1、4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）2 研究代谢工程的就是为了能精确地处理好微生物细胞自身的利益与人类对微生物细胞提出的要求之间的对立与统一的关系。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）3代谢工程的导读代谢工程的导读1. 代谢工程的酝酿代谢工程的酝酿2. 代谢流及其控制的的概念代谢流及其控制的的概念3. 代谢工程的两个组成部分代谢工程的两个组成部分4. 代谢工程的含义代谢工程的含义5. 代谢工程的应用代谢工程的应用4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）41.1 半个多世纪生理与育种知识半个多世纪生理与育种知识的累积的累积1.2 基因工程理论和技术的成熟基因工程理论和技术的成熟1.
2、3 代谢流定量分析技术的发展代谢流定量分析技术的发展1.4 生化工程在线检测和建模方生化工程在线检测和建模方法的发展法的发展 1. 代谢工程的酝酿代谢工程的酝酿4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）5 用代谢途径操作的手段来改造微生物以用代谢途径操作的手段来改造微生物以获得期望的性质，这确实并不是新的观念。获得期望的性质，这确实并不是新的观念。在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都可以找到采用这个路子实现人类生产中，都可以找到采用这个路子实现人类理想的一些突出的例子。这些方法主要依赖理想的一些突出的例子。这些方法主要依赖于用化学诱变剂处理微生
3、物，并用进行设计于用化学诱变剂处理微生物，并用进行设计的筛选技术来检出已获得优良性状的突变株。的筛选技术来检出已获得优良性状的突变株。尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的效果，但人们对突变株的遗传和代谢性状的效果，但人们对突变株的遗传和代谢性状的精确变化，知之甚少。精确变化，知之甚少。1.1 半个多世纪生理与育种知识的累积半个多世纪生理与育种知识的累积4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）6 尽管在所有的菌种改良方案中都有尽管在所有的菌种改良方案中都有某种定向的含义，但传统的诱变是随机某种定向的含义，但传统的诱变是随机的。的。“定向定向”与随机诱变没
4、有直接关系。与随机诱变没有直接关系。 事实上，我们早就根据随机诱变后事实上，我们早就根据随机诱变后从突变株中筛得的高产突变株遗传标记，从突变株中筛得的高产突变株遗传标记，及这些突变株的优良性质的实验结果，及这些突变株的优良性质的实验结果，来推测途径及其控制的机制。来推测途径及其控制的机制。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）7 有人把这样的做法叫做有人把这样的做法叫做“逆逆行的代谢工程行的代谢工程”（reverse metabolic engineering）, “逆行的逆行的代谢工程代谢工程” 为代谢网络的构建和为代谢网络的构建和完善，以及代谢工程的进展提供完善，以及代谢工程的进展提供
5、了大量的生理学和遗传学信息。了大量的生理学和遗传学信息。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）8 二十多年来，基因工程的理论和二十多年来，基因工程的理论和DNA重组的分子生物学技术已成熟。重组的分子生物学技术已成熟。DNA重组的分子生物学技术的开发和重组的分子生物学技术的开发和应用，把代谢操作引进了一个新的层应用，把代谢操作引进了一个新的层面，人们已能对代谢途径的指定酶反面，人们已能对代谢途径的指定酶反应进行精确的修饰，因此，有可能构应进行精确的修饰，因此，有可能构建精心设计的遗传背景。建精心设计的遗传背景。 1.2 基因工程理论和技术的成熟基因工程理论和技术的成熟4/22/2022张星元
6、：发酵原理（讲座）91.3 代谢流定量分析技术的发展代谢流定量分析技术的发展 代谢流量分析（代谢流量分析（ metabolic flux analysis）是一种研究胞内代谢的方法，）是一种研究胞内代谢的方法，根据已有的代谢网络的信息建立胞内主根据已有的代谢网络的信息建立胞内主要反应的化学计量模型和胞内代谢产物要反应的化学计量模型和胞内代谢产物的质量平衡，以实际测得的分泌到胞外的质量平衡，以实际测得的分泌到胞外的代谢中间产物的浓度，来推算代谢代的代谢中间产物的浓度，来推算代谢代谢流量谢流量。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）10 这种分析方法的基础是拟稳态这种分析方法的基础是拟稳态假设
