子)的流动，形成微生物代谢的跨膜的质子回路。
1
进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；
2
通，使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物；
3
节，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物；
4
堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；
5
出，促进目的产物向胞外空间分泌。
代谢网络的节点及其刚性 微生物代谢网络中的途径的交叉点(代谢流的集散处)叫做节点(node)，微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比率的改变的特性叫做节点的刚性。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。因此在应用 “ 五字策略 ” 制订育种方案时必须认真考虑节点刚性问题，尽量采用解除反馈调节的育种手段。
代谢工程
• 代谢物流分析方法： • 代谢网络、通量、代谢主流、载流途径、代谢 主流的变动性和选择性 • 代谢通量的研究方法及各自优缺点 • 通量平衡分析方法、多目标通量平衡分析方法 • 物流限制作用的克服措施 • 反馈抑制的特征及消除措施 • 代谢压力
第二章 细胞代谢
• 松弛时间
• 糖类进入细胞的几种途径 • 来源于HMP和PP途径的氨基酸和核酸生物合 成的前体物质 • 在高的比生长速率下，PP途径活性增加的 原因，举例说明 • 细菌乙醇代谢途径与酵母乙醇代谢途径的 差别
• 色氨酸操纵子的调节机制及在代谢工程中 的应用？
第三章 代谢途径的调控
• • • • • • 酶的“质变”方式 典型的别构酶具有的性质及Hill方程特征 酶的共价修饰调节方式： 调节蛋白及分类 酶浓度的调节方式 乳糖操纵子的诱导原理，实践中，启动乳糖启 动子表达为什么选用IPTG作诱导物？ • 从基因水平解释大肠杆菌培养过程中葡萄糖和 乳糖共同存在时的二次生长现象。
代谢工程期中复习
第一章绪论
• 代谢工程定义、主要研究内容及应用方向 • 系统研究代谢流及其控制机制包括的三大基本步骤 • 节点、柔性节点、强刚性节点、弱刚性节点、依赖型 代谢网络、独立型网络、代谢流分析、弹性系数、流 量控制系数。 • 阐述代谢工程研究方法和技术主要的三大常用手段 • 论述代谢改造常用三大思路及代谢设计原理
代谢工程
代谢工程：（部分）把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。
代谢工程与随机诱变育种的优势：在代谢工程中工作计划的定向性更加集中,更加有针对性。
这定向性在酶的目标的选择，实验的设计，数据的分析上起着支配的作用。
代谢工程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞过程，其不仅在解释细胞生理特性上具有重要的科学意义，而且其潜在的应用跨越了生物技术的全部领域，主要包括：(1)异源蛋白的生产；(2)扩大底物利用范围；(3)生产原来不存在的新物质；(4)对环境有害物质的降解；(5)提高菌体对环境的适应能力；(6)阻断或降低副产物的生成；(7)代谢产品生产速率和生产能力的提高；(8)植物代谢工程；(9)动物代谢工程；(10)人体和组织代谢工程一人类疾病诊断和基因治疗。
代谢途径是将一组特定的流入和流出代谢物质联系在一起的一个生化反应序列。
代谢流(物流/通量)(flux)：流入代谢物经该途径转变为流出物的速率。
代谢网络可视为由若干个串联或并联的简单子途径组成，它们通过节点相连。
节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。
柔性节点：是指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加。
强刚性节点:是指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。
弱刚性节点:介于前两者之间，由该节点流向各分支的代谢流中有一个是占主导地位的，其酶活较高或对节点代谢的亲和力较大，且无反馈抑制，通过削弱主导分支的酶量或酶活可增加产物的产率。
代谢物流分析：一种计算流经各种途径的通量的技术，用于描述不同途径的相互作用和围绕支点的物流分布。
代谢控制分析:物流控制被分布在途径的所有步骤中，只是若干步骤的物流比其他的更大些，可用数学方程来描述反应网络内的控制机制，即用一途径的物流和以物流控制系数来定量表示酶活之间的关系。
生化工程中的代谢工程技术
生化工程中的代谢工程技术生化工程是利用生物技术和化学工程的知识、原理、技术和装备开展的一项综合性学科。
在这个领域中，代谢工程技术扮演着重要的角色。
代谢工程是一种利用生物化学、微生物学、分子生物学及相关工程技术来研究、设计和操纵代谢反应和代谢途径的学科。
在生化工程中，代谢工程技术的应用非常广泛，以下是一些典型应用。
