代谢工程概述

代谢工程科技名词定义中文名称：代谢工程英文名称：metabolic engineering定义：通过基因工程的方法改变细胞的代谢途径。

所属学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；新陈代谢（二级学科）本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布代谢工程书籍图代谢工程（Metabolic engineering）是生物工程的一个新的分支。

代谢工程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。

目录发展前沿展开编辑本段发展为了满足人类对生物的特定需求而对微生物进行代谢途径操作，已有将近半个世纪的历史了。

在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都可以找到一些典型实例。

操作的主要方法是，用化学诱变剂处理微生物，并用创造性的筛选技术来检出已获得优良性状的突变菌株。

尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的效果，但对突变株的遗传和代谢性状的鉴定是很不够的，更何况诱变是随机的，科学不足技巧补！DNA重组的分子生物学技术的开发把代谢操作引进了一个新的层面。

遗传工程使我们有可能对代谢途径的指定酶反应进行精确的修饰，因此，有可能构建精心设计的遗传背景。

DNA重组技术刚进入可行阶段不久，就出现了不少可用来说明这种技术在定向的途径修饰方面的潜在应用的术语。

如分子育种（1981年），体外进化（1988年），微生物工程或代谢途径工程（1988~1991年），细胞工程（1991年）和代谢工程（1991年）。

尽管不同的作者提出不完全相同的定义，这些定义均传达了与代谢工程的总目标和手段相似的含义。

我们曾经把代谢工程定义为，代谢工程就是用DNA重组技术修饰特定的生化反应或引进新的生化反应，直接改善产物的形成和细胞的性能的学科。

这样定义代谢工程强调了代谢工程工作目标的确切性。

生物工程的代谢工程生物工程是一门综合性的学科，它涉及生物学、化学、工程学等多个领域的知识。

生物工程的核心目标之一是通过改造生物体的代谢途径，实现有针对性的代谢工程。

代谢工程作为生物工程领域的重要分支，旨在通过调控代谢途径中的关键酶、通路和代谢产物，实现对生物体功能的精准调控和优化。

一、代谢工程的意义和应用领域代谢工程在生物医药、能源生产和化学品合成等领域具有广泛的应用前景。

通过代谢工程，可以设计和构建新型代谢途径，生产具有特定功能的代谢产物，满足人类对药物、医疗材料和工业原料的需求。

例如，通过代谢工程可以合成抗肿瘤药物、抗生素、抗病毒药物等，为生物医药行业提供更多创新药物的来源。

在能源领域，代谢工程可以通过改良微生物或植物的代谢途径，实现高效可持续的能源生产。

例如，利用代谢工程技术，可以通过发酵微生物生产生物柴油、生物乙醇等可再生能源，减少对传统化石能源的依赖，降低能源的排放和对环境的影响。

此外，代谢工程还可以应用于化学合成领域，通过改造微生物代谢途径，生产化工原料和精细化学品。

以生产乙二醇为例，传统合成乙二醇的过程复杂且环境污染，而通过代谢工程技术，可以利用微生物将廉价的废弃物转化为乙二醇，实现可持续化生产。

二、代谢工程的关键技术和方法代谢工程的重要技术和方法包括代谢途径设计、基因工程、系统生物学和高通量筛选等。

1. 代谢途径设计代谢途径设计是代谢工程的核心环节，它涉及对代谢通路及其调控机制的深入了解和分析。

通过理解代谢途径中的酶催化反应、底物与产物的转化关系，可以设计出新的代谢途径，实现对代谢产物的高效合成。

2. 基因工程基因工程是代谢工程的重要手段，它涉及对生物体基因组的改变和调控。

通过改变目标基因的表达水平、调节酶活性或设计新的功能酶，可以实现对代谢途径的重构和优化。

3. 系统生物学系统生物学是利用数学和计算机模拟手段，研究生物体整体代谢网络的行为和特性。

通过建立数学模型，可以对代谢途径进行模拟和预测，为代谢工程的优化和设计提供理论指导。

代谢工程名词解释
代谢工程
代谢工程是一门研究利用生物技术手段对生物体代谢进行优化和调控的学科。

它综合运用生物学、生物化学、分子生物学、计算机科学等多学科知识，利用基因工程、蛋白工程、酶工程等技术手段，旨在通过调节代谢途径、改变代谢产物生成、提高生物反应器效率等方法，达到提高生产效率、生产新化合物或降低资源消耗的目的。

