绪论代谢工程概述课件.ppt

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, 2nd ed. Vol.1; Biological Fundamentals. Rehm H-JB Biotechnology, 3nd ed Vol.3;Bioprocessing. Rehm H-JB 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 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。 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。 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”。 **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。 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。 代谢工程的一些基本定义 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