代谢工程2015分析

代谢工程2015

第一章

•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。

1、节点：网络分流处的代谢产物称为节点。

2、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。

3、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。

4、弱刚性节点：是指介于前两者之间，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。（柔性及弱刚性节点是代谢设计的主要对象）

5、依赖型代谢网络：如果代谢网络中各节点同等重要，即对产物的产量具有相近的影响，则这类代谢网络称为依赖型代谢网络。

独立型代谢网络：如果代谢网络的主节点不集中，则可以通过对代谢的修饰影响目的产物的产量，这类网络为独立型网络。

6、代谢流分析：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。（放射性标记、同位素示踪技术）

7、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。弹性系数揭示代谢物浓度变化对反应速率的影响程度。流量控制系数则为单位酶变化量引起的某分支稳态代谢流量的变化，用来衡量某一步酶反应对整个反应体系的控制程度。这两个系数相互关联，可直接或间接测定。

代谢工程要解决的主要问题、典型目标及主要应用方向

要解决的主要问题：改变某些途径中的碳架物质流量或改变碳架物质在不同途径中的流量分布。

典型目标是修饰初级次级代谢，将碳架物质流导入目的产物的理想载流途径以获得产物的最大转化率。

应用方向：

（1）提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量；

(2) 改造细胞现存的代谢途径，使其合成新产物，这种新产物可以是中间代谢产物或修饰型的最终产物；

(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、极端环境条件和耐受性等。

概述微生物代谢网络理论

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。

•阐述代谢工程研究方法和技术主要的三大常用手段

(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。

(2) 分析技术

在获得大量生化反应基本数据的基础上，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先进的计算机技术，可以进一步阐明细胞代谢网络的动态特征与控制机理，以确定代谢改造的思路。这些分析手段包括能准确测定细胞内代谢网络流的稳态法、展示代谢流控制过程的扰动法、简化复杂代等提出的的组合法以及代谢网络优化技术等。(3) 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。这个过程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。

代谢工程技术得以广泛应用的一个重要前提就是外源基因在所有生物物种（包括人体）中转化和表达的可行性，而这种可行性又在很大程度上依赖于各种载体和基因表达调控元件的开发。

•论述代谢改造常用三大思路及代谢设计原理

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：一是加速限速反应，即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。二是改变分支代谢途径流向，即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。

代谢设计原理

一、在现存代谢途径中改变目的产物代谢流

增加目的产物代谢流从以下方面入手：

1、增加限速酶编码基因的拷贝数

2、强化以启动子为主的关键基因的表达系统

3、提高目标途径激活因子的合成速率

4、灭活目标途径抑制因子的编码基因

5、阻断与目标途径相竟争的代谢途径

6、改变分支代谢途径流向

7、构建代谢旁路

大肠杆菌糖代谢未端产物乙酸能抑制菌体的生长，应用代谢工程的方法将枯草芽孢杆菌的乙酰乳酸合成酶基因克隆到大肠杆菌中，构建新的代谢旁路，结果能明显的降低细胞中的乙酸浓度，使乙酸始终处于较低的水平。

8、改变能量代谢途径

将血红蛋白基因导入大肠杆菌或链霉菌中，不仅在限氧条件下可以提高宿主细胞的生长速率，而且也可以促进蛋白和抗生素的合成。血红蛋白的作用在于在限氧条件下提高了ATP 的产生效率。

二、在现存途径中改变物流的性质

指使手原有途径更换初始底物或中间产物，以达到获得新产物的目的。可以通过以下两种方法：

1、利用酶对前体库分子结构的宽容性

如利用酶的相对专一性，投入非理想型初始底物参与代谢转化反应，就可以进而合成细胞原不存在的化合物。

2、通过修饰酶分子以拓展底物识别范围

修饰酶分子的结构域功能域，以扩大酶分子对底物的识别范围和催化范围。

三、在现存途径基础了扩展代谢途径

在宿主菌中克隆、表达特定外源基因可以延伸代谢途径，从而生产新的代谢产物、提高产率。

四、利用已有途径转移或构建新的代谢途径

在明确了已有的生物合成途径、相关基因以及各步反应的分子机制后，通过相似途径的比较，可以利用多基因间的协同作用构建新的代谢途径。

1、转移多步途径以构建杂合代谢网络

相关的基因如果以基因簇的形式存在，往往能更便利。

2、修补完善细胞内部分支途径，以合成新的代谢产物

•物流限制作用的克服措施

代谢途径存在着固有的限速步骤，它们控制着流经代谢途径的代谢物流，其主要特征表现在：①限速步骤的反应速度很低，整个系统的代谢物流取决于催化该反应步骤的酶活性；

②限速步骤直接受制于该步骤酶活性和酶蛋白合成的调节。

调节方法：

(a) 等量提高所有酶的量（不能提高转化率）；

(b) 提高限速酶的量（鉴别出具有高的流量控制系数的酶比超表达个别酶往往能获得更好的结果）。

载流途径、代谢主流的变动性和选择性

载流途径：代谢主流流经的代谢途径为主要载流途径，简称载流途径。在代谢工程领域，是指碳流在代谢网络中通过的主要途径，即生产所需产物期间让碳流相对集中流向产物合成的途径。

代谢主流的变动性和选择性：微生物的代谢主流处于不断变化之中，其方向、流量甚至代谢主流的载流途径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络途径的选择性。这种变动和选择的根据在于微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生物所处的环境条件的变化。

•代谢压力