7、，即假设在产物形成速率最大假设，即假设在产物形成速率最大的阶段各种代谢中间物的胞内浓度的阶段各种代谢中间物的胞内浓度变化速率为零。根据质量平衡，由变化速率为零。根据质量平衡，由 n 个中间代谢物即可得到个中间代谢物即可得到 n 个关于个关于速率的方程，通过测定胞外代谢产速率的方程，通过测定胞外代谢产物的浓度，计算未知途径的流量。物的浓度，计算未知途径的流量。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）111.4 生化工程在线检测和建模方法的发展生化工程在线检测和建模方法的发展 色谱、质谱、红外等等在线检测色谱、质谱、红外等等在线检测手段，以及生物传感技术的发展，可为发手段，以及生物传感技术的发展
8、，可为发酵在线检测和反馈提供可靠的原始数据。酵在线检测和反馈提供可靠的原始数据。建模方法也有发展。建模方法也有发展。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）12 代谢流的概念本身实际上并不是新代谢流的概念本身实际上并不是新的概念。代谢流及其控制引起生化研究的概念。代谢流及其控制引起生化研究人员中的少数先知的注意，大约已有人员中的少数先知的注意，大约已有30多年历史了。作为他们工作的结果，代多年历史了。作为他们工作的结果，代谢控制的观念成熟了，并且被严格的定谢控制的观念成熟了，并且被严格的定义了，尽管这些观念并不是始终被传统义了，尽管这些观念并不是始终被传统的生物学家广泛地接受。的生物学家广泛
9、地接受。 2 代谢流及其控制的的概念代谢流及其控制的的概念4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）13 代谢工程最初仅仅被设想为特定代谢工程最初仅仅被设想为特定的途径操作（在生物化学、生理学、的途径操作（在生物化学、生理学、遗传学的领域）。后来，遗传学的领域）。后来，发酵工程师发酵工程师们惊喜地发现利用代谢流控制分析这们惊喜地发现利用代谢流控制分析这个有效的平台，可以向工业发酵过程个有效的平台，可以向工业发酵过程导入严密性；并把它变成了发酵工程导入严密性；并把它变成了发酵工程的领域工程数据分析的输出端。的领域工程数据分析的输出端。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）14 尽管代谢和细胞
10、生理学可为反应途尽管代谢和细胞生理学可为反应途径的分析提供主要的背景知识；还应该径的分析提供主要的背景知识；还应该指出，代谢流量测定和控制的结果具有指出，代谢流量测定和控制的结果具有广阔的适用范围和实际应用前景。因而，广阔的适用范围和实际应用前景。因而，除了要分析代谢途径上的物质流和能量除了要分析代谢途径上的物质流和能量流，代谢工程的概念同样可以应用于将流，代谢工程的概念同样可以应用于将来信号传感途径的信息流的分析（目前来信号传感途径的信息流的分析（目前对于信息流尚未很好地定义）。对于信息流尚未很好地定义）。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）15 3 代谢工程的两个组成部分代谢工程的两
11、个组成部分3.1 “分析分析” 部分部分3.2 “综合综合” 部分部分4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）16 因为代谢工程借助于因为代谢工程借助于 DNA 重组技术而作为一种启用技术而重组技术而作为一种启用技术而出现，所以出现，所以一开始人们就把注意一开始人们就把注意力放在这个领域的综合方面力放在这个领域的综合方面：新：新的基因在不同寄主中的表达，内的基因在不同寄主中的表达，内酶的扩增，基因的删除，酶活力酶的扩增，基因的删除，酶活力修饰，转录的解调或酶的解调等。修饰，转录的解调或酶的解调等。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）17 这样所谓的代谢工程，这样所谓的代谢工程，在相当程
12、度上仅仅是应用分在相当程度上仅仅是应用分子生物学技术表现形式，几子生物学技术表现形式，几乎没有工程的内容，因此从乎没有工程的内容，因此从生物过程的角度来衡量，生物过程的角度来衡量，并并不是够格的代谢工程不是够格的代谢工程。 4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）18 与所有传统的工程领域一与所有传统的工程领域一样，代谢工程也包含样，代谢工程也包含 “ 分析分析 ” 和和 “ 综合综合 ” 两个规定的步骤。两个规定的步骤。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）19 重要的工程内容存在重要的工程内容存在于代谢工程的分析方面，于代谢工程的分析方面，例如：例如：3.1 “分析分析” 部分部分4
