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。

11底物：培养基中存在的化合物，能被细胞进一步代谢或直接构成细胞组分。

12代谢产物：由细胞合成并分泌到细胞外培养基中的化合物，可以是初级代谢产物（如二氧化碳、乙醇等），也可以是次级代谢产物或蛋白质。

13胞内代谢物（Intracellular Metabolite）：细胞内其它的化合物，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。

14生物基质要素：构成生物基质大分子池的一类物质，包括RNA、DNA、蛋白质、脂质和碳水化合物等。

15途径：是指催化总的代谢物的转化、信息传递和其他细胞功能的酶促反应的集合。

16通量/物流：是指物质或信息通过途径被加工的速率，它与个别反应速率不同。

（名词解释不全……）

二、问答题：

1．代谢工程的基本原理:

①涉及细胞物质代谢规律及途径组合的生物化学原理，它提供了生物体的基本代谢图谱和

生化反应的分子机理；

②涉及细胞代谢流及其控制分析的化学计量学、分子反应动力学、热力学和控制学原理，

这是代谢途径修饰的理论依据；

③涉及途径代谢流推动力的酶学原理，包括酶反应动力学、变构抑制效应、修饰激活效应

等；

④涉及基因操作与控制的分子生物学和分子遗传学原理，它们阐明了基因表达的基本规律，

同时也提供了基因操作的一整套相关技术；

⑤涉及细胞生理状态平衡的细胞生理学原理，它为细胞代谢机能提供一个全景式的描述，

因此是一个代谢速率和生理状态表征研究的理想平台；

⑥涉及发酵或细胞培养的工艺和工程控制的生化工程和化学工程原理，化学工程对将工程

方法运用于生物系统的研究无疑是最合适的渠道。这种方法在生物系统的研究中融入了综合、定量、相关等概念。它为速率过程受限制的系统分析提供了独特的工具和经验，因此在途径工程领域中具有举足轻重的意义；

⑦涉及生物信息收集、分析与应用的基因组学、蛋白质组学原理，随着工基因组计划的深

入发展，各生物物种的基因物理信息与其生物功能信息在此交汇，并为途径设计提供了更为广阔的表演舞台，是途径工程的最大推动力。

2. 代谢工程操作过程：

代谢工程操作至少应包括下列三大基本过程。

①靶点设计

首先，根据化学动力学和计量学原理测定代谢网络中的代谢流分布（即代谢流分析），其中最重要的是细胞内碳和氮元素的流向比例关系；

其次，在代谢流分析的基础上调查其控制状态、机制和影响因素（即代谢控制分析）；

最后，根据代谢流分布和控制的分析结果确定代谢设计的合理靶点，通常包括拟修饰基因的靶点、拟导入途径的靶点或者拟阻断途径的靶点等。

②基因操作

利用途径工程战略修饰改造细胞代谢网络的核心是在分子水平上对靶基因或基因簇进行遗传操作，其中最典型的形式包括基因或基因簇的克隆、表达、修饰、敲除、调控以及重组基因在目标细胞染色体DNA上的稳定整合。基因重组是途径工程重要的特征操作技术。

③效果分析

一次性的途径工程设计和操作往往不能达到实际生产所要求的产量、速率或浓度，因为大部分实验涉及到的只是与单一代谢途径有关的基因、操纵子或基因簇的改变。因此需要对途径进行全面的效果分析。

3. 代谢工程常用技术：

代谢工程的研究技术主要包括以下三类：

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，包括同位素示踪方、酶动力学分析方法、光谱学方法等。

②分析技术

采用化学计量学、分子反应动力学和化学工程学的研究方法并结合计算机技术，可以进一步阐明细胞代谢途径和代谢网络的动态特征与控制机理，同时确定关键靶点。

③操作技术

可以归结为基因水平上的操作，涉及到几乎所有的分子生物学和分子遗传学专门实验技术, 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。