1.代谢调控绪论.ppt

四、代谢物组学(metabolomics) 代谢物组学是一种通过定性定量测量生物体代谢产物的种类和浓度变化，分析系列关联代谢物的综合差异，从而发现生物系统对基因以及环境变化响应的研究方法。 代谢物组学在工业微生物领域的应用主要体现在以下几个方面：①快速识别微生物在培养过程中的生理与代谢特征；②发现菌株新的代谢途径；③从系统水平阐述微生物代谢调控机制；④理性指导菌株改造、提高靶标代谢物的产量并指导发酵过程优化等。 1全文共87页，当前为第64页。 Optimized harvesting, extraction and analytical protocols for cell metabolomics analysis. 1全文共87页，当前为第65页。 1全文共87页，当前为第66页。 1全文共87页，当前为第67页。 生物信息学途径研究——途径数据库 例如：Meta Cyc是对微生物和植物途径进行基因组分析和系统生物学的一个易访问的可比较资源。Meta Cyc包含代谢作用途径、酶的反应、酶、化合物、基因和回顾的注释。其中的数据主要是从一级 文献中由具有丰富经验的生物化学专家和分子生物专家来制作的。欧洲生物信息学研究院采用这个数据库创建了165个生物体的途径/基因组数据库，这个数据库也包含预测的操作子和途径漏洞填补器。 1全文共87页，当前为第68页。 生物信息学途径研究——途径数据库 1全文共87页，当前为第69页。 1全文共87页，当前为第70页。 五、代谢工程：基础走向应用 如何有效地调控细胞代谢网络，从而改善细胞性能，是代谢工程的核心思想。在代谢工程发展初期，用于调控细胞代谢网络的策略通常分3步： 1.首先分析细胞代谢网络结构，找出代谢网络中的关键节点(node)(经典工作，弄清楚代谢途径过程)。 2.采取合适的遗传改造方法，在关键节点处进行遗传改造，从而改变细胞的代谢网络和代谢通量分布。 3.对遗传改造后细胞的生理特征、细胞代谢进行详细分析，从而决定是否进行新一轮代谢工程操作。 1全文共87页，当前为第71页。 早期的代谢工程技术用于改善工业微生物发酵最成功的范例之一是纤维素乙醇生产。Ingram 研究组分析了大肠杆菌中乙醇产生的代谢网络，确定了NADH·H+和丙酮酸的供给是乙醇合成的关键节点；通过扩增运动单胞菌Zymomonas mobilis中的丙酮酸脱羧酶(PDC)和乙醇脱氢酶(AD)，将碳代谢通量几乎都用于乙醇的生物合成，从而使乙醇发酵产率达到95%以上。 1全文共87页，当前为第72页。 The coding regions for the pyruvate decarboxylase gene (pdc), the alcohol dehydrogenase II gene (adh). 1全文共87页，当前为第73页。 早期代谢工程用于改善工业微生物发酵最成功的另一个范例是氨基酸发酵工业。Stephanopoulos研究小组分析了生产苏氨酸的Corynebacterium lactofermentum的代谢网络，确定天冬氨酸半醛是苏氨酸合成的关键节点。通过扩增表达反馈抑制不敏感的高丝氨酸脱氢酶(HD)和野生型高丝氨酸激酶(HK)，可以将大部分从天冬氨酸半醛流往赖氨酸合成的代谢通量转入高丝氨酸和苏氨酸合成，进一步提升高丝氨酸激酶对高丝氨酸脱氢酶的比例，可以减少高丝氨酸的积累，使更多的代谢通量转入苏氨酸合成，从而使苏氨酸的终浓度提高120%。 1全文共87页，当前为第74页。 代谢工程的策略也大大提高了其他重要氨基酸的发酵生产能力， 如谷氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等。 1全文共87页，当前为第75页。 虽然代谢工程在改造某些微生物提高其发酵性能中取得了很大的成功，但是早期的相当一部分改造并没能取得预期的效果。最主要的原因是人们对大部分微生物的生理遗传背景、酶反应特性、代谢网络结构的了解还不是很透彻。 衰减子(attenuator )的改造也是氨基酸菌株改造的重要内容。 1全文共87页，当前为第76页。 1.高通量组学分析技术(High-throughput omics analysis) 各种高通量组学分析技术的发展大大提高了系统分析微生物代谢功能的能力，尤其是提高了反向代谢工程中(Inverse metabolic engineering)分析鉴定特殊表型遗传机制的能力。 ①比较基因组学：直接对比分析微生物基因组序列的技术。通过对具有特殊表型的突变菌进行全基因组测序并和野生