一、代谢工程在生物发酵中的应用生物发酵是生化工程中的一个主要研究方向。
代谢工程技术可以被应用于改变菌株的代谢特性，从而提高发酵产物的产量和质量。
例如，利用代谢工程技术，研究人员可以通过超表达特定代谢途径的酶来增加某种产物的产出量，或通过抑制消耗产物的代谢途径来增加产物的积累。
同时，代谢工程技术也可以应用于改良发酵过程的操作和控制策略，从而提高产量和质量的稳定性。
二、代谢工程在药物研发中的应用代谢工程技术在药物研发中也有着重要的应用。
例如，人类细胞中的代谢途径与其他生物体有很大不同，因此研究人员需要寻找合适的模型来研究药物的代谢途径。
代谢工程技术可以被应用于改变细胞的代谢途径，从而提高药物代谢特性的研究精度和准确度。
同时，代谢工程技术也可用于改变细胞的代谢途径，从而提高药物的疗效和稳定性。
三、代谢工程在食品工业中的应用食品工业中的酵母发酵和嗜酸乳杆菌发酵都是代谢工程技术的典型应用。
利用代谢工程技术可以改变酵母和嗜酸乳杆菌的代谢行为，从而提高食品的质量和品味。
例如，研究人员可以通过代谢工程技术改变酵母的挥发性酯类代谢途径，从而影响啤酒的风味。
同时，代谢工程技术也可以应用于改变食品中的多糖组分，以提高其营养价值和健康效益。
四、代谢工程在环境保护中的应用环境保护是代谢工程技术的另一个应用领域。
例如，生物降解是一种利用微生物代谢途径来降解有害物质的环保技术。
代谢工程技术可以被应用于改变微生物的代谢特点，使其更适合降解特定的有害物质。
同时，代谢工程技术还可以被应用于改变微生物的代谢途径和合成途径，从而提高产生新型环保生物物质的效率。
代谢工程---精品管理资料
代谢工程:(部分）把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来,以上述“分析—-综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能,以满足人类对生物的特定需求的生物工程。
代谢工程与随机诱变育种的优势：在代谢工程中工作计划的定向性更加集中,更加有针对性。
这定向性在酶的目标的选择，实验的设计，数据的分析上起着支配的作用.代谢工程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞过程,其不仅在解释细胞生理特性上具有重要的科学意义，而且其潜在的应用跨越了生物技术的全部领域,主要包括：(1）异源蛋白的生产；(2)扩大底物利用范围；（3）生产原来不存在的新物质；（4）对环境有害物质的降解；（5)提高菌体对环境的适应能力;（6）阻断或降低副产物的生成；(7)代谢产品生产速率和生产能力的提高;(8）植物代谢工程;（9)动物代谢工程；(10）人体和组织代谢工程一人类疾病诊断和基因治疗。
代谢途径是将一组特定的流入和流出代谢物质联系在一起的一个生化反应序列。
代谢流(物流/通量)（flux）：流入代谢物经该途径转变为流出物的速率。
代谢网络可视为由若干个串联或并联的简单子途径组成，它们通过节点相连.节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。
柔性节点：是指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加。
强刚性节点:是指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。
弱刚性节点：介于前两者之间,由该节点流向各分支的代谢流中有一个是占主导地位的，其酶活较高或对节点代谢的亲和力较大，且无反馈抑制，通过削弱主导分支的酶量或酶活可增加产物的产率。
代谢物流分析：一种计算流经各种途径的通量的技术,用于描述不同途径的相互作用和围绕支点的物流分布。
代谢控制分析：物流控制被分布在途径的所有步骤中，只是若干步骤的物流比其他的更大些,可用数学方程来描述反应网络内的控制机制，即用一途径的物流和以物流控制系数来定量表示酶活之间的关系。
代谢工程概述课件
学习交流PPT
18
3、研究生物合成机制的常用方法 （1）刺激实验法 （2）同位素示踪法 （3）洗涤菌丝悬浮法 （4）无细胞抽提法 （5）遗传特性诱变法
学习交流PPT
19
• 刺激实验法：在发酵培养基中，加入某些可能是 前体的物质，观察该物质在发酵过程中的被利用 情况与促进目的产物生成的效果。
• 洗涤菌丝法（或称静息细胞法）：取不同生长阶 段的菌丝，先洗去沾染的原培养基成分及代谢产 物，然后将菌丝悬浮于人工培养系统内，在一定 条件下继续观察被试验的化合物对菌体代谢和对 产物合成的影响。
学习交流PPT
23
• 3、数学及计算机工具：研究代谢工程不仅需要遗 传学知识，而且需要对寄主菌的生化代谢途径和 生理学有深入的理解，所以将DNA数据库的信息 应用于代谢工程并开发出适合的软件系统是十分 必要的，Karp等构建了981个生命体化合物数据库， 为未来的发展奠定了基础。人们已在实验的基础
代谢工程
( Metabolic Engineering )
学习交流PPT
1
第一节 代谢工程概述
现代生物技术手段主要包括：
