微生物代谢工程研究进展PPT培训课件
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关于微生物代谢课件课件
生物氧化
➢生物氧化的形式 ▪加氧、脱氢、失去电子
➢生物氧化的功能 ▪产能（ATP） ▪产还原力[H] ▪产小分子中间代谢产物
➢生物氧化过程 ▪脱氢 ▪递氢 ▪受氢
一、化能异养微生物的生物氧化和产能
➢底物脱氢 EMP途径 HMP途径 ED途径 TCA途径
➢递氢与受氢 呼吸 无氧呼吸 发酵
（一）底物脱氢的四种途径
葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP →2丙酮酸+2NADH2+2ATP
CoA ↓丙酮酸脱氢酶
乙酰CoA， 进入TCA
葡萄糖激活的方式
好氧微生物：通过需要Mg++和ATP的己糖激酶 厌氧微生物：通过磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸转移酶 系统，在葡萄糖进入细胞时即完成了磷酸化
磷酸果糖激酶
EMP途径的关键酶，在生物中有此酶就意味着存在 EMP途径 需要ATP和Mg++ 在活细胞内催化的反应是不可逆的反应
2、HMP途径
磷酸戊糖途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。 一个HMP途径循环的结果为：
葡萄P 糖 i 甘油 醛3磷酸 3C2O 6NADPH
一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合 成提供大量的还原力(NADPH)和中间代谢产物。 多数微生物中具有HMP途径.
HMP途径：
葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后， 在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下， 裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊 糖进一步代谢有两种结局，
能量代谢是新陈代谢的核心问题来自有机物 最初能源 日 光
无机物
化能异养菌
光能营养菌 通用能源（ATP） 化能自养菌
生物氧化: 分解代谢实际上是物质在生物体内经 过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释 放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是 一个产能代谢过程。
《微生物次级代谢》课件
通过调节转录起始和转录 效率来控制次级代谢基因 的表达。
转录后水平调控
通过控制mRNA的稳定性 、翻译效率和翻译后修饰 来影响次级代谢基因的表 达。
表观遗传调控
通过DNA甲基化、组蛋白 乙酰化等修饰来影响次级 代谢基因的表达。
酶活性调控
酶的合成与降解
通过调节酶的合成和降解来控制次级代谢产物的生成。
次级代谢产物的生物利用与开发
次级代谢产物在医药领域的应 用：如抗生素、激素、抗肿瘤
药物等。
次级代谢产物在工业领域的应 用：如生物塑料、生物燃料、 生物催化剂等。
次级代谢产物在农业领域的应 用：如植物生长调节剂、杀虫
剂、除草剂等。
次级代谢产物的开发前景：随 着生物技术的不断发展，次级 代谢产物在未来的应用前景将 更加广泛。
细胞密度与次级代谢
在达到一定细胞密度后，次级代谢产物开始生成，并 随着细胞密度的增加而增加。
04
次级代谢在生物工程中的应用
次级代谢产物的分离纯化
分离纯化方法
利用物理、化学和生物学方法，从微生物发酵液 中分离纯化次级代谢产物。
技术手段
采用色谱技术、沉淀法、结晶法等手段进行分离 纯化。
注意事项
需注意避免产物的降解和损失，提高产物的纯度 和收率。
05
次级代谢的研究进展与展望
次级代谢产物的发现与鉴定
次级代谢产物的发现
通过基因组学、转录组学和代谢组学技术，发现新的次级代 谢产物。
次级代谢产物的鉴定
利用色谱技术、光谱技术和质谱技术等手段，对次级代谢产 物进行分离、纯化和鉴定。
次级代谢的生物合成机制研究
生物合成途径
研究次级代谢产物的生物合成途径， 包括起始、延伸和终止等步骤。
转录后水平调控
通过控制mRNA的稳定性 、翻译效率和翻译后修饰 来影响次级代谢基因的表 达。
表观遗传调控
通过DNA甲基化、组蛋白 乙酰化等修饰来影响次级 代谢基因的表达。
酶活性调控
酶的合成与降解
通过调节酶的合成和降解来控制次级代谢产物的生成。
次级代谢产物的生物利用与开发
次级代谢产物在医药领域的应 用：如抗生素、激素、抗肿瘤
药物等。
次级代谢产物在工业领域的应 用：如生物塑料、生物燃料、 生物催化剂等。
次级代谢产物在农业领域的应 用：如植物生长调节剂、杀虫
剂、除草剂等。
次级代谢产物的开发前景：随 着生物技术的不断发展，次级 代谢产物在未来的应用前景将 更加广泛。
细胞密度与次级代谢
在达到一定细胞密度后，次级代谢产物开始生成，并 随着细胞密度的增加而增加。
04
次级代谢在生物工程中的应用
次级代谢产物的分离纯化
分离纯化方法
利用物理、化学和生物学方法，从微生物发酵液 中分离纯化次级代谢产物。
技术手段
采用色谱技术、沉淀法、结晶法等手段进行分离 纯化。
注意事项
需注意避免产物的降解和损失，提高产物的纯度 和收率。
05
次级代谢的研究进展与展望
次级代谢产物的发现与鉴定
次级代谢产物的发现
通过基因组学、转录组学和代谢组学技术，发现新的次级代 谢产物。
次级代谢产物的鉴定
利用色谱技术、光谱技术和质谱技术等手段，对次级代谢产 物进行分离、纯化和鉴定。
次级代谢的生物合成机制研究
生物合成途径
研究次级代谢产物的生物合成途径， 包括起始、延伸和终止等步骤。
微生物的代谢ppt课件
6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→ 5-磷酸木酮 ↓
5-磷酸核糖→参与核酸生成
5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛(进入EMP)
HMP途径的重要意义
➢为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸，途径中的赤藓 糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成； ➢产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成 提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量； ➢与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可 以调剂戊糖供需关系； ➢途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利 用的碳源谱更为更为广泛； ➢通过该途径可产生许多种重要的发酵产物；
