代谢工程
第四章 代谢工程概述
生物技术制药
代谢工程发展的目标
(1) 提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量； (2) 改造细胞现存代谢途径，使其合成新产物， 这种新产物可以是中间代谢产物或修饰性的 最终产物； (3) 对不同细胞的代谢途径进行拟合，构建全 新的代谢通路，从而产生细胞自身不能合成 的新产物； (4) 优化细胞的生物学特性，如生长速率，对 某些极端环境条件的耐受性等。
生物技术制药
推理性代谢工程
推理性代谢工程（简称代谢工程）是采用重 组DNA技术通过改变细胞内有关酶量、酶活 和调节功能而改变细胞的遗传特性以改进微 生物某方面代谢活性，最大限度地提高目的 产物产率的一门技术。其实质是对代谢流量 及控制进行定量分析和在此基础上的代谢改 造。与传统的菌株改造技术不同，是一种有 目的、有理性的改造。
生物技术制药
扩展代谢途径
代谢途径的后延： 草生欧文氏菌产2-酮基古龙酸(2-KLG) 7-氨基头孢烷酸(7-ACA)的合成 代谢途径的前伸： 利用乳清生产黄原胶
生物技术制药
草生欧文氏菌产2 草生欧文氏菌产2-酮基古龙酸
维生素C前体2 酮基古龙酸(2-KLG)的合成 维生素C前体2-酮基古龙酸(2-KLG)的合成 (2 草生欧文氏菌可转化葡萄糖生成2，5-二酮基葡萄糖酸(2,5DKG)。 棒杆菌2，5-二酮基葡萄糖酸还原酶可转化2，5-二酮基葡萄 糖酸生成2-酮基古龙酸。 将棒杆菌2，5-DKG还原酶转入草生欧文氏菌，这种重组的草 生欧文氏菌可直接转化葡萄糖生成2-酮基古龙酸。但目前产 量还不高。 产量不高的原因：在草生欧文氏菌中发现有2-酮基醛酸还原 酶(KR)，它能把2-酮基古龙酸转化成艾杜糖酸。 如将草生欧文氏菌总的2-酮基醛酸还原酶缺失掉，有可能提 高2-酮基古龙酸。
生物技术制药
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
通过转移代谢途径、构建新的代谢途 径等方法来实现。
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三、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。
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(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。
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(2)扩展代谢途径 在宿主菌中克隆和表达特定外源基因
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1 代谢网络理论
• 代谢网络理论把细胞的生化反应以网络 整体而不是孤立地考虑。细胞代谢的网 络由上万种酶催化的系列反应系统、膜 传递系统、信号传递系统组成，并且既 受精密调节，又彼此互相协调。
• 各种代谢都不是孤立进行的，而是相互 作用、相互转化、相互制约的一套完整 、统一、灵敏的调节系统。
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代谢中间产物作为生物合成的前体及 能量供应者，转向终产物的碳流的大小将 最终决定终产物的产率。中间代谢产物的 代谢流改变会受到细胞的抑制，并引起胞 内功能的严重改变。传统的代谢工程对中 间产物的生理作用考虑较少，从而使产率 远远达不到所计算的理论最大产率。
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• 弹性系数和流量控制系数是代谢控制分 析研究的两个主要指标。
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4 代谢工程的研究手段
