1、第四节第四节 代谢网络和代谢网络和 联网问题联网问题2022-9-28 代谢网络假说是从目的产物假说发展代谢网络假说是从目的产物假说发展起来的。出于寻找发酵学的起来的。出于寻找发酵学的“元素周期元素周期表表”，用以预测工业发酵未来产品的良好，用以预测工业发酵未来产品的良好愿望，提出目的产物假说。目的产物假说愿望，提出目的产物假说。目的产物假说假想代谢网络上的任何化合物都有可能开假想代谢网络上的任何化合物都有可能开发为工业发酵的产品。那么，不在代谢网发为工业发酵的产品。那么，不在代谢网络上的化合物怎样与工业发酵建立关系呢？络上的化合物怎样与工业发酵建立关系呢？逆向思维激活了代谢网络延伸的思路：不
2、逆向思维激活了代谢网络延伸的思路：不在代谢网络上的化合物也可能与工业发酵在代谢网络上的化合物也可能与工业发酵发生关系，只要它们能与代谢网络联网。发生关系，只要它们能与代谢网络联网。2022-9-28 所谓联网，就是用化学或生物化学反应所谓联网，就是用化学或生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而使它与微生物的代谢建立联系。联网的设想使它与微生物的代谢建立联系。联网的设想促成了代谢网络的人为延伸。对于工业发酵促成了代谢网络的人为延伸。对于工业发酵来说，代谢网络的人为延伸意味着新原料和来说，代谢网络的人为延伸意味着新原料和新产品的开发，意味着工业发酵
3、的研究和开新产品的开发，意味着工业发酵的研究和开发的广阔空间。怎样才能实现联网呢？联网发的广阔空间。怎样才能实现联网呢？联网可以用化学或生物学方法（含可以用化学或生物学方法（含DNA重组技重组技术）来实现。广义的联网包含生命有机体之术）来实现。广义的联网包含生命有机体之间接力赛式的代谢联系。间接力赛式的代谢联系。2022-9-28 总而言之，已在代谢网络总而言之，已在代谢网络上，或者可以联网的化合物，上，或者可以联网的化合物，都可能被开发为工业发酵的产都可能被开发为工业发酵的产物或原料。这一点已得到了上物或原料。这一点已得到了上个世纪末叶的发酵工程和生物个世纪末叶的发酵工程和生物工程实践的支持
4、。工程实践的支持。2022-9-283.4.1 代谢网络代谢网络3.4.2 扩展发酵原料范围扩展发酵原料范围3.4.3 扩展发酵产品范围扩展发酵产品范围3.4.4 发酵新产品的开发发酵新产品的开发 2022-9-283.4.1 代谢网络代谢网络 2022-9-28 一系列按序进行的生物化学反应构成一系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径，生化反应途径按生物化学生化反应途径，生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络；若途径在活细胞规律汇成生化反应网络；若途径在活细胞里运行，则为代谢途径；代谢途径和输送里运行，则为代谢途径；代谢途径和输送系统相互间的接合，加上细胞内辅酶再生系统相互间的接合，
5、加上细胞内辅酶再生与回用的协调，形成横跨微生物活细胞内与回用的协调，形成横跨微生物活细胞内外的、可调节的、无尺度的代谢网络。外的、可调节的、无尺度的代谢网络。2022-9-28 从不同角度、不同层面分析微生物代谢，从不同角度、不同层面分析微生物代谢，可以发现有不同的代谢网络。本课程研究的可以发现有不同的代谢网络。本课程研究的主要是有机物（碳）酶和蛋白质层面上的代主要是有机物（碳）酶和蛋白质层面上的代谢网络。在研究这种代谢途径的过程中发现，谢网络。在研究这种代谢途径的过程中发现，对于兼性厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧对于兼性厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧时代谢网络有明显差异，而且在不同的培养时代