ED途径的特点
ED途径的特征反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG） 裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛
ED途径的特征酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛 缩酶
ED途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由2-酮-3-脱氧-6磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经EMP 途径转化而来
1.2递氢和受氢
★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅 酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有 机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 ★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量 代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类。
发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式； 呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式； ★呼吸作用又可分为两类：
代谢：是微生物细胞与外界环境不断进行
物质和能量交换的过程，它是细胞内各种 化学反应的总和。 代谢＝物质代谢＋能量代谢
代谢的类型
按代谢过程考察的角度不同分：
5-磷酸核糖→参与核酸生成
5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛(进入EMP)
HMP途径的重要意义
➢为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸，途径中的赤藓 糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸、碱基及多糖合成； ➢产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成 提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量； ➢与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可 以调剂戊糖供需关系； ➢途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利 用的碳源谱更为更为广泛； ➢通过该途径可产生许多种重要的发酵产物；
ED途径的特点
ED途径的特征反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG） 裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛
ED途径的特征酶是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）醛 缩酶
ED途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由2-酮-3-脱氧-6磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经EMP 途径转化而来
1.2递氢和受氢
★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅 酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有 机氧化物）结合，以释放其化学潜能。 ★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量 代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类。
发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式； 呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式； ★呼吸作用又可分为两类：
代谢：是微生物细胞与外界环境不断进行
物质和能量交换的过程，它是细胞内各种 化学反应的总和。 代谢＝物质代谢＋能量代谢
代谢的类型
按代谢过程考察的角度不同分：
3-微生物的代谢调节和代谢工程(2)PPT课件
因为底物类似物不易被所形成的酶分解，而在细 胞中始终保持较高的浓度，能够持续地诱导酶的合 成，获得较高浓度的酶。
例如: 用异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)可诱导-半乳糖苷酶 的合成。
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23
2、改变细胞透性
细胞内合成的发酵产物若要分泌到培养基中， 必须经过细胞膜和细胞壁。如果产物不易分泌出 细胞，而积累在细胞内，则会引起反馈调节。
2021
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❖ 能荷不仅调节形成ATP的分解代谢酶类（如磷 酸果糖激酶、异柠檬酸脱氢酶、柠檬酸合成酶 等）的活性；
❖ 也调节利用ATP的生物合成酶类（如柠檬酸裂 解酶、磷酸核糖焦磷酸合成酶等）的活性。
2021
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第六节 代谢调控
2021
18
对于生命过程来说，代谢反应的协调是必要的；
代谢反应的协调是通过细胞自身的代谢调控系 统对细胞机能实行精细控制来达到的。 但是，在工业生产中却往往需要单一地积累某 种产品，这些产品的量又经常是大大地超出了细 胞正常生长和代谢所需的范围。
如：金霉素、链霉素产生菌的抗性菌株， 产量有数倍增加。
2021
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作业
1、分支生物合成途径中有哪些调节方式？ 2. 微生物代谢调控有哪些方式？