• 代谢工程综合了基因工程、微生物学、生化工 程等领域的最新成果。因此，在研究方法和技 术方面主要有下列三大常用手段： (1)检测技术 常规的化学和生物化学检测手段都可用于 代谢工程的研究。这包括：体内确定代谢流的 物料平衡和同位素标记示踪方法；表征酶促反 应进程和性质的酶促反应动力学分析方法;测定 同位素富集和关键代谢物相对分子质量分布的 光谱学方法(核磁共振、质谱、液相色谱分析和 气相色谱分析等)；生物传感器技术。根据这些 检测信息可以判断和描述代谢流的基本状态， 并为细胞的代谢流及其控制分析提供翔实可靠 的原始数据。
代谢工程操作
代谢工程是应用基因工程和生物化学等技术手段来改造和优化生物代谢途径，以实现特定目标的过程。
在代谢工程操作中，有一些常见的步骤和操作需要进行。
以下是代谢工程操作的一般流程：1.目标设定：首先确定要实现的代谢工程目标，例如生产特定化合物、增强代谢活性或优化代谢产率等。
2.代谢通路分析：对目标代谢途径进行深入研究和分析，包括了解底物、产物、中间体以及相关酶的特性和调控机制等。
3.基因筛选和编辑：根据目标代谢途径，选择合适的基因进行编辑或添加。
这包括基因的克隆、表达和调控等操作。
4.代谢工程载体构建：将所需的基因组装到适当的载体中，以便将其导入到宿主生物中。
这可能涉及到质粒构建、转化、筛选和验证等步骤。
5.宿主选择与优化：选择和优化适合于目标代谢工程的宿主生物，如细菌、酵母、真菌或植物等。
这需要考虑宿主的生长特性、代谢能力和基因操作的可行性。
6.培养条件优化：通过调整培养基组成、温度、pH值、氧气供应等环境因素，优化宿主生物的生长和代谢产物的积累。
7.监测和分析：利用生物化学和分子生物学技术，对培养物中的代谢途径和产物进行监测和分析，以了解代谢工程的效果和调控策略。
8.优化和改进：根据监测和分析结果，对代谢工程操作进行优化和改进，进一步提高产物产率、选择性和纯度等。
9.生产规模扩大：在实验室中验证成功后，可以将代谢工程操作进行放大，并进行工业化生产，以满足实际需求。
以上是代谢工程操作的一般流程，具体的操作步骤可能根据不同的目标和具体情况有所差异。
在进行代谢工程操作时，需要严格遵循实验室安全规范和法律法规，确保操作的安全性和合法性。
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。
[新版]代谢工程学
![[新版]代谢工程学](https://img.taocdn.com/s3/m/27c6850bc381e53a580216fc700abb68a982adff.png)
代谢工程学代谢工程学（Metabolic engineering）又称途径工程，一般定义为通过某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性，或是利用重组DNA技术来创造新的化合物。
它使指利用基因工程或是分子生物学技术，将生体内之代谢路径改变，通常改变生体内化学反应之酶。
代谢工程技术目前以微生物利用为主，改变工业微生物之代谢路径，生产所需要的化学物质，如抗生素。
这一概念由美国学者BaileyJE于1991年首先提出。
其将代谢工程定义为：用重组DNA技术来操纵细胞的酶运输和调节功能从而改进细胞的活性。
Stephanopouls等认为，代谢工程是一种提高菌体生物量或代谢物产量的理性化方法。
Cameron等的定义则精炼一些，即用重组DNA技术有目的地改造中间代谢。
目录[隐藏]∙ 1 研究内容∙ 2 研究意义∙ 3 参考文献代谢工程学-研究内容与其他传统的工程领域相比，途径工程同样强调解析与组合两个特定的步骤，然而在很大程度上途径操作过程基本上是分子生物学原理的一种技术表现形式，真正意义上的工程方面的成份并不占主导地位。
严格地讲，生化反应过程的有关内容并不能定义为途径工程。
更多更显著的工程成份只是反映在途径工程的分析部分，如怎样辨认能反映细胞生理状态的主要参数？怎样利用这些信息组织一个代谢网络的控制设计，并确定合理靶点以修饰构建特定的物种？怎样进一步评估基因或酶的真实修饰效果，以实施新一轮的途径修饰直到最佳状态的确立？取代普通的定向靶点筛选程序，怎样预测一个合理的过程以确定途径操作的最有效靶点？上述问题是途径工程分析部分应解决的问题。
