1、代謝工程,代謝工程（metabolic engineering)是指藉某些特定 生化反應(yīng)的修飾來(lái)定向改變細(xì)胞的特性或運(yùn)用重組 DNA技術(shù)來(lái)創(chuàng)造新的化合物。經(jīng)分析方法運(yùn)用于與 物流的定量化，用分子生物技術(shù)來(lái)控制物流以實(shí)現(xiàn) 所需的遺傳改造是代謝工程的要素。代謝工程采用 的概念來(lái)自反應(yīng)工程和用于生化反應(yīng)途徑分析的熱 力學(xué)。它強(qiáng)調(diào)整體的代謝途徑而不是個(gè)體反應(yīng)。代 謝工程涉及完整的生物反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、途徑合成問(wèn)題、 熱力學(xué)可行性、途徑的物流及其控制。,代謝工程概述,細(xì)胞的生命活動(dòng)是通過(guò)活細(xì)胞和細(xì)胞群的代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，而代謝網(wǎng)絡(luò)是由一系列酶的級(jí)聯(lián)化學(xué)反應(yīng)以特異性的膜轉(zhuǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成。 對(duì)人類(lèi)的應(yīng)用而言，活細(xì)胞自身固

2、有的代謝網(wǎng)絡(luò)的遺傳特性并不是最佳的，為了積累大量的某種代謝產(chǎn)物，就必須要打破并重建細(xì)胞的代謝平衡。,代謝工程要解決的問(wèn)題 目前代謝工程要解決的主要問(wèn)題是改變某些途徑中的碳架物質(zhì)流量或改變碳架物質(zhì)在不同途徑中的流量分布。 典型目標(biāo)是修飾初級(jí)次級(jí)代謝，將碳架物質(zhì)流導(dǎo)入目的產(chǎn)物的理想載流途徑以獲得產(chǎn)物的最大轉(zhuǎn)化率。,主要應(yīng)用方向 (1) 提高細(xì)胞現(xiàn)存代謝途徑中天然產(chǎn)物的產(chǎn)量； (2) 改造細(xì)胞現(xiàn)存的代謝途徑，使其合成新產(chǎn)物，這種新產(chǎn)物可以是中間代謝產(chǎn)物或修飾型的最終產(chǎn)物； (3)對(duì)不同細(xì)胞的代謝途徑進(jìn)行擬合，構(gòu)建全新的代謝通路，從而產(chǎn)生細(xì)胞自身不能合成的新產(chǎn)物； (4)優(yōu)化細(xì)胞的生物學(xué)特性，如：生長(zhǎng)

3、速率、極端環(huán)境條件和耐受性等。,二、代謝工程的研究?jī)?nèi)容,代謝工程涉及的主要內(nèi)容包括： 生物合成相關(guān)代謝調(diào)控和代謝網(wǎng)絡(luò)理論； 代謝流的定量分析； 代謝網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計(jì)； 中心代謝作用機(jī)理及相關(guān)代謝分析； 基因操作。,代謝分析,代謝分析是代謝工程的重要組成部分。它涉及代謝流的定量和定向、研究細(xì)胞內(nèi)代謝物濃度的反應(yīng)工程方法以及細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)流分析等。 代謝流分析是代謝分析的一個(gè)重要手段。它假定細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)、能量處于擬穩(wěn)態(tài)，通過(guò)測(cè)定胞外物質(zhì)濃度，再根據(jù)物料平衡計(jì)算細(xì)胞內(nèi)的代謝流。,放射性標(biāo)記、同位素示蹤等技術(shù)的應(yīng)用使代謝流分析更簡(jiǎn)單、方便。通過(guò)對(duì)細(xì)胞在不同情況(如改變培養(yǎng)環(huán)境、去除抑制、增加或減少酶活等)的

4、代謝流分析，便可確定節(jié)點(diǎn)類(lèi)型、確定最優(yōu)途徑、估算基因改造的結(jié)果、計(jì)算最大理論產(chǎn)率等。對(duì)于簡(jiǎn)單的反應(yīng)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)所有的代謝網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)分析及平衡計(jì)算就可以得到滿意的結(jié)果。 但是，對(duì)于比較復(fù)雜的代謝系統(tǒng)，代謝流分析就顯得棘手。,代謝中間產(chǎn)物作為生物合成的前體及能量供應(yīng)者，轉(zhuǎn)向終產(chǎn)物的碳流的大小將最終決定終產(chǎn)物的產(chǎn)率。中間代謝產(chǎn)物的代謝流改變會(huì)受到細(xì)胞的抑制，并引起胞內(nèi)功能的嚴(yán)重改變。傳統(tǒng)的代謝工程對(duì)中間產(chǎn)物的生理作用考慮較少，從而使產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所計(jì)算的理論最大產(chǎn)率。,代謝控制分析,彈性系數(shù)和流量控制系數(shù)是代謝控制分析研究的兩個(gè)主要指標(biāo)。 彈性系數(shù)揭示代謝物濃度變化對(duì)反應(yīng)速率的影響程度。 流量控制系

5、數(shù)則為單位酶變化量引起的某分支穩(wěn)態(tài)代謝流量的變化，用來(lái)衡量某一步酶反應(yīng)對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系的控制程度。這兩個(gè)系數(shù)相互關(guān)聯(lián)，可直接或間接測(cè)定。,代謝改造思路,代謝工程研究的重點(diǎn)在于改造代謝網(wǎng)絡(luò)，以便生產(chǎn)特定目的代謝產(chǎn)物或具有過(guò)量生產(chǎn)能力的工程菌應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)微生物的不同代謝特性，常采用改變代謝流、擴(kuò)展代謝途徑和構(gòu)建新的代謝途徑三種方法。,(1)改變代謝途徑方法 加速限速反應(yīng) 增加限速酶的表達(dá)量，來(lái)提高產(chǎn)物產(chǎn)率。然而限速酶反應(yīng)的改變可能會(huì)給整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)負(fù)面影響。 改變分支代謝途徑流向 提高代謝分支點(diǎn)某一分支代謝途徑酶活力，使其在與其它的分支代謝途徑的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，從而提高目的代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。,(2)擴(kuò)展代謝途徑 在宿主菌中克隆和表達(dá)特定外源基因，從而延伸代謝途徑，以生產(chǎn)新的代謝產(chǎn)物和提高產(chǎn)率。擴(kuò)展代謝途徑還可使宿主菌能夠利用自身的酶或酶系消耗原來(lái)不消耗的底物。 (3)轉(zhuǎn)移或構(gòu)建新的代謝途 通過(guò)轉(zhuǎn)移代謝途徑、構(gòu)建新的代謝途徑等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。,代謝工程發(fā)展趨勢(shì),