• 基因工程 (Gene Engineering) • 细胞工程 (Cell Engineering) • 发酵工程 (Fermentation Engineering) • 酶工程 (Enzyme Engineering)
• （1）1988年MacQuitty指出，微生物途径工程 (Microbial Pathway engineering)是利用DNA重 组技术修饰各种代谢途径（包括生物体非固有 的代谢途径），提高特定代谢物的产量。
• （ 2 ） 1991 年 Bailey 将 代 谢 工 程 (Metabolic engineering)定义为：利用DNA重组技术优化细 胞的酶活、转运和调控功能，提高细胞活力。
课件-5代谢工程
微生物技术应用——代谢工程 微生物技术应用——代谢工程
1 半个多世纪微生物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， 传统的诱变是随机的 向的含义，但传统的诱变是随机的。“定向” 定向” 与随机诱变没有直接关系。 与随机诱变没有直接关系。 没有直接关系 但我们早就根据 但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， 得的高产突变株遗传标记，及这些突变株的优 突变株遗传标记 良性质的实验结果， 推测代谢途径及其控制 及其 良性质的实验结果，来推测代谢途径及其控制 的机制。 的机制。
5.生化反应途径和代谢途径 5.生化反应途径和代谢途径
一系列按序进行的生物化学反应 构成生化反应途径；若这条途径在活 构成生化反应途径；若这条途径在活 细胞里运行，则为代谢途径。 细胞里运行，则为代谢途径。
6.生化反应网络和代谢网络 6.生化反应网络和代谢网络
生化反应途径按生物化学规律 汇成生化反应网络；代谢途径与跨 汇成生化反应网络； 膜输送系统按代谢规律汇成（物质） 膜输送系统按代谢规律汇成（物质） 代谢网络。 代谢网络。
2.细胞能量转换机构的组成 2.细胞能量转换机构的组成
微生物细胞的能量转换机构包括： 微生物细胞的能量转换机构包括：需 要代谢能来激活的代谢途径的有关的酶和 要代谢能来激活的代谢途径的有关的酶和 这些酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和 这些酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和 细胞质膜 真核微生物线粒体的内膜， 真核微生物线粒体的内膜，以及这些膜上 线粒体的内膜 电子传递链和ATP酶 的电子传递链和ATP酶，还有在能量代谢 载体系统。 和主动输送中起辅助作用的有关载体系统 和主动输送中起辅助作用的有关载体系统。
二、代谢工程的理论基础 （一）基本概念 （二）代谢工程要解决的问题 （三）代谢工程的研究对象、目标与依据 代谢工程的研究对象、 （四）代谢工程的实质 （五）代谢工程理论涉及的内容
代谢工程概述
当代生物技术伎俩主要包含基因工程(Gene Engineering)、细胞工程(Cell Engineering)、发酵 工程(Fermentation Engineering)、酶工程(Enzyme Engineering)和生化工程(Biochemical Engineering)，当代生物技术在化工、医药卫生、农 林牧渔、轻工食品、能源和环境等领域都将发挥主要 作用，可促进传统产业改造和新型产业形成，对人类 社会产生深远影响。其中发酵工程是生物技术主要组 成部分，是生物技术转化成产品主要步骤。20世纪90 年代提出代谢工程发展快速，被视为继传统蛋白质多 肽单基因表示（第一代基因工程）、基因定向突变（ 第二代基因工程）之后第三代基因工程。
、代谢物、效应物和其它参数所施加通量控制程 度进行定量表述。
代谢控制关键参数确定以后，人们需要实施这些 改变从而最有效地到达预定目标。在实施通量控 制策略中，不论采取哪种路线，为取得最正确结 果，都应将基因修饰和环境条件改变结合起来使 用。
代谢工程概述
第16页
第二节 代谢工程研究内容
代谢工程实质在于对代谢网络进行定量分析，而且在 此基础上进行代谢改造（代谢网络重组），以最大程 度地提升代谢产物产率。
代谢工程概述
第14页
代谢工程一些基本定义
代谢通量定义为：输入代谢物反应生成输出代 谢物速率。
胞内代谢通量确实定称为代谢通量分析（ metabolic flux analysis，MFA） ，其在代谢 工程处于中心地位。
代谢工程概述
第15页
代谢工程一些基本定义
代谢控制分析(MCA) *Ｍetabolic Control Analysis，简称ＭＣＡ 代谢工程一个主要目标就 是对代谢通量控制了解 。其是经过路径中酶活性
生物技术代谢工程(1)
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/30
生物技术代谢工程(1)
2020/11/30
生物技术代谢工程(1)
1. 代谢工程的酝酿
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
2020/11/30
生物技术代谢工程(1)
1.1 半个多世纪生理与育种知识的累积