途径工程的一个崭新观点是关注代谢途径的组合而非单一的反应，因此它必须考察完整的生化反应网络，重视途径和目标产物的热力学可行性、代谢流及其控制。
从传统的单一酶反应分析向相互作用的生化反应系统转移是这一组合观点的精髓，其中代谢网络的概念尤其重要，只有这样，生物体代谢运动和细胞功能的图视效果才能被强化。
代谢工程概念
代谢工程概念一、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。
微生物应用技术-代谢工程
微生物技术应用——代谢工程
代谢工程定义：利用重组DNA技术或其他技术， 有目的地改变生物中已有的代谢网络和表达 调控网络，以更好地理解和利用细胞的代谢 途径，并用于化学转化、能量转移及大分子 装配过程。
➢代谢工程就是利用基因工程技术重新设计代谢系统。 ➢“一种理解并利用代谢过程的方法”。
微生物技术应用——代谢工程
一、代谢工程的产生及沿革
1 半个多世纪微生物生理与育种知识的累积 2 基因工程理论和技术的成熟 3 代谢流定量分析技术的发展 4 生化工程在线检测和建模方法的发展
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
微生物生理学、遗传育种学和生物化学的发展
用代谢途径操作的手段来改造微生物以获 得期望的性质
19.正常代谢和竞争型细胞经济
微生物在生存竞争中进化的方向是发展其 自身的适应能力和提高细胞运行的经济系数。 经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其所 栖身的环境中是富有竞争能力的，并且它们的 代谢中间物在代谢网络中的分布及细胞经济运 行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。 在上述条件下，细胞处于正常代谢状态，细胞 经济体系呈现竞争型细胞经济的特色。
21.细胞经济受到严格的制约
工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得产品， 导向型细胞经济固然有利于特定的代谢产物的 生产，但竞争型细胞经济向导向型细胞经济的 转化受到能量代谢、还原力的平衡等条件的严 格制约（以保证有熵的输出），表现出代谢网 络的刚性。若细胞经济实体的运行状态过度偏 离竞争型运行状态，活细胞的高度有序状态将 走向无序，最终导致细胞经济的崩溃。
11.代谢主流的变动性和选择性
微生物的代谢主流的方向、流量甚至 所流经的途径都可能发生变化。这就是微
如何在生物化学中进行代谢工程
如何在生物化学中进行代谢工程生物化学中的代谢工程是一门充满活力和挑战的学科，它旨在通过对细胞代谢网络的理性设计和改造，实现生物体系的优化和创新。
这不仅有助于提高生物生产过程的效率和产量，还为解决能源、环境和医疗等领域的问题提供了新的思路和方法。
那么，如何在生物化学中进行代谢工程呢？首先，我们需要深入了解代谢途径和代谢网络。
代谢途径是一系列酶催化的化学反应，它们协同作用，将底物转化为产物。
而代谢网络则是由众多代谢途径相互连接形成的复杂体系。
要进行代谢工程，就必须清楚地知道目标产物在代谢网络中的生成途径，以及与之相关的其他代谢途径的关系。
这需要我们掌握生物化学、微生物学、分子生物学等多学科的知识，并运用各种实验技术和分析方法，如酶活性测定、代谢物分析、基因测序等，来获取代谢网络的信息。
在了解代谢网络的基础上，我们可以运用数学模型来模拟和预测代谢过程。
数学模型可以帮助我们定量地描述代谢网络中各物质的流动和变化规律，从而更好地理解代谢过程的动态特性。
通过建立数学模型，我们可以预测不同基因操作或环境条件对代谢产物产量的影响，为代谢工程的设计提供理论依据。
目前，常用的数学模型包括基于代谢物平衡的稳态模型、基于动力学方程的动态模型以及基于基因组规模的代谢网络模型等。
接下来，就是确定代谢工程的目标和策略。
目标可以是提高某种代谢产物的产量、改变代谢产物的比例、合成新的代谢产物等。
策略则包括基因工程、蛋白质工程、发酵工程等多种手段。
例如，如果我们的目标是提高某种代谢产物的产量，可以通过增强相关代谢途径中关键酶的基因表达，或者敲除竞争途径中的关键基因，来增加目标产物的合成通量。
