1、系统生物催化的原理及应用系统生物催化的原理及应用欧 阳 平 凯南京工业大学2005.08.13现代化学工业面临重大的挑战n以石油等化石资源为源头的化学工业所面临的挑战在于化石资源日益枯竭n化石资源的市场价格上涨迅速，现代化学工业的原料成本猛增光合作用产生的光合作用产生的生物质循环生物质循环目前世界目前世界化石资源消耗化石资源消耗仅需使用小于仅需使用小于 10% 10% 生物质循环，生物质循环，即可替代化石资源即可替代化石资源95950 0亿吨亿吨 C C年年65 65 亿吨亿吨 C C年年现代化学工业面临的机遇 随着生物技术的发展，生物质资源的生产不断随着生物技术的发展，生物质资源的生产不断提
2、高提高例如n乙烯的生产 石化路线：以1吨原油加工0.6吨乙烯计算 6430元原料1吨乙烯副产品 生物路线：以5吨玉米加工1吨乙烯计算 6000元原料1吨乙烯副产品生物催化与转化已成为 发达国家的重要科技与产业发展战略 新的生物催化剂是新的生物催化剂是2121世纪可持续发展的化学加工业世纪可持续发展的化学加工业的必需工具。的必需工具。20202020年，通过生物催化技术，使化学加工年，通过生物催化技术，使化学加工业的原料、水资源、能量的消耗各降低业的原料、水资源、能量的消耗各降低3030，污染物的，污染物的排放和扩散也减少排放和扩散也减少3030。2020世纪世纪8080年代年代2020世纪世纪
3、9090年代年代2121世纪世纪生物医药生物医药 转基因植物转基因植物 生物催化生物催化生物技术的生物技术的三次浪潮三次浪潮存在的问题自发、分散、自发、分散、Case-by-case Case-by-case 的研究模式（周期平均的研究模式（周期平均2020年）年），效率低、周期长，效率低、周期长品种繁多的大量品种繁多的大量的酶，催化体系的酶，催化体系矛盾矛盾？传统模式传统模式工业化需要工业化需要问题分析一些重要而急需的人工一些重要而急需的人工转化体系还没有合适的转化体系还没有合适的菌种和酶。菌种和酶。( (酶活太低）酶活太低）构建快速高效构建快速高效的生物催化剂的生物催化剂的改造方法的改造方
4、法？难点与周期太长难点与周期太长生物催化剂改造的方法学基础理论问题基础理论问题新新来来源源基基因因与与酶酶! !可提高酶活可提高酶活数倍数万数倍数万倍倍提高酶活提高酶活5 53030，十分困难，十分困难问题分析 微生物与酶不适应工业环境微生物与酶不适应工业环境 产品浓度低，分离成本高产品浓度低，分离成本高建立高效率的高浓度建立高效率的高浓度生物催化反应体系生物催化反应体系! !？应用的成本问题应用的成本问题生物催化剂适应性原理生物系统催化的理论和方法系统生物催化的基础理论问题系统生物催化的基础理论问题必须从生物催化体系的必须从生物催化体系的全局全局进行研究进行研究应用系统生物学原理研究生物催化
5、反应体系生物催化剂生物催化剂微生物微生物- -来源来源分子设计分子设计- -改造改造环境环境生物反生物反应系统应系统适应性适应性介质工程介质工程系统生物学方法系统生物学系统生物学 面向系统的生物学研究n系统生物学从系统水平系统水平来理解生物学系统， 利用一系列的原理与方法学来研究分子行为与系统特性与功能的关系，通过计算生物学来 定量阐明和预测定量阐明和预测生物的功能、表型和行为。 1948年，控制论之父年，控制论之父Norbert Wiener提出生物提出生物系统和控制系统可以用同样的科学方法进行研究系统和控制系统可以用同样的科学方法进行研究20世纪世纪60年代生物化学系统理论（年代生物化学系
6、统理论（BST） 20世纪世纪70年代谢控制理论（年代谢控制理论（MCT）21世纪的系统生物学世纪的系统生物学稳态或拟稳态理论、模型的数据不充分分子生物学、基因组测序以及高通量测量技术的进展，使生物信息系统（BIS）的建立成为可能人类基因组计划人类基因组计划和各种组学技术和各种组学技术把生物学带入系把生物学带入系统科学的时代统科学的时代近几十年来发展最为近几十年来发展最为迅速的生物科学迅速的生物科学21世纪的生物学世纪的生物学分子水平，分子水平，系统生物系统生物学的基础学的基础整合性整合性的大科学的大科学分子生物学分子生物学系统生物学系统生物学系统生物学与分子生物学 分子生物学 与 系统生物学