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。
2020/11/30
生物技术代谢工程(1)
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。
2020/11/30
生物技术代谢工程(1)
2020/11/30
生物技术代谢工程(1)
通过对整个反应体系而不
是一个个孤立的反应的考察就 有可能获得关于代谢和细胞功 能的更全面的认识，在这个的 意义上 “ 代谢网络 ” 的观念 是最为重要的。
2020/11/30
生物技术代谢工程(1)
因此，代谢工程使用来自
代谢调节与代谢工程(1)
（5）联合激活或者抑制作用：这是由一种反应系列形成的中间产
物参与2个完全独立途径的调节。
34
微生物代谢调节的多样性
35
作业
微生物代谢的特点是什么？ 酶活性调节的实质与主要方法是什么？ 酶合成调节方式包括哪些？ 反馈调节包括哪些形式，如何消除反馈
调节作用？
36
3.3 代谢调节的分子机制
这种突变称为组成性突变。
18
组成型突变株的获得
1. 在诱导物（低浓度）为限制性基质的恒化器 中筛选
2. 将菌株轮番在有、无诱导物的培养基中培养 3. 使用诱导性很差的基质 4. 使用阻遏诱导作用的抑制剂 5. 提高筛选效率
19
2、 分解代谢物阻遏
定义：由底物分解过程中产生的代谢物引起的，这 种阻遏现象称为分解代谢产物阻遏。
hsdh高丝氨酸脱氢酶天冬氨酸天冬氨酸人工控制谷氨酸棒杆菌的代谢过程生产赖氨酸中间产物中间产物天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶中间产物中间产物甲硫氨酸甲硫氨酸苏氨酸苏氨酸高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸高丝氨酸脱氢酶脱氢酶不能合成不能合成可以大可以大量积累量积累赖赖氨氨酸酸人工诱变的人工诱变的菌种不能产生菌种不能产生完整版课件ppt4634定义
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来 实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选 择平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建 议留0.05~0.1mm，以防按键死键。
3.要考虑成型工艺，合理计算累积 公差，以防按键手感不良。
51
52
53
28
代谢工程知识整理
一、名词解释：1代谢工程：应用重组DNA技术和分析生物学相关的遗传学手段进行有精确目标的遗传操作，改变酶的功能或输送体系的功能，甚至产能系统的功能，以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操作工作（包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的代谢活性的实现）。
代谢工程是生物化学反应代谢网络有目的的修饰。
它属于基因工程的一个重要的分支。
2代谢控制发酵技术：利用遗传学的方法或生物化学方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，使目的产物大量的生成、积累的发酵。
3生物技术：是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。
4代谢网络的节点（Node）：微生物代谢网络中的途径的交叉点（代谢流的集散处）称作节点。
在不同条件下，代谢流分布变化较大的节点称为主节点。
根据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、弱刚性、强刚性三种。
5柔性节点（Flexible Node）：是节点的一种类型，是流量分配容易改变并满足代谢需求的一类节点。
（指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加）。
6强刚性节点：若一个节点的一个或多个分支途径的流量分割率受到严格控制，那么这类节点就称为强刚性节点。
（指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。
）7弱刚性节点：若一个节点的流量分配由它的某一分支途径的分支动力学所控制，则称该节点是弱刚性节点，介于柔性节点和强刚性节点之间。
8代谢流（Flux）：定义为流入代谢物被途径加工成流出代谢物的速率。
9途径工程（Pathway Engineering）：是一门利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络，并通过DNA重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰，进而完成细胞特性改造的应用性学科。