此外，还可以对关键酶进行蛋白质工程改造，提高其催化效率和稳定性。
基因工程是代谢工程中最常用的手段之一。
通过基因克隆、基因敲除、基因过表达等技术，可以对细胞内的基因进行精确的操作。
在进行基因工程操作时，需要选择合适的载体和宿主细胞，并优化基因的表达调控元件，以确保基因能够在宿主细胞中高效表达。
代谢工程试题答案
1.微生物代谢工程定义、研究内容和研究手段。
（1）定义：代谢工程是利用重组DNA技术或其他技术,有目的地改变生物中已有的代谢网络和表达调控网络,以更好地理解细胞的代谢途径,并用于化学转化、能量转移及大分子装配过程。
（2）研究内容：生物合成相关代谢调控和代谢网络理论；代谢流的定量分析；代谢网络的重新设计；中心代谢作用机理及相关代谢分析；（3）研究手段:代谢工程综合了基因工程、微生物学、生化工程等领域的最新成果。
①基因操作技术：在代谢工程中，代谢网络的操作实质上可以归结为基因水平上的操作：涉及几乎所有的分子生物学和分子遗传学实验技术，如基因和基因簇的克隆、表达、调控，DNA 的杂交检测与序列分析，外源DNA的转化，基因的体内同源重组与敲除，整合型重组DNA 在细胞内的稳定维持等。
②分析手段：组学技术(X-omics)：工业微生物基因组测序与功能基因组分析；基于基因芯片的转录组学分析；蛋白质组学技术；基于同位素技术的代谢通量组学。
③检测技术：常规的化学和生物化学检测手段都可用于代谢工程的研究，如物料平衡、同位素标记示踪法、酶促反应动力学分析法、光谱学法、生物传感器技术。
2.代谢改造思路和代谢设计原理。
（1）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。
a改变代谢途径的方法：加速限速反应，增加限速酶的表达量，来提高产物产率。
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。
b扩展代谢途径的方法：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。
c转移或构建新的代谢途径：通过转移代谢途径、构建新的代谢途径等方法来实现。
代谢工程概述(ppt 44页)
代谢工程，赵学明等译，化学工业出版社，北京。 2003年12月
Biotechnology,2nded.Vol.1;BiologicalFunda mentals.RehmH-JB
Biotechnology,3ndedVol.3;Bioprocessing.Re hmH-JB
代谢途径定义为：一连串可以进行的并可观测 的生物化学反应步骤，这些反应步骤是以指定 的一组输入和输出代谢物所连结。
代谢网络：在代谢过程中,通过特定的生物化学反应, 一些物质被分解,从而为基本的生命过程提供能量,同 时合成另一些生命所必需的物质。发生在某物种的活 细胞内所有代谢反应构成了此物种的代谢网络。
**代谢工程概念演变
代谢工程也被人们成为“途径工程”，它属于基 因工程的一个重要的分支。它应用重组DNA技 术和应用分析生物学相关的遗传手段，进行有精 确目标的遗传操作，改变酶的功能输送体系的功 能 ，以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操
作（包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的 代谢活性的实现）是一种生物化学反应代谢网络 有目的的修饰。
代谢工程的一些基本定义
代谢控制分析(MCA) *Ｍetabolic Control Analysis，简称ＭＣＡ 代谢工程的一个主要目标 就是对代谢通量控制的理解 。其是通过途径中酶 的活性、代谢物、效应物和其它参数所施加的通 量控制程度进行定量表述。
代谢控制的关键参数确定以后，人们需要实施这 些变化从而最有效地达到预定目标。在实施通量 控制基因修饰和环境条件改变结合起 来使用。
1957年，日本的木下等人开始了谷氨酸的发酵研究。随着各国 对代谢发酵理论的深入研究，许多国家转向发酵菌株本身的研究， 获得了许多的氨基酸高产菌株。