7、还原主义还原主义将生物学还原到将生物学还原到分子水平分子水平 整体主义整体主义从从系统层次系统层次上理解生物系统上理解生物系统研究对象是研究对象是生物系统的组成部分生物系统的组成部分（个别基因、个别蛋白质个别基因、个别蛋白质）研究对象是研究对象是组成部分的相互作用或部分之间组成部分的相互作用或部分之间关系关系本质上就是信息本质上就是信息 侧重从实验中侧重从实验中获取数据获取数据实验实验数据的挖掘数据的挖掘（data mining）实验的深层次成果往往被忽视实验的深层次成果往往被忽视 获得深层次成果，获得深层次成果，理论创新理论创新 分子生物学 与 系统生物学系统生物学大科学工程n系统生物学，是
8、把孤立的在基因水平、蛋白水平的各种相互作用、各种代谢途径、调控途径等融合起来，用以说明 生物整体生物整体，高通量的组学实验平台构成了系统生物学的大科学工程大科学工程。 系统生物学的中心法则？基因组学转录组学蛋白质组学系统整合系统整合的法则的法则分子生物学理论分析与实验筛选的综合法则分子生物学理论分析与实验筛选的综合法则环境调控代谢组学生物系统学行为生物系统学行为或生物催化系统或生物催化系统的功能的功能 系统生物学将是系统生物学将是21世纪医学和生物学世纪医学和生物学的核心驱动力。的核心驱动力。Leroy Hood，人类基因组计划的发起人之一世界上第一个系统生物学研究所Institute for
9、 Systems Biology founded by Leroy Hood in 1999系统生物学全球发展热点n美国能源部2002年启动了21世纪系统生物学技术平台n麻省理工学院和哈佛大学成立了系统生物学研究机构n中国科学院生命科学研究所与上海交大于2003年联合成立了上海系统生物学研究所n德国、日本、韩国、新加坡、菲律宾等国成立了系统生物学研究机构系统生物学的技术平台n组学（Omics），基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学和计算机生物学等 产品产品 基因组学基因组学 转录组学转录组学蛋白质组学蛋白质组学Citrate Cycle代谢组学代谢组学 生化反应生化
10、反应系统生物学系统生物学整合性的研究方法模型模型模拟模拟预测预测数据数据实实 验验比比 较较建立建立/修改模型修改模型生物学知识生物学知识生物系统生物系统系统生物催化的研究模式生物催化体系生物催化体系实验数据群实验数据群 全局全局 量化量化网络系统网络系统 结构结构 功能功能 系统调控系统调控系统生物催化研究内容之一：一种新的生物催化剂的改造方法特定基因序列特定基因序列 结构与催化功能信息结构与催化功能信息 定点突变定点突变表达纯化表达纯化结构和活性表征结构和活性表征 稳定性、适应性信息稳定性、适应性信息 所需要的生物催化剂所需要的生物催化剂 yesyes循循环环 分分 子子 设设 计计 因特
11、网生物信息数据库因特网生物信息数据库生物催化剂理性分子设计示意图 特定基因特定基因反转录酶反转录酶/ /易错易错PCRPCR技术技术丰富的变种丰富的变种DNADNA文库文库（生物质谱）高通量筛选技术（生物质谱）高通量筛选技术高效生物催化剂高效生物催化剂循循环环正向突变基因正向突变基因生物催化剂快速定向进化示意图n稳定性n活性n有机溶液中的活性n不同的底物的利用n酸碱度n蛋白质的表达n亲和性 n专一性理性分子设计和定向进化的结合理性分子设计和定向进化的结合高效人工进化酶的构效关系高效人工进化酶的构效关系辅酶底物定向进化与理性分子定向进化与理性分子设计的结合策略设计的结合策略天冬氨酸转氨酶热稳定性
12、改造 实际应用举例酶与热稳定性有关功能区的确定利用生物信息学平台进行蛋白质合理设计应用DeepView（蛋白质结构预测软件）确立天冬氨酸转氨酶的热稳定性有关的功能区域突变基因文库的建立 引入随机引物，利用基因工程手段建立突变基因文库突变基因文库的筛选采用高通量筛选的技术平台对构建的突变菌库进行筛选 Compound LibraryUnique Compound in Each WellAssayTargetPlate ReaderSame Assay and Target in Each WellMother PlateDaughter PlateAssay Plate天冬氨酸转氨酶热稳定性的进化五轮筛选五轮筛选得到得到1212株菌株株菌株酶的热稳定性提高酶的热稳定性提高RR0.00.20.40.60.81.01.21.4012345678910 11 12未突变前未突变前酶的热稳定性酶的热稳定性* * 热稳定性定义为热稳定性定义为5555下放置下放置10min10min后酶活性与放置前酶活性的比值后酶活性与放置前酶活性的比值天冬氨酸转氨酶热稳定性的进化谢 谢 大 家！