10合成生物学：简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题的一门新兴学科。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
代谢工程Metabolic Engineering代谢代谢途径是将一组特定的流入和流出代谢物质联系在一起的一个生化反应序列。
代谢流(物流/通量)(flux)指流入代谢物经该途径转变为流出物的速率。
通常，在一个特定的代谢途径中存在有控制该途径代谢流的关键位点，不同代谢途径之间通过相关联的节点连接在一起，从而在细胞内形成了代谢网络。
代谢网络可视为由若干个串联或并联的简单子途径组成，它们通过节点相连。
代谢物流分析(metabolic flux analysis)：一种计算流经各种途径的通量的技术，用于描述不同途径的相互作用和围绕支点的物流分布。
代谢控制分析(metabolic control analysis):物流控制被分布在途径的所有步骤中，只是若干步骤的物流比他的更大些，可用数学方程来描述反应网络内的控制机制，即用一途径的物流和以物流控制系数来定量表示酶活之间的关系。
物流控制系数(flux control coefficient，FCC)是系统的性质，大体上可用物流的百分比变化除以酶活(该酶能引起物流的改变)的百分比变化表示。
物流求和理论(flux summation theory)是如果将一代谢系统中的某一物流的所有酶的物流控制系数加在一起，其和为1。
物流分担比(flux split ratio)是指途径A与途径B之比，如葡萄糖-6-磷酸节上的物流分担比便是EMP途径物流/(pp途径物流)。
弹性系数(elascity coefficients)表示酶催化反应速率对代谢物浓度的敏感性。
弹性系数是个别酶的特性。
在生物工程中通常是以生物细胞为反应器，利用其固有的代谢网络来合成所需的产物。
由于遗传背景的限制，细胞固有的代谢网络常常很难满足人类的需要，这就促使人们进一步了解代谢网络，并在此基础上通过重组DNA技术来重新设计代谢途径，调整代谢网络，改造细胞原有特性以符合人类需要。
代谢工程（metabolic engineering） 途径工程（Pathway engineering）利用重组DNA技术来对生物细胞内固有的代谢途径进行定向改造。
(藉某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或运用重组DNA技术来创造新的化合物。
)标志着基因工程应用已经进入到一个高级阶段。
代谢工程的要素：将分析方法运用于物流的定量化，用分子生物技术来控制物流以实现所需的遗传改造。
代谢工程的本质应用重组DNA技术对细胞的酶反应、物质运输及调控功能进行遗传操作，从而改良细胞功能的技术。
代谢工程的研究目的通过重组DNA技术构建具有能合成目标产物的代谢网络或具有高产能力的工程菌并用于生产。
代谢工程所采用的概念来自反应工程和用于生化反应途径分析的热力学。
它强调整体的代谢途径而不是个别反应。
代谢工程涉及完整的生物反应网络、途径合成的问题、热力学可行性、途径的物流及其控制。
要想提高某一方面的代谢和细胞功能应从整个代谢网络的反应而不是一个个反应去考虑。
重点应放在途径物流的放大和重新分配上。
想通过单个酶的超表达来提高代谢途径的物流是行不通的，除非此酶具有高的物流控制系数。
假定能成功超表达途径受限制的酶，该酶固然不再受反馈抑制，但瓶颈可能落在途径下游的酶上，从而导致代谢中间体的大幅度的增加。
同时和协调地超表达途径中的大多数酶，原则上可大大提高代谢物流而不至于改变各代谢物的浓度。
另一种选择是增加途径产物的需求，这或许可通过提高产物的分泌速率办到。
代谢工程研究的设计思路提高通向目标产物的代谢流扩展代谢途径构建新的代谢途径提高通向代谢产物的代谢流增强催化某反应的酶的表达量或活性，从而提高代谢流；在有竞争途径（如分支代谢途径）存在时，阻断有害的或无关的竞争代谢途径代谢产物的合成，从而达到改变代谢流，提高目标产物产量的目的。
扩展代谢途径通过基因工程手段引入外源基因（簇）等，使原有代谢途径进一步向前或向后延伸，从而可利用新的原料用于合成目标产物或产生新的末端代谢产物。
构建新的代谢途径构建新的代谢途径一般指引入外源基因（簇）来改造和修饰代谢网络，使细胞从不能合成某种代谢产物转变为能合成此代谢产物。
常用手段：（1）转移代谢途径，即将多个特定代谢途径中的相关基因簇转移到无这些基因的菌株中，从而达到使其能合成新的目标产物的目的；（2）将无关的代谢途径相连，形成新的代谢途径，从而合成新的目标产物。
代谢工程研究的基本程序 改良靶点的确定基因操作效果分析改良靶点的确定合理的改良靶点的确定通常是建立在代谢网络的代谢流定量分析和控制分析的基础上。
选择的靶点通常包括拟修饰的基因，拟导入代谢途径和拟阻断代谢途径的靶点等。
基因操作一旦确定了靶点之后，需考虑采用适当的方法对靶基因进行遗传操作。
常见的操作类型有：基因簇的克隆、表达、修饰、敲除、整合等。
遗传操作是代谢工程研究的核心内容。
但应注意掌握好对代谢网络进行修饰的强度，只有适度的修饰才能获得既不破坏细胞内的精细平衡状态，又能达到高产或合成新的目标代谢产物的目的。
