代谢工程概述PPT(共 44张)

主要参考书Hale Waihona Puke Baidu
代谢工程，赵学明等译，化学工业出版社，北京。 2003年12月
Biotechnology, 2nd ed. Vol.1; Biological Fundamentals. Rehm H-JB
Biotechnology, 3nd ed Vol.3;Bioprocessing. Rehm H-JB
代谢工程的一些基本定义
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。
1991，Tong et al
利用DNA重组技术对代谢进行目的性 1993，Cameron 修饰
改造细胞代谢途径，提高提高天然最 1994，pieperberg 终产物产量或合成新产物
对生化反应的代谢网络进行目的性修 1994，Gregory 饰
为达到所需目标对活细胞的代谢途径 1996，william 进行修饰
代谢工程的一些基本定义
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
代谢研究的产生和发展历史
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。 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。
途径工程，张惠展，2003 基因工程原理，吴乃虎，2004 代谢工程，张蓓等，天津大学出版社，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
第一节代谢工程的产生和概念的演变
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。
代谢工程的一些基本定义
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。
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”。
早期的代谢研究主要内容
*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。
**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。
途径工程 Pathway engineering 代谢工程Metabolic engineering
代谢途径工程Metabolic pathway engineering 代谢工程Metabolic engineering
代谢工程/代谢设计Pathway engineering /Metabolic design 代谢工程Metabolic engineering
利用分子生物学原理系统分析代谢途 1999，koffasl 径，设计 合理的遗传修饰战略，从而 优化细胞生物学特性
**代谢工程的现代概念
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Metabolic engineering
代谢工程Metabolic engineering
**代谢工程概念演变
利用DNA重组技术修饰各种代谢途径， 1988，Mac quitty 提高特定代谢物的产量
利用DNA重组技术优化细胞酶活、运 1991，Bailey 输和调控功能，提高细胞活力
生化途径的修饰、设计与构建