代谢工程概述课件
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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
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• 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。
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• 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 )
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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。
代谢工程提高产量的方法
代谢工程提高产量的方法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：代谢工程是一种利用现代生物技术手段来调控微生物代谢途径，从而提高产量的方法。
在工业生产中，代谢工程可以被广泛应用于生物制荂行、食品生产、药物合成等领域，通过对微生物代谢途径的调控，实现产物的高效合成和提高产量。
本文将探讨代谢工程在提高产量方面的作用和方法，希望能给相关领域的研究者提供一些参考。
一、代谢工程的作用代谢工程通过对微生物基因组的改造，调控其代谢途径，提高目标产物的合成效率和产量。
在传统工业生产中，通过代谢工程，可以实现优势微生物的基因组重组，使其在生长过程中能够更有效地利用底物合成所需的产物。
在食品工业中，代谢工程可以优化微生物发酵过程，提高食品的口感和品质。
在药物合成领域，代谢工程可以帮助合成更复杂的有机分子，提高药物的生产效率和质量。
二、代谢工程提高产量的方法1. 选择适合的微生物在进行代谢工程之前，首先要选择适合生产目标产物的微生物。
不同微生物的代谢途径和代谢产物可能存在差异，选择合适的微生物能够更好地实现产物的高效合成。
一些优势微生物如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等被广泛应用于代谢工程中。
2. 基因组重组代谢工程的核心方法是对微生物基因组进行重组，调控其代谢途径。
通过基因敲除、添加以及调控，可以优化微生物的代谢途径，使其更有效地合成目标产物。
通过了解微生物基因组结构和功能，可以有针对性地进行基因组重组，实现产物的高效合成。
3. 代谢通路优化在进行代谢工程时，研究者可以通过调控微生物的代谢途径，优化产物的合成通路。
通过引入新的代谢途径或调控现有途径的酶活性，可以增加底物的利用率，提高产物的合成效率和产量。
此外，对代谢通路中的限速步骤进行优化，也可以进一步提高产物的合成效率。
4. 压力适应在进行代谢工程时，微生物可能面临外界环境不利的压力，如温度、酸碱度等变化。
研究者可以通过调控微生物的代谢途径，提高其对外界压力的适应能力。
通过优化微生物的生长环境，控制生产过程中的外部压力，可以保证产物的高效合成。
生物发酵工程中的新技术
生物发酵工程中的新技术生物发酵工程是利用微生物代谢产生的化学反应来生产有价值的物质或将原有物质转换成其它化合物的科学技术。
随着生物技术的快速发展，原本单一的发酵工艺转变为多技术相结合的综合技术研究，引入了许多新技术，促进了生物发酵工程的发展。
本文将讨论几项新技术在生物发酵工程中的应用，其中包括代谢工程、基因工程、微流控技术、及其他最新的技术。
1. 代谢工程代谢工程是一种用于改变细胞代谢的技术，通过改变代谢通路中的基因表达、代谢物输送以及酶的活性来控制细胞的代谢过程，最终达到产物的效率和产量的提升。
例如，通过改变其代谢通路，使酵母菌生产了更多的乙醇。
代谢工程在食品加工、药物、化妆品等领域中也被广泛应用。
2. 基因工程基因工程是一种技术，它允许有选择地修改细胞的基因组，改变某些重要的表现型(trait)。