代谢途径
代谢途径是生物体内进行物质转化和能量转换的路线。

常见的代谢途径包括糖分解途径、脂肪酸合成途径、氨基酸代谢途径等。

通过对代谢途径的研究，代谢工程可以发现调控点并进行优化，从而实现对特定化合物的高效生产。

基因工程
基因工程是利用DNA重组和修改技术来改变生物体的遗传信息。

在代谢工程中，基因工程常用于改变代谢途径中的限速酶活性、优化底物转化率等。

通过定向改变特定基因的表达水平或引入外源基因，可以实现对代谢产物的调控。

蛋白工程
蛋白工程是通过改变蛋白质的结构和功能来改变生物体的代谢性能。

代谢工程中常利用蛋白工程技术改变代谢途径中的酶的催化性能，提高酶的稳定性和活性。

蛋白工程手段包括点突变、重组蛋白表达等。

酶工程
酶工程是通过改变酶的结构和功能来改变生物体的代谢性能。

代谢工程中常利用酶工程技术改变代谢途径中的催化酶的特性，提高底物转化效率和产物选择性。

酶工程手段包括蛋白工程、酶的固定化等。

代谢工程学代谢工程学（Metabolic engineering）又称途径工程，一般定义为通过某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性，或是利用重组DNA技术来创造新的化合物。

它使指利用基因工程或是分子生物学技术，将生体内之代谢路径改变，通常改变生体内化学反应之酶。

代谢工程技术目前以微生物利用为主，改变工业微生物之代谢路径，生产所需要的化学物质，如抗生素。

这一概念由美国学者BaileyJE于1991年首先提出。

其将代谢工程定义为：用重组DNA技术来操纵细胞的酶运输和调节功能从而改进细胞的活性。

Stephanopouls等认为，代谢工程是一种提高菌体生物量或代谢物产量的理性化方法。

Cameron等的定义则精炼一些，即用重组DNA技术有目的地改造中间代谢。

目录[隐藏]∙ 1 研究内容∙ 2 研究意义∙ 3 参考文献代谢工程学-研究内容与其他传统的工程领域相比，途径工程同样强调解析与组合两个特定的步骤，然而在很大程度上途径操作过程基本上是分子生物学原理的一种技术表现形式，真正意义上的工程方面的成份并不占主导地位。

严格地讲，生化反应过程的有关内容并不能定义为途径工程。

更多更显著的工程成份只是反映在途径工程的分析部分，如怎样辨认能反映细胞生理状态的主要参数？怎样利用这些信息组织一个代谢网络的控制设计，并确定合理靶点以修饰构建特定的物种？怎样进一步评估基因或酶的真实修饰效果，以实施新一轮的途径修饰直到最佳状态的确立？取代普通的定向靶点筛选程序，怎样预测一个合理的过程以确定途径操作的最有效靶点？上述问题是途径工程分析部分应解决的问题。

途径工程的一个崭新观点是关注代谢途径的组合而非单一的反应，因此它必须考察完整的生化反应网络，重视途径和目标产物的热力学可行性、代谢流及其控制。

从传统的单一酶反应分析向相互作用的生化反应系统转移是这一组合观点的精髓，其中代谢网络的概念尤其重要，只有这样，生物体代谢运动和细胞功能的图视效果才能被强化。

代谢工程概念一、名词解释：1代谢工程：应用重组DNA技术和分析生物学相关的遗传学手段进行有精确目标的遗传操作，改变酶的功能或输送体系的功能，甚至产能系统的功能，以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操作工作（包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的代谢活性的实现）。

代谢工程是生物化学反应代谢网络有目的的修饰。

它属于基因工程的一个重要的分支。

2代谢控制发酵技术：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。

3生物技术：是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。

4代谢网络的节点（Node）：微生物代谢网络中的途径的交叉点（代谢流的集散处）称作节点。

在不同条件下，代谢流分布变化较大的节点称为主节点。

根据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、弱刚性、强刚性三种。

5柔性节点（Flexible Node）：是节点的一种类型，是流量分配容易改变并满足代谢需求的一类节点。

（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）。

6强刚性节点：若一个节点的一个或多个分支途径的流量分割率受到严格控制，那么这类节点就称为强刚性节点。

（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。

）。

7弱刚性节点：若一个节点的流量分配由它的某一分支途径的分支动力学所控制，则称该节点是弱刚性节点，介于柔性节点和强刚性节点之间。

8代谢流（Flux）：定义为流入代谢物被途径加工成流出代谢物的速率。

9途径工程（Pathway Engineering）：是一门利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络，并通过DNA重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰，进而完成细胞特性改造的应用性学科。

10合成生物学：简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题的一门新兴学科。

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。