2021
52
52
➢ 分支代谢的反馈调节方式有多种。
2021
4
1、同工酶的反馈抑制 isoenzyme feedback inhibition
➢ 同功酶是指能催化同一生化反应，但它们的结构 稍有不同，可分别被相应的末端产物抑制的一类 酶两个不同 的酶所催化，一个酶被H抑制，另一个酶被G抑制。 只有当H和G同时过量才能完全阻止A转变为B。
初级代谢产物
微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖 所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维 生素等。不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的 种类基本相同。
[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)
举例：氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素 等。
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。
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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：
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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
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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
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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。
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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；
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。
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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：
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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
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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
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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。
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（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；
《微生物M代谢》PPT课件
中间代谢产物中间代谢产物分解代谢起源分解代谢起源在生物合成中的作用在生物合成中的作用葡萄糖葡萄糖11磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖66磷酸磷酸核糖核糖55磷酸磷酸赤藓糖赤藓糖44磷酸磷酸磷酸烯醇式丙酮磷酸烯醇式丙酮丙酮酸丙酮酸33磷酸甘油酸磷酸甘油酸aa酮戊二酸草酰乙酸草酰乙酸乙酰辅酶乙酰辅酶a葡萄糖葡萄糖半乳糖半乳糖多糖多糖empemp途径途径hmphmp途径途径hmphmp途径途径empemp途径途径empemp途径途径eded途径途径empemp途径途径三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环丙酮酸脱羧丙酮酸脱羧脂肪氧脂肪氧核苷糖类核苷糖类戊糖戊糖多糖贮藏物多糖贮藏物核苷酸核苷酸脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸芳香氨基酸芳香氨基酸芳香氨基酸芳香氨基酸葡萄糖异生葡萄糖异生coco22固定固定胞壁酸合成胞壁酸合成糖的运输糖的运输丙氨酸丙氨酸缬氨酸缬氨酸亮氨酸亮氨酸coco22固定固定丝氨酸丝氨酸甘氨酸甘氨酸半胱氨酸半胱氨酸谷氨酸谷氨酸脯氨酸脯氨酸精氨酸精氨酸赖氨酸赖氨酸天冬氨酸天冬氨酸赖氨酸赖氨酸蛋氨酸蛋氨酸苏氨酸苏氨酸异亮氨酸氨酸脂肪酸脂肪酸类异戊二烯类异戊二烯按物质转化方式分
胞制造某些产品或净化环境的过程，它包 括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁 醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生 产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的 生产。产品既有细胞代谢产物，也包括菌 体细胞、酶等。
发酵的类型
根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将 发酵分成若干类型：
1，按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及 废水发酵等类型。
乙酰磷酸 + 3-磷酸-甘油醛
a、磷酸戊糖酮解酶乙途醇径（肠膜明串珠丙菌酮、番酸茄乳杆菌、甘露醇乳
杆菌、短杆乳杆菌 ）
G
5-磷酸-木酮糖 乳酸
1 G 乳酸 + 乙醇 + 1 ATP + NADPH + H+
胞制造某些产品或净化环境的过程，它包 括厌氧培养的生产过程，如酒精、丙酮丁 醇、乳酸等，以及通气（有氧）培养的生 产过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的 生产。产品既有细胞代谢产物，也包括菌 体细胞、酶等。
发酵的类型
根据发酵的特点和微生物对氧的不同需要，可以将 发酵分成若干类型：
