代谢工程概述(ppt 44页)

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主要参考书
代谢工程,赵学明等译,化学工业出版社,北京。 2003年12月

Biotechnology,2nded.Vol.1;BiologicalFunda mentals.RehmH-JB

Biotechnology,3ndedVol.3;Bioprocessing.Re hmH-JB
代谢途径定义为:一连串可以进行的并可观测 的生物化学反应步骤,这些反应步骤是以指定 的一组输入和输出代谢物所连结。
代谢网络:在代谢过程中,通过特定的生物化学反应, 一些物质被分解,从而为基本的生命过程提供能量,同 时合成另一些生命所必需的物质。发生在某物种的活 细胞内所有代谢反应构成了此物种的代谢网络。
**代谢工程概念演变
代谢工程也被人们成为“途径工程”,它属于基 因工程的一个重要的分支。它应用重组DNA技 术和应用分析生物学相关的遗传手段,进行有精 确目标的遗传操作,改变酶的功能输送体系的功 能 ,以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操
作(包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的 代谢活性的实现)是一种生物化学反应代谢网络 有目的的修饰。
代谢工程的一些基本定义
代谢控制分析(MCA) *Metabolic Control Analysis,简称MCA 代谢工程的一个主要目标 就是对代谢通量控制的理解 。其是通过途径中酶 的活性、代谢物、效应物和其它参数所施加的通 量控制程度进行定量表述。
代谢控制的关键参数确定以后,人们需要实施这 些变化从而最有效地达到预定目标。在实施通量 控制基因修饰和环境条件改变结合起 来使用。
1957年,日本的木下等人开始了谷氨酸的发酵研究。随着各国 对代谢发酵理论的深入研究,许多国家转向发酵菌株本身的研究, 获得了许多的氨基酸高产菌株。
随后,核酸类物质发酵生产菌也以代谢控制发酵理论为指导进行 选育,并奋起直追成为后起之秀。
*早期研究中侧重应用过程中采用的方法及所达到的目 标,通常是对细胞特定的代谢途径进行改造。
载流途经:代谢主流流经的代谢途径为主要载流途经, 简称载流途经。在代谢工程研究中载流途经是指碳流 在代谢网络中通过的主要途径。
代谢主流的变动性和选择性:生物细胞的代谢主流处 于不断的变化之中,其方向、流量甚至代谢主流的载 流途经都可能发生变化。这就是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 的根据在于生物细胞的遗传物质,选择的原因在于细 胞所处的环境条件的变化。
微生物发酵已经有几千年的历史。
早在2000年以前,人们就开始利用微生物进行白酒、黄酒、清 酒的发酵,此时的发酵为天然发酵时代。
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, 开始了现代发酵工业时代。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。
代谢流和碳骨架物质流:代谢物在代谢途径中 流动形成代谢流。在代谢工程领域代谢流往往 是指骨架物质流。
代谢主流:在一定的培养条件下,代谢物再代 谢网络中流动,流量相对集中的代谢流叫做该 条件下的代谢主流。代谢途径的延伸和改变都 会改变代谢主流,从而实现新基质的利用和新 产品的开发。代谢主流的测定是代谢工程的重 要组成部分。

途径工程,张惠展,2003
01绪论 代谢工程概述 授课教师:李强
本章内容
§1.1代谢工程的产生和概念的演变 §1.2代谢工程的研究内容 §1.3 代谢工程的应用领域和前景
现代生物技术手段主要包括基因工程(Gene Engineering)、细胞工程(Cell Engineering)、发酵 工程(Fermentation Engineering)、酶工程(Enzyme Engineering)和生化工程(Biochemical Engineering),现代生物技术在化工、医药卫生、农 林牧渔、轻工食品、能源和环境等领域都将发挥重要 作用,可促进传统产业的改造和新型产业的形成,对 人类社会产生深远影响。其中发酵工程是生物技术的 重要组成部分,是生物技术转化成产品的重要环节。 20世纪90年代提出的代谢工程发展迅速,被视为继传 统的蛋白质多肽单基因表达(第一代基因工程)、基 因定向突变(第二代基因工程)之后的第三代基因工 程。
对蛋白质层次的代谢网络来说,一个代谢物分子就是 一个节点,而节点之间的连结则是生化反应。大部分 的分子只参加一种或两种反应,但少数分子参与许多 反应,它们实际上就是代谢流的集散中心或通用代谢 物
代谢通量定义为:输入代谢物反应生成输出代 谢物的速率。
胞内代谢通量的确定称为代谢通量分析 (metabolic flux analysis,MFA) ,其在代 谢工程处于中心地位。
底物:培养基质中的化合物,是能被细胞进一 步代谢或直接利用构成细胞组分。碳源、氮源、 能源物质以及满足细胞功能必须的各种矿物质 元素均属于细胞代谢的底物。
代谢产物:由细胞合成的化合物,可以是初级 代谢产物(二氧化碳、乙醇等),也可以是次 级代谢产物或者蛋白质。
生物基质要素:构成生物质大分子池的一类物 质,包括DNA、RNA、蛋白质等
**代谢控制发酵就是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。代谢控制 发酵的核心为:解除微生物代谢控制机制,打破微生 物正常的代谢调节,人为地控制微生物的代谢。
随着代谢控制发酵理论的日臻完善,目前已 发展出一个重要的研究分支——代谢工程。它 是近年来分子生物学、生物化学、化学工程学 和计算机科学的发展与交差的产物,从而使生 物技术突飞猛进的发展,使有关的研究进入了 细胞水平。从细胞的代谢途径出发,运用工程 学原理进行代谢调控,使之向产物积累的方向 发展,由此创建了一个新兴的领域,即“代谢 工程”。
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