效果分析对构建的工程菌株的代谢网络进行全面的效果分析是必要的。
效果分析显示出的问题往往又会成为新一轮实验的改进目标。
经多轮遗传操作后，往往可获得优良的可用于生产的工程菌株。
代谢工程应用研究进展————在微生物领域的应用L-苯丙氨酸的代谢工程L-苯丙氨酸是人体必需八大氨基酸之一，在食品、医药领域具有广泛的应用，其中最有潜力的应用领域是合成新型甜味剂——阿斯巴甜（Aspartame, APM）。
L-苯丙氨酸的制备 提取法化学合成法酶法发酵法中央代谢途径的调控苯丙氨酸生物合成支路的代谢调控中央代谢途径的调控策略1增加PEP的合成量（1）构建PEP羧化酶阴性E.coli突变株，切断PEP到OAA的代谢通路，使L-苯丙氨酸的产量提高了6倍；（2）去除Bacillus subtilis编码Pyr激酶的基因，降低丙酮酸激酶的表达量；（3）在E.coli中串联表达PEP合成酶和PEP羧化激酶基因，提高PEP产量。
GlcG6P （HMP）F6PPyrTCAOAAL-苯丙氨酸合成途径PEPE4PPEP合成酶转酮酶PEP羧化酶PEP羧化激酶Pyr激酶中央代谢途径调控策略2增加E4P的合成量：超量表达转酮酶基因。
例：在Corynebacterium glutamicum中超量表达转酮酶，E4P水平提高，苯丙氨酸产量提高5%-20%。
G lcG6P （H M P）F6PPyrT CAO A AL-苯丙氨酸合成途径PE PE4PPEP合成酶转酮酶PEP羧化酶PEP羧化激酶Pyr激酶说明中央代谢途径的改变往往会对细胞产生较大压力。
其形成因素包括蛋白质的超量表达和代谢流水平的波动，严重影响细胞生长和代谢流。
L-苯丙氨酸生物合成支路的代谢调控E.coli的代谢调控通过E.coli选育具有L-酪氨酸和L-色氨酸双重营养缺陷型突变株，可积累L-苯丙氨酸7.4 g/L；将抗反馈抑制的分支酸变位酶预苯酸脱水酶基因构建入E.coli中进行发酵生产，L-苯丙氨酸最高产量达到50 g/L。
酵解途径PEP E4P HMP途径分支酸酪氨酸L-苯丙氨酸预苯酸色氨酸分支酸变位酶-预苯酸脱水酶（同上）Corynebacterium glutamicum的代谢调控超量表达分支酸变位酶预苯酸脱水酶基因，可使L-苯丙氨酸产量达26 g/L；从Corynebacteriumglutamicum中克隆了分支酸变位酶，再将该酶的基因插入Corynebacterium glutamicum，L-苯丙氨酸的产量达19 g/L，是基因导入前的1.5倍；同时向该菌中导入分支酸变位酶及预苯酸脱水酶的双酶基因，L-苯丙氨酸的产量再上升到23 g/L。
酵解途径PEP E4P HMP途径分支酸酪氨酸L-苯丙氨酸预苯酸色氨酸分支酸变位酶-预苯酸脱水酶（同上）代谢工程的应用代谢工程可用于以下几个方面：①改进由M合成产物的得率和产率；②扩大可利用基质范围；③合成对细胞而言是新的产物或全新产物；④改进细胞的普通性能，如耐受缺氧或抑制性物质的能力；⑤减少抑制性副产物形成；⑥环境工程方面；⑦药物合成方面，作为中间体的手性化合物的制备；⑧在医疗方面用于整体器官和组织的代谢分析，用于鉴别藉基因治疗或营养控制疾病的目标；⑨信息传导途径方面，即信息流的分析，为了治疗疾病而进行基因表达的分析和调节，需了解信息流的相互作用和控制。
Part 5 Investigation of BioprocessSystems BiologySystems biologyPart 5Case: Antibiotic yield improvement usingcombinatory chemistry and biology Part 5genomics Environmentomics Transcript omicsProteomics Metabolomics GenemanipulationBioprocessoptimizationTCS regulationTranscription networkMetabolic network Bioprocess systems biology :research methods对环境参数与细胞的转录组、蛋白组、代谢组等不同层级的参数进行直接的，机制性的，理性的，全域性的关联Part 5From up to down From bottomto topstrain StrainProduction features Production featuresPhysiology Physiologygene1gene2gene3gene4gene1gene2gene3gene4???Systems biology Current methodology包括环境变量的组学分析和模型拟合相结合的系统生物学研究Trends Biotechnol.,2005,23:349–358.Systemic integration of wet and in silico experiments for developing improved microorganisms for industrial applications in systems biotechnology. Highthroughput