13、/22/2022张星元：发酵原理（讲座）20怎样推算特定代谢流量等生理状态参数？怎样推算特定代谢流量等生理状态参数？ 怎样用这些信息解释代谢网络的控制结怎样用这些信息解释代谢网络的控制结构（体系），进而提出达到某个目标的合构（体系），进而提出达到某个目标的合乎道理的修饰位点？乎道理的修饰位点？ 怎样进一步估计测定这些遗传修饰和酶怎样进一步估计测定这些遗传修饰和酶的修饰的真实的生化效果，以便进行下一的修饰的真实的生化效果，以便进行下一轮的途径修饰，直到达到目的？轮的途径修饰，直到达到目的？能不能提出一个合理的方法以确定代谢能不能提出一个合理的方法以确定代谢修饰的最有希望的靶位？修饰的最有希望的靶
14、位？ ？4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）21 综合部分包括以分子生物综合部分包括以分子生物学方法进行的综合实验：设计学方法进行的综合实验：设计育种方案的制定，新的基因的育种方案的制定，新的基因的导入和在寄主细胞中的表达，导入和在寄主细胞中的表达，内酶的扩增，基因的删除，酶内酶的扩增，基因的删除，酶活力修饰，转录的解调或酶的活力修饰，转录的解调或酶的解调等解调等。3.2 “综合综合” 部分部分4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）22 在综合方面，代谢工程的另在综合方面，代谢工程的另一个不同寻常的特征是代谢途径一个不同寻常的特征是代谢途径的的“集成集成”，而往往不是单个反，而往往不
15、是单个反应的导入。这样，代谢工程研究应的导入。这样，代谢工程研究的是整个代谢网络，涉及到途径的是整个代谢网络，涉及到途径分析和热动力学可能性，途径流分析和热动力学可能性，途径流量及其控制。量及其控制。 4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）23 我们研究的出发点我们研究的出发点正在经历从单个酶反应正在经历从单个酶反应向相互影响的生化反应向相互影响的生化反应体系转变。体系转变。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）24 通过对整个反应体系而不通过对整个反应体系而不是一个个孤立的反应的考察就是一个个孤立的反应的考察就有可能获得关于代谢和细胞功有可能获得关于代谢和细胞功能的更全面的认识，在这
16、个的能的更全面的认识，在这个的意义上意义上 “ 代谢网络代谢网络 ” 的观念的观念是最为重要的。是最为重要的。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）25 因此，代谢工程使用来自因此，代谢工程使用来自还原论者的大量的信息和研究还原论者的大量的信息和研究技术，来进行设计和综合。而技术，来进行设计和综合。而关于整个体系的运转状态的观关于整个体系的运转状态的观察（工程数据采集），对于进察（工程数据采集），对于进一步的合理的分析来说，又是一步的合理的分析来说，又是最好的指导。最好的指导。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）26 代谢工程让人们把注意力代谢工程让人们把注意力转向代谢网络的整个体系
17、而不转向代谢网络的整个体系而不是其组成部分。这个转向说明是其组成部分。这个转向说明基因工程已在总结经验和教训基因工程已在总结经验和教训中走向成熟。中走向成熟。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）27 4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）28 4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）29 4 代谢工程的含义代谢工程的含义 DNA重组技术刚进入可行阶段不久，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。如分的途径修饰方面的潜在应用的术语。如分子育种（子育种（ 1981年），体外进化（年），体外进化（