1，按发酵原料来区分：糖类物质发酵、石油发酵及 废水发酵等类型。
乙酰磷酸 + 3-磷酸-甘油醛
a、磷酸戊糖酮解酶乙途醇径（肠膜明串珠丙菌酮、番酸茄乳杆菌、甘露醇乳
杆菌、短杆乳杆菌 ）
G
5-磷酸-木酮糖 乳酸
1 G 乳酸 + 乙醇 + 1 ATP + NADPH + H+
代谢工程课件PPT课件
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图：大肠杆菌代谢过程的抑制剂和激活剂
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（一）酶活性的激活
常见的酶活性的激活是前体激活，多发 生在分支代谢途径，即代谢途径中的后 面的反应可被较前面的一种代谢中间产 物所促进。 如：粗糙脉胞酶的异柠檬酸脱氢酶的活 性受到柠檬酸的激活。
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16
（二）酶活性的抑制
酶分子水平调节， 调节酶活性
相同 细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准
点
确控制代谢的正常进行。
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三、能荷的调节
能荷指细胞中ATP、ADP、AMP系统中可供利用的 高能磷酸键的量度。
能荷调节（或称腺苷酸调节）：指细胞通过改 变ATP、ADP、AMP三者的比例来调节其代谢活动。
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（2）分解代谢产物阻遏
定义：指细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源） 或其分解产物存在时，被菌体迅速利用的那种分解 底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。
分解代谢物的阻遏作用，并非由于快速利用的碳源 本身直接作用的结果，而是通过碳源（或氮源等） 在其分解过程中所产生的中间代谢物所引起的阻遏 作用。
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（2）协同反馈抑制：
指分支代谢途径中的几个末端产物同时过量时才 能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方 式。
如：谷氨酸棒杆菌合成天冬氨族氨基酸时，天冬 氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制。
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（3）累积反馈抑制： 催化分支合成途径第一 步反应的酶有几种末端产物抑制物，但每一种 如过量，按一定百分率单独抑制共同途径中的 第一个酶活性，总的抑制效果是累加的，各末 端产物所起的抑制作用互不影响，只影响这个
《微生物学代谢》PPT课件
ED途径的特点
•葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后， 经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸 甘油醛， 3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮 酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子 ATP。 •ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘 油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶. •反应步骤简单，产能效率低. • 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接， 可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中 间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进 行乙醇发酵.
与发酵生产紧密相关（柠檬酸、苹果酸、谷氨 酸、延胡索酸、琥珀酸等）。
5、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率
（二）递氢和受氢
葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链） 等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受 体结合并释放出其中的能量。 根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化 分为：呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。
（Embden-Meyerhof pathway，
果糖-6-磷酸
a
糖酵解途径，己糖二磷酸途径）
ATP
果糖-1，6- 二磷A酸DP
EMP途径意义： 为细胞生命活动提
供ATP 和 NADH
a :耗能反应 b :氧化还原反应
磷酸二羟丙酮
甘油醛-3-磷酸
NAD+
NADH+H+
1，3-二磷酸甘油酸
底物水平磷酸化
• 合成代谢：简单小分子合成为复杂大分 子（同化作用）
• 二者关系
初级和次级代谢
• 依据代谢产物在微生物中作用不同，又 有初级代谢和次级代谢。
微生物的代谢(共86张PPT)
② 产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质
的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的 能量
③ 固定二氧化碳的中介：光/化能自养微生物
③ 途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径的微生物 所能利用的碳源谱更为广泛
④ 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷 酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。
NO 2-，SO 32-，CH 4
③发酵
A、B或C
AH 2，BH 2或CH 2
（发酵产物：乙醇、乳酸等）
递氢
受氢
1.呼吸