在生物发酵工程中，基因工程常用于制备高效产量的重要化学物质。
基因工程可以通过大规模改变细胞代谢通路来实现，同时育种多样性也得到了提高。
3. 微流控技术微流控技术是一种让液体在微型管内流动的技术。
与传统液体流动技术相比，微流控技术可以产生更高的控制和调节流动环境的精度。
在生物发酵工程中，微流控技术可以用于高通量筛选技术，比如在筛选大量的细胞、菌株、蛋白质组、代谢产物上进行。
4. 其他最新技术其他最新技术还包括单细胞测序技术，从单个克隆中获取V(D)J的序列的高通量测序技术;表观遗传学技术，揭示滋味菌株产生多种多样品牌饮料时抑制和激活基因;系统生物学，集合数学、生化、工程学等多种专业知识，探究生物系统内部信号传输、信号整合、信号执行等细胞代谢的整个过程。
总之，新技术的不断涌现，使得生物发酵工程的研究更加多样化，同时也为这个领域带来了更多的机遇和挑战。
这些新技术的应用，对于不同行业及领域的发展，都产生了不可忽视的重要影响。
未来的发酵工程研究，一定会鼓励更多的人关注这些最新技术，推动技术创新和产业升级，迎接未来的发展挑战。
代谢工程概述-PPT
• 现代生物技术在化工、医药卫生、农林牧渔、轻 工食品、能源和环境等领域都将发挥重要作用， 可促进传统产业的改造和新型产业的形成，对人 类社会产生深远影响。其中发酵工程是生物技术 的重要组成部分，是生物技术转化成产品的重要 环节。
• 20世纪90年代提出的代谢工程发展迅速，被视为
继传统的蛋白质多肽单基因表达（第一代基因工 程）、基因定向突变（第二代基因工程）之后的
4）胞内代谢物 是细胞内其他化合物，包括不同 代谢途径的中间代谢物和用于大分子合成的结构 单元等。
离心途径
碳架物质从向心板块注入中心板块时所流经的代谢途径统称向心途径。在工业
发酵生产中，培养器中的微生物细胞的代谢是分步进行的。胞外营养物质(一 般要经胞外酶降解后)从培养介质跨膜进入细胞，(一般要)经过“向心途径” 、“中心途径”和“离心途径”等连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成目 的产物，最后，目的产物跨过细胞质膜排出细胞回到培养介质中。
• （ 8 ） 1999 年 Koffasl 将 代 谢 工 程 (Metabolic Engineering)定义：利用分子生物学原理系统分析 代谢途径，设计合理的遗传修饰战略从而优化细 胞生物学特性。
• 代谢工程较系统的定义
应用重组DNA技术和应用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）。 简而言之，代谢工程是生物化学反应代谢网络有 目的的修饰。
• 代谢工程的理论首先由Jay Bailey于1991年 在“Science”杂志上论述了代谢工程的应 用、潜力和设计。
• 同年，Greg Stephanopoulos和Joseph Vallino 在“Science”杂志上论述了有关“过量生 产代谢产物时的代谢工程”、“代谢网络 的刚性、代谢流的分配、关键分叉点及速 度限制步骤”等内容。
生物技术中的酶工程与代谢工程
生物技术中的酶工程与代谢工程在现代生物技术领域，酶工程和代谢工程是两个十分重要的分支，它们在生物制药、食品工业、环境保护等领域都有着广泛应用。
酶工程是指利用酶反应催化原理进行工业生产的技术，酶是一种生物催化剂，可以加速化学反应速度，从而达到提高生产效率和降低生产成本的目的。
酶工程的核心在于酶的筛选和优化。
科学家们可以通过对酶的结构和机理进行研究，筛选出具有良好催化效果的酶，并通过基因工程等手段对酶进行改造，提高其催化效率和稳定性，从而应用于实际生产当中。
酶工程在生命科学、医学、食品工业、环境保护等领域都有着广泛的应用。
例如，酶工程可以用于生产抗癌药物、抗生素等各种药品，在食品工业中可以用于酿造啤酒、面包、奶酪等，在环境保护领域中可以用于处理污水和固体废物等。
与酶工程不同，代谢工程是一种利用代谢途径和代谢产物进行工业生产的技术。
代谢途径是指在生物体内一系列化学反应所构成的途径，代谢产物是指生物体在代谢途径中生成的特定化合物。