6、谢网络有明显差异，而且在不同的培养条件下生长与生存时，代谢网络也是有差异条件下生长与生存时，代谢网络也是有差异的。在某特定的条件下驯养微生物也许能唤的。在某特定的条件下驯养微生物也许能唤醒醒“沉睡的基因沉睡的基因”，使这些基因编码的酶或，使这些基因编码的酶或蛋白质参与代谢网络。蛋白质参与代谢网络。2022-9-28 在有氧生长与缺氧生存的条在有氧生长与缺氧生存的条件下，代谢网络的差异主要表现件下，代谢网络的差异主要表现在代谢网络中心板块的在代谢网络中心板块的TCA途径途径上。上。2022-9-283.4.1.1 有氧生长的代谢网络有氧生长的代谢网络2022-9-28 在供氧条件下，在供氧条件下
7、，TCA途径进行正途径进行正常的环式运行（常的环式运行（TCA环）。微生物依环）。微生物依靠有氧生长的代谢网络，合成细胞组靠有氧生长的代谢网络，合成细胞组成物质，高速地转化生成代谢能，最成物质，高速地转化生成代谢能，最终形成整个细胞，实现正常生长。在终形成整个细胞，实现正常生长。在以以TCA环为骨架的中心板块的基础上环为骨架的中心板块的基础上构件成有氧生长的代谢网络：构件成有氧生长的代谢网络：2022-9-28 2022-9-283.4.1.2 缺氧生存的代谢网络缺氧生存的代谢网络 2022-9-28 在缺氧条件下，在缺氧条件下，TCA途径的环式运行中途径的环式运行中断，断，TCA环变成在环变
8、成在OAA处发生分支的分叉处发生分支的分叉途 径，形 成 从途 径，形 成 从 O A A 出 发 的 经 苹 果 酸出 发 的 经 苹 果 酸（MLA）、）、延胡索酸（延胡索酸（FMA）到琥珀酸到琥珀酸（SCA）的的TCA途径还原支路和从途径还原支路和从OAA出出发的经柠檬酸（发的经柠檬酸（CTA）、）、异柠檬酸（异柠檬酸（ICA）到到-酮戊二酸（酮戊二酸（-KG）的的TCA途径氧化支途径氧化支路。在以路。在以TCA分叉途径为骨架的中心板块分叉途径为骨架的中心板块的基础上构建缺氧生存的代谢网络。下图的基础上构建缺氧生存的代谢网络。下图是兼性厌氧微生物在缺氧条件下发酵生成是兼性厌氧微生物在缺氧
9、条件下发酵生成能量代谢副产物的简略的示意图。能量代谢副产物的简略的示意图。2022-9-282022-9-283.4.2 扩展发酵原料范围扩展发酵原料范围2022-9-28 对绝大多数的微生物来说，形成对绝大多数的微生物来说，形成细胞的代谢途径基本相同，所以底物细胞的代谢途径基本相同，所以底物范围的扩展通常只要增加少量的化学范围的扩展通常只要增加少量的化学反应或酶反应步骤就可能实现。有时反应或酶反应步骤就可能实现。有时这些步骤还需与下游反应相兼容和协这些步骤还需与下游反应相兼容和协调。调。2022-9-283.4.2.1 用木糖生产乙醇的代谢途径用木糖生产乙醇的代谢途径3.4.2.2 降解淀粉
10、的微生物降解淀粉的微生物 2022-9-283.4.3 扩展发酵产品范围扩展发酵产品范围 2022-9-28 这是一个具有巨大潜力的领域，这是一个具有巨大潜力的领域，异源基因的合理表达能拓展宿主微异源基因的合理表达能拓展宿主微生物现有的代谢途径，以求过量合生物现有的代谢途径，以求过量合成已知的和新颖的具备优良化学、成已知的和新颖的具备优良化学、物理特性的化合物。这里主要介绍物理特性的化合物。这里主要介绍属于微生物的初级代谢产物和能量属于微生物的初级代谢产物和能量代谢副产物的工业发酵产品的扩展。代谢副产物的工业发酵产品的扩展。2022-9-283.4.3.1 维生素维生素3.4.3.2 生物聚合物生物聚合物 2022-9-283.4.4 发酵新产品的开发发酵新产品的开发 2022-9-283.4.4.1 戊糖戊糖:木糖醇木糖醇3.4.4.2 从甘油合成从甘油合成1,3-丙二醇的途径的丙二醇的途径的 导入导入2022-9-28