概念：是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化。 过程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。 途径：EMP,TCA循环。 特点：在好氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶
⑤ 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如 核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸 发酵）等。
3. ED途径
发现：1952年 嗜糖假单孢菌 存在：多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）
特点：可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在 少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径
3. ED途径
ATP
真细菌：光合细菌（厌氧菌）
⑤与乙醇、乳酸等的发酵生产关系密切
2. HMP途径（hexose monophosphate pathway）
ATP
6C6
12NADPH+H+ 经呼吸链36ATP
35ATP
经一系列复杂反应后
6C5 重新合成己糖
5C6
6CO2
图5-4 HMP途径的简图
HMP途径的重要意义 ① 为核苷酸和核酸等的生物合成提供戊糖-磷酸
联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子
的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的 能量
③ 固定二氧化碳的中介：光/化能自养微生物
③ 途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径的微生物 所能利用的碳源谱更为广泛
④ 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷 酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。
NO 2-，SO 32-，CH 4
③发酵
A、B或C
AH 2，BH 2或CH 2
（发酵产物：乙醇、乳酸等）
递氢
受氢
1.呼吸
概念：是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化。 过程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。 途径：EMP,TCA循环。 特点：在好氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶
⑤ 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如 核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸 发酵）等。
3. ED途径
发现：1952年 嗜糖假单孢菌 存在：多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）
特点：可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在 少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径
3. ED途径
ATP
真细菌：光合细菌（厌氧菌）
⑤与乙醇、乳酸等的发酵生产关系密切
2. HMP途径（hexose monophosphate pathway）
ATP
6C6
12NADPH+H+ 经呼吸链36ATP
35ATP
经一系列复杂反应后
6C5 重新合成己糖
5C6
6CO2
图5-4 HMP途径的简图
HMP途径的重要意义 ① 为核苷酸和核酸等的生物合成提供戊糖-磷酸
联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子
微生物代谢工程ppt课件
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）
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。
UDPGAL r25 U D P G A LA r26 p o ly G A L A N A D H (N A D P H ) + O2 ADP r35(r36)
r24
UDPG r23 G 1P r22
G LC r1 G 6P r2 F 6P r3 G A 3P r4 r20
r16 r21
r18 X 5P
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。
代谢工程涉及的主要内容
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； 基因操作
微生物的代谢优秀课件
2．糖化型淀粉酶：这是一类酶的总称。 其共同特点是可以将淀粉水解成麦芽糖 或葡萄糖。这类酶至少有三种：
• ① β-淀粉酶（淀粉-1.4-麦芽糖苷酶）：它是从直链 淀粉的外端（非还原端）开始作用于α-1.4糖苷键， 每次水解出一个麦芽糖分子，可将直链淀粉彻底水解 成麦芽糖。因为被β-淀粉酶所打断的键发生改变， 结果是形成β-麦芽糖即麦芽糖的还原碳是β-构型的。
淀粉能被多种微生物分解，微生物分解淀粉的酶类很 多，作用方式各异，作用后的产物也不同。 主要的淀粉酶有以下几类：
1. α-淀粉酶（液化型淀粉酶）：
• 它可以从直链淀粉的内部任意切割α-1.4糖苷键， 最终的产物是麦芽糖和少量的葡萄糖，二者的比 例约为6：1。α-淀粉酶不能水解α-1.6糖苷键， 以及靠近α-1.6糖苷键的α-1.4糖苷键，但可越过 此键，在分支点的较远位直链内部水解α-1.4糖苷 键，因此淀粉水解的产物是麦芽糖、含有6个葡萄 糖单位的寡糖和带有α-1.6糖苷键的小分子糊精 （寡糖）。由于α-淀粉酶可在淀粉的内部任意切 割，所以使淀粉的粘滞度很快降低，表现为液化， 故称为液化酶。一些细菌（枯草）、放线菌、霉 菌均能产生α-淀粉酶。此外，发芽的种子、动物 的胰脏、唾液中都含有此酶。
（三）果胶质的分解代谢
• 果胶质是构成高等植物细胞间质的主要物质。它 主要是由D-半乳糖醛酸通过α-1.4糖苷键连接起 来的直链高分子化合物，其分子中大部分羧基形 成了甲基酯；不含甲基酯的果胶质称为果胶酸。
