微生物代谢工程研究进展PPT培训课件

微生物代谢工程研 究进展
微生物代谢工程研究进展
本章内容
u 微生物代谢工程概述 u 微生物代谢调节 u 微生物代谢工程的应用
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第一节 微生物代谢工程概述
细胞的生命活动是通过活细胞和细胞群的代谢网络进 行的，而代谢网络是由一系列酶的级联化学反应以特异 性的膜转化系统构成。 对人类的应用而言，活细胞自身固有的代谢网络的遗传 特性并不是最佳的，为了积累大量的某种代谢产物，就 必须要打破并重建细胞的代谢平衡。
达序列标签的数据库； (3)代谢物的种类远少于基因和蛋白的数目： (4)由于给定的代谢物在每个组织中都是一样的，所以，研
究中采用的技术更通用。
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（二）微生物代谢产物库研究
1.预分离代谢物库：首先多种菌株的培养液过滤，其次经 不同吸附性色谱柱、半制备高效液处理细分得到多种一定 纯度的天然化合物，最后对化合物库中活性成分进行液相 -质谱、核磁共振分析，排除重复性物质。
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3、代谢工程主要应用方向
(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
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三、微生物代谢研究的相关领域
（一）微生物代谢组学研究
概念：是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后出现的 一门新学科。是通过考察生物体系收到刺激或扰动后所有 小分子代谢产物随时空变化情况，来研究生物体系的代谢 途径的一种技术。
代谢组学优点 (1)基因和蛋白表达的微小变化会在代谢物水平得到放大； (2)代谢组学的研究不需要进行全基因组测序或建立大量表
随着微生物工业向大型发酵罐的连续化、自动化方向 发展，以数学、动力学、化工原理等为基础，通过计算机 实现发酵过程自动化控制的研究，使发酵过程的基本参数 均可自动记录和控制。
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微生物代谢工程的发展历程
微生物酶反应合成与化学合成相结合工程技术时期
随着微生物酶反应生物合成与化学合成工程技术的结 合，矿产物的开发和石油化工的发展为化学合成法提供了 丰富的原料，用于生产一些低分子的有机化合物，如乙醇、 丙酮及丁醇等，可生产许多过去不能生产的有用物质。
和耐受性等。
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4、代谢工程三个基本观点
三大观点
代谢能支撑 观点
代谢网络 观点
细胞经济 观点
时间性 空间性
整体性 流动性 层次性
自主性
微生物代谢的复杂性
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5、反向代谢工程
概念：是一种采用逆向思维方式进行代谢设计的新型代谢 工程。就是先在异源生物或相关模型系统中，通过计算或 推理确定所希望的表型，然后确定该表型的决定基因或特 定的环境因子，然后通过基因改造或环境改造使该表型在 特定的生物中表达。
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一、微生物代谢工程的概念
1、代谢工程概念的演变
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目前对代谢工程较系统的定义
代谢工程是利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络, 并通 过DNA 重组技术和应用分析生物学相关的遗传学手段对细 胞进行有精确目标的基因操作, 改变微生物原有的代谢或调 节系统, 实现目的产物代谢活性的提高。
代谢工程的研究目的
范例：利用透明颤菌血红蛋白来缓解供氧不足。 Bailey 研究小组克隆了透明颤菌的血红蛋白基因, 并通过 在大肠杆菌中表达该基因, 大大地提高了大肠杆菌在微氧 环境中的细胞生长。
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二、微生物代谢工程的发展历程
天然发酵时代
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。
2.纯天然产物库：首先选择培养条件简单，能产生多种含 量丰富未知代谢物的微生物作为实验对象。采用高效液相 结合蒸发散射检测器对所选微生物进行预筛选,从中挑选 出目的菌株做进一步的扩大培养。其次提取物先浓缩、分 离，最后通过查询天然产物数据库结合质谱、核磁共振信 息对分离获得化合物进行高通量结构鉴定从而得到微生物 代谢化合物。
现代发酵工业时代
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。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。
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微生物代谢工程的发展历程
自然发酵时期
早在数千年前，我国劳动人民就懂得酿酒、制酱油、 酿醋等。酿酒工业是历史上最古老的微生物工业，但当时 人们并不知道它与微生物的关系，也不清楚发酵的原因， 只是靠口传身授，在实践中应用微生物。
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微生物代谢工程的发展历程
纯培养技术时期
1667 年，荷兰人列文霍克发明了显微镜，揭开了微 生物世界的秘密。随着微生物的发现，年法国巴斯德通 过实验发现了发酵原理，认识到发酵是由微生物的活动 引起的
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微生物代谢工程的发展历程
通气搅拌的好气性发酵工程技术时期
1929年，英国细菌学家傅莱明发现了青霉素。随着青 霉素大规模生产的成功，实验室采用摇瓶通风培养以及空 气纤维过滤的高效除菌，在20世纪40 年代创立了好气性发 酵通气搅拌工程技术。
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微生物代谢工程的发展历程
人工诱变育种与代谢控制发酵技术时期
随着微生物遗传学、生物化学和分子生物学的发展， 日本于1956 年用发酵法生产谷氨酸获得成功，促进了20世 纪60年代氨基酸、核苷酸微生物工业的建立，这是遗传水 平上控制微生物代谢的结果。
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微生物代谢工程的发展历程
发酵动力学和连续化、自动化发酵工程技术时期
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。
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2、代谢工程要解决的问题
目前代谢工程要解决的主要问题源自文库改变某些途径中 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。
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（三）微生物代谢分子生化技术研究
基因敲除 启动子和细胞全局转录机制的定向进化
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1、基因敲除
基因敲除是利用微生物体内的同源重组系统，在一定选择 压力下使体外改造的某功能基因与受体细胞染色体上的功 能基因之间发生同源重组，从而改变细胞的遗传特性。通 过阻断细胞的代谢旁路，或通过引入突变位点改变目的产 物的产量或质量，从而达到微生物育种的目的。