experiments lead to the accumulation of large amounts of x-omes (i.e. genome, transcriptome, proteome, metabolome and fluxome data), which can be analyzed in conjunction with in silico modelling and simulation results, facilitating the strain improvement through the systems biotechnological research cycleSystems biotechnology for strain improvement Part 5Omics application in bioprocess Process Association analysis RNA sampleTranscriptom ics ProteinsampleProteomics Metabolitessample MetabolomicsMetabolicengineeringPrecise engineering Association analysis at multi-scale E. V. opt.Part 52D electrophoresis for proteomics analysisA: original strain B:1st generation strainC: 30th generation strain D: 40th generation strainPart 5102030405060mAU -5000500100015002000 VWD1 A, Wavelength=214 nm (FANGB\06070002.D)2.4782.9165.1165.9256.8627.7868.9249.66611.429 13.21017.58818.41519.64620.90021.58723.27123.94925.10025.77326.80328.13729.59231.09134.03434.57035.53039.63447.0400102030405060mAU -400-2000200400600 VWD1 A, Wavelength=214 nm (FANGB\06070001.D)2.4132.9253.3914.0804.8695.5836.3767.3508.4469.59410.77817.71218.43019.63420.76021.34823.04223.78726.51027.15727.89929.03829.93030.83831.65332.77633.34734.20035.08236.30436.96338.19939.09539.63940.74143.07543.50645.57256.614RT:0.01 - 59.95510152025303540455055Tim e (m in)05101520253035404550556065707580859095100R e a t v e A b u n d a n c e 33.4041.0028.0230.9737.1722.0145.813.799.8443.617.6149.9757.0853.1915.37NL:1.54E9Base Peak MS 0607duotai 02RT:0.01 - 60.0051015202530354045505560Tim e (m in)05101520253035404550556065707580859095100R e a t v e A b u n d a n c e 34.7127.4231.2422.1139.722.809.7619.757.8711.5147.2455.6252.5514.171.3143.84NL:3.13E8Base Peak MS 0607duotai 03（HPLC -ESI -MS/MS ）formetabolomicsB A B ALC ESI -MS/MS analysis Isolated digested proteins Waters CapLC ProteinLynx data processing and databasesearching ProteinLynxresults browser Micromass Q-Tof automatedESI -MS/MS MS/MSBiosensors Part 5Time trajectories of intracellular VHb concentration and corresponding of cell dry weight in parallel.oxygen-limited batchcultivations of E.coli代谢工程在菌种生产性能改良方面的应用概况与进展受到VHb表达有利于大肠杆菌在氧限制下的生长的激励，曾将此技术应用于其它各种工业微生物，从细菌、酵母、高等真菌到哺乳动物细胞的培养。