• 天然果胶质是一种水不溶性的物质，通常被称为 原果胶。在原果胶酶的作用下，被转化成水可溶 性的果胶；再进一步被果胶甲酯水解酶催化去掉 甲酯基团，生成果胶酸，最后被果胶酸酶水解， 切断α-1.4糖苷键，生成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸 最后进入糖代谢途径被分解放出能量，可见分解 果胶的酶也是一个多酶复合物。
《微生物代谢》课件
糖异生
某些微生物可以将其他有 机物转化为葡萄糖或糖。
脂肪和蛋白质的代谢
脂肪代谢
脂肪在微生物中可被分解为甘油和脂肪酸，再进一步氧化分 解。
蛋白质代谢
蛋白质被分解为氨基酸，再通过脱氨基作用将氨基酸转化为 酮酸。
其他物质的代谢
氮代谢
微生物将氮气或其他无机氮源转化为氨基酸和核酸。
硫代谢
某些微生物可以将硫化物转化为硫酸盐。
酶的合成调节
总结词
酶的合成调节通过控制酶蛋白的合成量来影响微生物代谢过程，是代谢调控的重要环节 。
详细描述
酶的合成调节主要受到基因转录和翻译水平的调控。在转录水平上，RNA聚合酶以DNA为模板 合成mRNA，而转录的起始、延伸和终止受到多种因素的影响，如DNA上的启动子、RNA聚合 酶的种类和浓度等。在翻译水平上，mRNA被核糖体识别并结合，氨基酸按照mRNA上的密码子
自养微生物的能量代谢
光合作用
利用光能将二氧化碳和水转化为有机 物。
化能合成作用
利用氧化还原反应将无机物转化为有 机物。
微生物的ATP合成
氧化磷酸化
在呼吸链中，电子传递过程中释放的能量用于合成ATP。
光合磷酸化
在光合作用的光反应阶段，光能转化为ATP和NADPH。
糖酵解
葡萄糖经过糖酵解途径产生ATP和NADH。
食品发酵
微生物代谢是食品发酵过程中的关键环节，可以产生具有特殊风 味的食品。
食品保存
通过控制微生物代谢，可以延长食品的保质期，保证食品的安全 和品质。
食品添加剂
一些微生物代谢产物可作为食品添加剂，提高食品的口感和营养 价值。
在医药工业中的应用
抗生素生产
微生物代谢可以产生抗生素，用于治疗细菌感染。
微生物的代谢PPT课件
如何使细胞内的谷氨酸浓度下降？
（将细胞内谷氨酸透出细胞） 如何细胞内谷氨酸通过细胞膜到达细胞外？ （改变细胞膜的透性）
四 微 生 物 代 谢 的有用的代谢产物
1.改变微生物的遗 传特性 措施：
（1）诱变育种
（2）基因工程育种 2.控制代谢条件（发酵条件）
黄色短杆菌合成赖氨酸的途径 实例： 谷氨酸棒状杆菌合成谷氨酸的途径
苏氨酸 苏氨酸脱氢酶 a—酮丁酸 异亮氨酸
当异亮氨酸积累过量，会抑制苏氨酸脱氢酶的活性，异亮氨酸合成停止。
实例2 亮白曲霉原来不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但如果在培养基内加 入蔗糖，一段时间后，可以合成蔗糖酶，并利用蔗糖。
：
分析讨论
：
实例1，通过调节酶的 实例2.，通过调节酶的
活性 ，控制代谢过程；
内容 初级代谢产物
是
次级代谢产物
否
不 同
生长繁殖是否 必需 产生阶段
种的特异性 分布
一直产生 否 细胞内
生长到一定阶段产生 是 细胞内或外 抗生素、毒素、激素、 色素
点 举例
相同点
氨基酸、核苷酸、多糖、 脂类、维生素等
均在微生物细胞的调节下，有步骤产生
微生物的生命活动受什么调节
实例1
：大肠杆菌合成异亮氨酸的调节。
，控制代谢过程 合成
（三）、微生物代谢的调节：
酶合成的调节
微生物代谢调节
的主要方式 酶活性的调节
１.酶合成的调节：
组成酶与诱导酶的区别
酶合成调节
调节对象 调节结果 调节本质 调节特点 调节意义
１.酶合成的调节：
组成酶与诱导酶的区别
组成酶是微生物细胞内一直存在的酶，它们的合成 只受遗传物质的控制 诱导酶则是在环境中存在某种物质的情况下能够合 成的酶它们的合成受遗传物质和诱导物的双重调控
5微生物的代谢-PPT课件
氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP 的合成，这种产生ATP方式称底物水平 磷酸化
化学渗透偶联假说
1961年,英国,米切尔提出 电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度 差,从而将能量蕴藏在质子势中,质子势由 膜外进入胞内,此过程中通过存在于膜上的 F1-F0ATP酶偶联ATP的形成
构象变化偶联假说
2. 生产菌种的来源 自学
3. 微生物工业发酵的一般过程
二、大规模发酵特征
1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理 4.发酵的逐级放大
自学
1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理
二、分支合成途径调节
特点： 每个分支途径的末端产物控制分 支点后的第一个酶，同时每个末 端产物又对整个途径的第一个酶 有部分的抑制作用
第五节 微生物次级代谢与次级代谢产物
一、次级代谢与次级代谢产物 1. 初级代谢 微生物从外界吸收各种营养物质，通过 分解代谢和合成代谢，生成维持生命活 动的物质和能量的过程
发酵的逐级放大
(1) 小试
实验室或小型设备 得小试最佳发酵条件 评估所发酵的产物是否具有生产可能性
(2) 中试 实验工厂或车间的小规模设备 对小试最佳发酵条件进行验证并放大 基本确定发酵产物能否进行工业大规 模生产
(3) 大试 试验性生产 对中试发酵条件的参数进行验证改进 确定发酵产物能否进行工业大规模生产
转移酶类的特异性决定次序 单糖单位——核苷糖为载体
核苷糖————核苷糖-单糖
能量来源：核苷糖中高能糖-磷酸键水解
5. 氨基酸的合成
碳骨架来自糖代谢产生的中间代谢产物 氨: ①直接从外界环境获得;
化学渗透偶联假说
1961年,英国,米切尔提出 电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度 差,从而将能量蕴藏在质子势中,质子势由 膜外进入胞内,此过程中通过存在于膜上的 F1-F0ATP酶偶联ATP的形成
构象变化偶联假说
2. 生产菌种的来源 自学
3. 微生物工业发酵的一般过程
二、大规模发酵特征
1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理 4.发酵的逐级放大
自学
1. 用于好氧菌的大型发酵罐的结构与应用 2. 厌氧菌大型发酵罐和其他生物反应器 3. 发酵过程的优化及后处理
二、分支合成途径调节
特点： 每个分支途径的末端产物控制分 支点后的第一个酶，同时每个末 端产物又对整个途径的第一个酶 有部分的抑制作用
第五节 微生物次级代谢与次级代谢产物
一、次级代谢与次级代谢产物 1. 初级代谢 微生物从外界吸收各种营养物质，通过 分解代谢和合成代谢，生成维持生命活 动的物质和能量的过程
发酵的逐级放大
(1) 小试
实验室或小型设备 得小试最佳发酵条件 评估所发酵的产物是否具有生产可能性
(2) 中试 实验工厂或车间的小规模设备 对小试最佳发酵条件进行验证并放大 基本确定发酵产物能否进行工业大规 模生产
(3) 大试 试验性生产 对中试发酵条件的参数进行验证改进 确定发酵产物能否进行工业大规模生产
转移酶类的特异性决定次序 单糖单位——核苷糖为载体
核苷糖————核苷糖-单糖
能量来源：核苷糖中高能糖-磷酸键水解
5. 氨基酸的合成
碳骨架来自糖代谢产生的中间代谢产物 氨: ①直接从外界环境获得;
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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。
5
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是改变某些途径中 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。
3
一、微生物代谢工程的概念
1、代谢工程概念的演变
4
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
16
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
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
2
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。
和耐受性等。
7
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
8
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 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。
11
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
12
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。
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。
13
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。
14
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
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。
15
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。
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。
17
（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。
6
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
18
（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
19
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。
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。
9
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。
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。
10
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。
5
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是改变某些途径中 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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一、微生物代谢工程的概念
1、代谢工程概念的演变
4
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
16
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
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。
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 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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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
12
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。
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。
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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
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。
15
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。
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。
17
（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
19
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。
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。
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。