18、1988年），年），微生物工程或代谢途径工程（微生物工程或代谢途径工程（1988 1991年），细胞工程（年），细胞工程（ 1991 年年 ）和）和 代谢工程代谢工程（1991年），尽管不同的作者提出不完全年），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或递进的含义。程的总目标和手段相似或递进的含义。 4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）30 几十年来我们一直是用物理几十年来我们一直是用物理或化学诱变来改变微生物的遗传或化学诱变来改变微生物的遗传特性。特性。通过传统的诱变和筛选，通过传统的诱变和筛选，成功开发了大量
19、的生产抗生素和成功开发了大量的生产抗生素和氨基酸的菌种。在已知代谢途径氨基酸的菌种。在已知代谢途径的基础上，采用了一些精心设计的基础上，采用了一些精心设计的筛选方法，但是整体上这个方的筛选方法，但是整体上这个方法还仅仅是一种法还仅仅是一种 “ 试差法试差法 ” 。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）31 DNA 重组技术的出现使人类重组技术的出现使人类的许多美好理想有可能成为现实。的许多美好理想有可能成为现实。用目标明确的遗传修饰替代传统的用目标明确的遗传修饰替代传统的暗箱操作去改变代谢途径，已取得暗箱操作去改变代谢途径，已取得可喜的成绩。发酵工程和微生物代可喜的成绩。发酵工程和微生物代
20、谢流的分析提供的信息，又可以校谢流的分析提供的信息，又可以校正遗传修饰的精度，从而更进一步正遗传修饰的精度，从而更进一步逼近预定目标。逼近预定目标。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）32 代谢工程最初被定义为：代谢工程最初被定义为：用用 DNA 重组技术修饰特定的重组技术修饰特定的生化反应或引进新的生化反应，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直接改善产物的形成和细胞的性能的学科。性能的学科。 4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）33 这样定义的代谢工程的基本特征是这样定义的代谢工程的基本特征是工作目标的确切性工作目标的确切性。也就是说，先要找。也就是说，先要找
21、到要进行修饰或要引进的目标生化反应，到要进行修饰或要引进的目标生化反应，一旦找准了目标，就用已建立的一旦找准了目标，就用已建立的分子生分子生物学技术物学技术去扩增、去抑制或删除、去传去扩增、去抑制或删除、去传递相应的基因或酶，或者解除对相应的递相应的基因或酶，或者解除对相应的基因或酶调节，而基因或酶调节，而广义的广义的DNA重组重组只是只是常规地应用于不同步骤中，以便于达到常规地应用于不同步骤中，以便于达到这些目标。这些目标。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）34 也有人这样给代谢工程下定义：也有人这样给代谢工程下定义：通过使用通过使用 DNA 重组和分子生物学技重组和分子生物学技术，
22、对代谢途径进行修饰和（或）引术，对代谢途径进行修饰和（或）引进缺失，从而改变细胞的新陈代谢作进缺失，从而改变细胞的新陈代谢作用和（或）细胞特性的生物工程的分用和（或）细胞特性的生物工程的分支。这样的定义尽管强调了代谢工程支。这样的定义尽管强调了代谢工程目标的确切性，但目标的确切性，但仍不能包容代谢工仍不能包容代谢工程的工程分析方面的内容，仍不能做程的工程分析方面的内容，仍不能做到到 “分析分析”和和“综合综合”的有机结合。的有机结合。 4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）35 应该根据代谢工程的应该根据代谢工程的生物学和工程学实质来规生物学和工程学实质来规范代谢工程的内涵，给代范代谢工程
23、的内涵，给代谢工程下定义。谢工程下定义。4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）364/22/2022张星元：发酵原理（讲座）37 提高目的产物的产量及其对主提高目的产物的产量及其对主要原料的转化率，要原料的转化率， 扩大细胞可扩大细胞可利用基质（原料）的范围，利用基质（原料）的范围， 扩扩大细胞生物合成的范围，大细胞生物合成的范围， 改善改善工业生产中细胞的形态和生理性工业生产中细胞的形态和生理性能，能，调整细胞合成、分泌不同调整细胞合成、分泌不同代谢产物的产量分布，代谢产物的产量分布，5 代谢工程的应用代谢工程的应用4/22/2022张星元：发酵原理（讲座）38 研究和完善微生物代谢及代研究和完善微生物代谢及代谢调节的知识，谢调节的知识， 生物制药方生物制药方面的应用，面的应用， 环境净化方面的环境净化方面的应用，应用， 酶制剂、微生物多肽酶制剂、微生物多肽制品的进一步开发，制品的进一步开发， 用微生用微生物生产动植物异源蛋白。物生产动植物异源蛋白。
