微生物代谢工程ppt课件

R u5P
r17 R 5P
r19 S ed7P
E 4P
N A D (N A D P ) + ATP r37 ADP
CO2
PG r5 PEP r6 r29 r30 r7 r8 A LA VA L LAC AC
r15
PYR CO2 r9 A cC oA r10
CO2
ASP r32 LY S I r33 LY S E
产物的分泌速率办到。
代谢工程研究的设计思路


提高通向目标产物的代谢流 扩展代谢途径 构建新的代谢途径
提高通向代谢产物的代谢流


增强催化某反应的酶的表达量或活性，从而提高 代谢流； 在有竞争途径（如分支代谢途径）存在时，阻断 有害的或无关的竞争代谢途径代谢产物的合成， 从而达到改变代谢流，提高目标产物产量的目的。

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）


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
代谢工程的研究目的

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。
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
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 (metabolic control analysis): 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(flux control coefficient，FCC)是系统的性质， 大体上可用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。
r31 r14
OAA
IC I CO2 CO2 SUC r 11 -K G r12 r27 G LU r28 G LN
MAL r13 r 34 B IO M A S S
C. glutamicum CCTCC M201005合成生物絮凝剂的代谢网络模型
代谢物流分析(metabolic flux analysis)：一种计算流经各种
想通过单个酶的超表达来提高代谢途径的物流是行不通 的，除非此酶具有高的物流控制系数。假定能成功超表达途
径受限制的酶，该酶固然不再受反馈抑制，但瓶颈可能落在
途径下游的酶上，从而导致代谢中间体的大幅度的增加。同 时和协调地超表达途径中的大多数酶，原则上可大大提高代 谢物流而不至于改变各代谢物的浓度。 另一种选择是增加途径产物的需求，这或许可通过提高
代谢工程要解决的主要问题－
改变某些途径中的碳架物质流量或改变碳架物质流在不同途 径中的流量分布


提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量；
改造细胞现存代谢途径，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 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 优化细胞的生物学特性，如生长速率、某些极端 环境条件的耐受性
代谢工程所采用的概念来自反应工程和用于生化 反应途径分析的热力学。它强调整体的代谢途径而不
是个别反应。
代谢工程涉及完整的生物反应网络、途径合成的
问题、热力学可行性、途径的物流及其控制。要想提
高某一方面的代谢和细胞功能应从整个代谢网络的反 应而不是一个个反应去考虑。重点应放在途径物流的 放大和重新分配上。

途径工程（Pathway engineering） 利用重组DNA技术来对生物细胞内来自百度文库有的代谢途 径进行定向改造。 (藉某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的 特性或运用重组DNA技术来创造新的化合物。) 标志着基因工程应用已经进入到一个高级阶段。
代谢工程的要素： 将分析方法运用于物流的定量化，用分子生物 技术来控制物流以实现所需的遗传改造。
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。
物流求和理论 (flux summation theory)是如果将一代谢 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(flux split ratio)是指途径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(elascity coefficients)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。
微生物代谢工程
节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。所谓 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。 所谓强刚性节点，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。所谓弱刚性节点，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。