代谢工程的核心在于对代谢途径和代谢产物的控制和优化。
科学家们可以通过基因工程等手段调控代谢途径中特定的关键酶和代谢产物的合成过程，实现对生物体代谢产物的高效生产。
代谢工程同样应用广泛，在生物制药、化妆品、食品工业等领域都有着重要作用。
例如，代谢工程可以用于生产抗生素、合成植物激素、生产食品添加剂等。
总的来说，酶工程和代谢工程是利用生物技术对生物体内化学反应进行控制和优化的重要手段，它们在生命科学、医学、食品工业等领域都有着广泛应用，对推动现代生产方式的转型升级具有十分重要的意义。
未来，随着生物技术的不断发展和完善，酶工程和代谢工程的应用前景将会更加广阔，为人们的生活带来更多便利和福祉。
代谢工程在生物制药中的应用
代谢工程在生物制药中的应用生物制药是指利用生物技术生产药品，是越来越受人们重视的新兴产业。
尽管生物制药具有高效、低污染等一系列优势，但是其缺点也十分明显，如生产周期长、成本高等。
在这个背景下，代谢工程成为了关键技术。
一、代谢工程的定义及基本原理代谢工程指的是利用基因工程及生物化学方法对生物代谢途径进行调控和优化，从而提高细胞某种代谢产物的合成水平或者降低某种副产物的积累水平的一种技术。
代谢产物可以是化学合成所需的原料，也可以是医药、农药、食品等的原料。
代谢工程的基本原理是改变代谢途径的淬炼，调节基因表达水平，改变代谢通路的最终产物。
通过方案设计、基因工程技术及转录组学、蛋白质组学等多种分子生物学方法来快速筛选和优化代谢工程菌株。
二、代谢工程在生物制药中的应用主要包括以下方面：1、提高目标产品的产量和纯度代谢工程通过利用基因重组技术调整细胞代谢途径，以达到提高目标产品产量和纯度的目的。
通过转录组学、蛋白质质谱与代谢组学等手段，先找到目标代谢途径的瓶颈，再利用基因重组技术改变代谢过程中的反应，从而提高目标产物的产量和纯度。
例如，利用代谢工程技术可以将酵母菌产生的酒精转化为高价值的异戊酸。
2、生产人源性或类人源性蛋白质利用代谢工程技术重构菌株，可实现类人源性蛋白的大规模生产。
代表性的产品有生长激素、肝素、转甲蝶酸酰乙酰酶、重组兔红细胞生成素等。
通过改变细胞内代谢途径，特定基因的表达水平得以被调控，从而实现在大规模短时间内生产特定类人源性蛋白质。
3、优化代谢过程，提高生产效率在用生物合成制备药物的过程中，代谢工程优化代谢途径，减少副产物的积累，缩短菌种生长周期，从而提高生产效率。
可以通过控制代谢途径中某个步骤的途径、改变代谢产品通路等重构菌株，提高药物生产效率。
例如，对于大多数类抗生素的生物发酵过程，对被抗生素大量抑制的生长速率，使用代谢工程方法改变代谢产物通路，减少代谢中间体积累相应地增加靶产品的来源，可以提高抗生素的生产效率。
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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。
也就是说，先要找到要进行修饰或要引进的目标生化反应，一旦找准了目标，就用已建立的分子生物学技术去扩增、去抑制或删除、去传递相应的基因或酶，或者解除对相应的基因或酶调节，而广义的DNA重组只是常规地应用于不同步骤中，以便于达到这些目标。
编辑本段优势与研究方向
优势
尽管在所有的菌种改良方案中都有某种定向的含义，但与随机诱变育种相比较，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。
不能把细胞改良中的所谓“定向” 解释为合理的途径设计和修饰，因为“定向选择”与随机诱变之间没有直接关系。
相反地我们可借助于“逆行的代谢工程”（reverse metabolic engineering）, 从随机诱变而获得的突变株及其性状的实验结果，来提取途径及其控制的判断信息（critical information）。
研究方向
与所有传统的工程领域一样，代谢工程也包含“分析” 和“综合”两个基本步骤。
因为代谢工程借助于DNA重组技术作为一种启用技术而出现，所以一开始人们的注意力仅仅放在这个领域的综合方面，譬如：新的基因
在不同寄主中的表达，内酶的扩增，基因的删除，酶活力修饰，转录的解
