代谢工程

代谢工程：（部分）

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。

代谢工程与随机诱变育种的优势：

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。

代谢工程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞过程，其不仅在解释细胞生理特性上具有重要的科学意义，而且其潜在的应用跨越了生物技术的全部领域，主要包括：

(1)异源蛋白的生产；

(2)扩大底物利用范围；

(3)生产原来不存在的新物质；

(4)对环境有害物质的降解；

(5)提高菌体对环境的适应能力；

(6)阻断或降低副产物的生成；

(7)代谢产品生产速率和生产能力的提高；

(8)植物代谢工程；

(9)动物代谢工程；

(10)人体和组织代谢工程一人类疾病诊断和基因治疗。

代谢途径是将一组特定的流入和流出代谢物质联系在一起的一个生化反应序列。

代谢流(物流/通量)(flux)：流入代谢物经该途径转变为流出物的速率。

代谢网络可视为由若干个串联或并联的简单子途径组成，它们通过节点相连。

节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。

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。

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。

弱刚性节点:

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。

代谢物流分析：

一种计算流经各种途径的通量的技术，用于描述不同途径的相互作用和围绕支点的物流分布。

代谢控制分析:

物流控制被分布在途径的所有步骤中，只是若干步骤的物流比其他的更大些，可用数学方程来描述反应网络内的控制机制，即用一途径的物流和以物流控制系数来定量表示酶活之间的关系。

物流控制系数:

物流的百分比变化除以酶活(该酶能引起物流的改变)的百分比变化表示。

物流求和理论:

如果将一代谢系统中的某一物流的所有酶的物流控制系数加在一起，其和为1。

物流分担比:

途径A与途径B之比，如葡萄糖-6-磷酸节上的物流分担比便是EMP途径物流/(pp途径物流)。

弹性系数:

表示酶催化反应速率对代谢物浓度的敏感性。弹性系数是个别酶的特性。

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.

广义的代谢网络包括物质代谢网络，能量代谢网络。

代谢网络的组成取决于微生物的遗传性能和微生物细胞存在的环境。

代谢网络主要由核心部分和两个在运行时间上有交叉的部分组成，分别是中心代谢途径；

收敛途径:

指向中心代谢途径，并以中心代谢途径中间化合物为接口的途径;

发散途径:

以中心代谢途径的中间化合物为起点，从中心代谢途径向周围分散的途径。

根据细胞代谢流的形成机制和流动属性，可将构成代谢网络的所有途径分为载流途径和代谢主流两大类。

载流途径:

代谢网络中的一部分途径首尾衔接形成的一条从原料化合物到目的产物的途径。

载流途径一般包括:

原料化合物胞外降解和进入细胞，

碳架物质经细胞内进一步降解或转换存在方式进入中心代谢途径，

目的产物合成途径，

以及目的产物排出等阶段。

进，通，节，堵，出的策略。

进：促进细胞对碳源等营养物质的吸收

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

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

堵：消除或削弱目的产物进一步代谢的途径

出：就是促进目的产物向胞外空间分泌。

代谢物质的流动过程是一种类似“流体流动”的过程，它具备流动的一切属性，诸如方向性、连续性、有序性、可调性等等，并且可以接受疏导、阻塞、分流、汇流等“治理”，也可能发生“干枯”和“溢出( 泛滥) ”等现象。此外，还有流速和流量等问题。

以代谢流动的观点加深对代谢网络的认识：

代谢组学:

效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。

其研究对象大都是相对分子质量1000 D以内的小分子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。

主要技术手段是核磁共振（NMR），质谱（MS），色谱（HPLC，GC）及色谱质谱联用技术。

通过检测一系列样品的NMR 谱图，再结合模式识别方法，可以判断出生物体的病理生理状态，并有可能找出与之相关的生物标志物（biomarker）。为相关预警信号提供一个预知平台。

自20世纪末出现基因组学概念以后,各种”组学(-omics)”呈井喷式暴发.有人统计共有数百种组学问世。常见的如基因组学,蛋白质组学,转录组学,代谢组学。

代谢组

指一个细胞、组织或器官中,所有代谢产物的集合,一般指分子量小于1000D的物质。

基因组学主要研究内容:

生物系统的基因结构组成,即DNA 的序列及表达。