调或酶的解调等。
这样前面定义的代谢工程，在相当程度上似乎是应用分
子生物学技术表现形式，几乎没有工程的内容，因此从生物过程的角度来
衡量，并不是够格的代谢工程。
而更加重要的工程内容存在于代谢工程的
分析方面。
譬如，怎样确定定义生理状态的参数？怎样用这信息解释代谢
网络控制的结构体系，进而提出达到某个目标的合乎道理的修饰位点？怎
样进一步评估这些遗传修饰和酶的修饰的真实的生化效果，以便进行下一
轮的途径修饰，直到达到目的？能不能提出一个可用来确定代谢修饰的最
有希望的靶位的合理的步骤？在综合方面，代谢工程的另一个不同寻常的
方面是它关注的是代谢途径集成的整体，而不是单个反应。
这样，代谢工
程研究的是整个生化反应网络，涉及到其自身的途径合成和热动力学可行性，还有途径流量及其控制。
我们研究的出发点正在经历从单个酶反应向
相互影响的生化反应体系转变。
因此，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。
代谢工程让人们把注意
力转向整个体系而不是其组成部分。
因此，代谢工程使用来自还原论者的
大量的研究的技术和信息来设法进行综合和设计；而关于整个体系的运转
状态的观察，对于进一步的合理的分解和分析其自身来说，又是最好的指导。
应用
尽管代谢和细胞生理学可以为某组反应途径的分析提供主要的背景知识，应该指出流量及其控制的测定结果具有更广阔的应用范围。
因而，代
谢工程的概念除了可用来分析流经某组代谢途径的物质流和能量流，同样
可以应用于在信号传感途径的信息流量的分析。
对于信息流量尚未很好地
定义，一旦信号途径的概念得到具体化，以上观念和方法将会在信号传感
途径的相互作用的研究，以及胞外刺激控制基因表达的复杂机制的解释方
面发挥作用。
代谢流
也许代谢工程最重要的贡献在于对活体条件下代谢流及其控制的强调。
代谢流的概念本身实际上并不是新的。
代谢流及其控制引起生化研究人员
中的少数先知的注意，已有大约30年历史了。
作为他们工作的结果，代谢控制的观念成熟了，并且被严格的定义了，尽管这些观念曾经没有得到传
统的生物学家广泛地接受。
代谢工程最初被设想为特定的途径操作，很快
又变成工程师们的分析技能的预期的输出端。
发酵工程师们建立了量化代
谢流及其控制的工程分析方法，从而看到了利用代谢控制分析这个有效的平台向这个过程导入严密性的机会，以及生化工程与发酵工程在生物学领域的交叉和互补。
与途径工程的区别
代谢工程注重以酶学、化学计量学、分子反应动力学以及现代数学的理论和技术为研究手段，在细胞水平上阐明代谢途径与代谢网络之间局部与整体的关系、胞内代谢过程与胞外物质传输之间的偶联以及代谢流流向与控制的机制，并在此基础上通过工程和工艺操作达到优化细胞性能的目的；而途径工程则侧重于利用分子生物学和遗传学原理分析代谢途径各所属反应在基因水平上的表达与调控性质，并借助于DNA重组技术扩增、删除、植入、转移、调控编码途径反应的相关基因，进而筛选出具有优良遗传特性的工程菌或细胞。
编辑本段发展前沿
代谢工程是利用基因工程技术改造细胞的代谢，以改善细胞的性能的一门新兴学科。
2003年美国贝克莱大学J.Keasling，采用酵母细胞表达天然植物药箐篙素分子，实现工程微生物代谢工程制药。
采用系统生物学原理和转基因生物技术、计算机软件辅助设计技术，将细胞内次生代谢反应链重新设计、人工合成基因与基因调控网络，从而进入了代谢工程、基因工程的合成生物学 - 系统生物学基础的遗传工程时代。
最近的发展表明，它在植物、动物代谢工程及至人体组织细胞的基因治疗及代谢分析方面有重要应用。
该领域的新颖性在于分子生物技术与数学分析工具的集成，这有助于阐明基因修饰的代谢通量控制及靶标的合理选择。
通过提供对细胞生物学的准确严密的描述，代谢工程也可大大促进功能基因组学研究的深入发展。
代谢工程的主要目标是识别特定的遗传操作和环境条件的控制，以增强生物技术过程的产率及生产能力，或对细胞性质进行总体改性。
本书最主要的内容包括途径集成和把代谢通量作为细胞生理学的基本决定因素来考虑的重要性。
代谢工程把数学的复杂性减到最小，并同时提供一些必要的补充说明作为不同数学运算的背景材料。