代谢工程在芳香族化合物微生物降解研究中的应用.doc

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1、代谢工程在芳香族化合物微生物降解研究中的应用摘要：芳香族化合物是一类对环境危害极大的污染物。利用微生物降解此类污染物具有广泛的应用前景，综述了国内外的代谢工程在芳香族化合物的生物降解中的应用研究进展，表明生物修复技术是芳香族化合物污染环境治理最有前景的手段。关键词：芳香族化合物代谢工程基因质粒　　工业技术的迅猛发展，给人类社会带来了高度的物质文明，但也带来了许多负面效应，尤其是对人类生存环境造成的危害。芳香族化合物是一类广泛存在于自然环境中的化学物质，性质稳定，具有很大的毒性和致癌、致突变作用，而且一般都有较好的脂溶性，可以在人体和动物的脂肪组织内积蓄，从而造成长期的危害。人工合成的

2、芳香族化合物在利用时不可避免的泄漏到环境中造成严重的环境污染，尽管人们已经认识到了问题的严重性，这一问题仍呈上升的趋势[1]。　　微生物降解环境污染物由于投资少、占地小又不需特殊设备而成为最有前途的治理环境污染的方法。但微生物细胞在代谢繁殖过程中，经济合理地利用和合成自身所需的各种物质和能量，这种固有的代谢网络相对实际应用而言其遗传特性并非最佳,所以有必要对细胞的代谢途径进行有目的的改造。　　1代谢工程　　代谢工程的基本理论和应用就是在这一背景下发展起来的。1991年Bailey[2]在“Science”上发表了一篇重要的综述文章“TowardaScienceofMetabolicE

3、ngineering”，标志着代谢工程作为一门新学科的诞生。十多年来，代谢工程的理论和应用迅速发展。1995年Bailey[3]又发表了“ChemicalEngineeringofCellularProcesses”的长篇文章，详细讨论了生物网络工程及代谢工程。1996年召开了第一次国际代谢工程会议(ME-I)。此后，国际代谢工程会议定期两年举行一次。1998年出版了国际上第一部代谢工程教科书：“MetabolicEngineering:PrinciplesandMethodologies”[4]。1999年出版了“MetabolicEngineering”[5]专著。近几年的主要研

4、究进展可参见“CurrentOpinioninBiotechnology”等综述性刊物及其他一些刊物上的综述文章，例如：用代谢工程改进染料生产及使用[6]；乳酸菌的代谢工程[7,8]；工业微生物过程的代谢途径工程—8进化、组合生物合成及合理设计[9]；利用基因组学进行反向代谢工程[10]；代谢通量分析进展[11]。十多年的实践表明：代谢工程已经成为化学反应工程的一个新的前沿，代谢工程的应用范围及作用正在不断扩大，已经成为菌种改进的平台技术。我国的代谢工程研究也已展开，国家基金委及科技部资助的一些代谢工程研究项目或部分涉及代谢工程内容的项目正在进行。但总的说来，无论是政府及企业的投入、

5、还是研究队伍及研究水平等方面看，我国代谢工程的总体研究水平及应用均与国际先进水平有较大差距。　　代谢工程是一门利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络、并通过DNA重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰，进而完成细胞特性改造的应用性学科。其核心内容是对细胞代谢网络进行功利性修饰，以更好地利用细胞代谢进行化学转化、能量转导和超分子组装，完成这一过程首先要对细胞的分解代谢和合成代谢中的多步级联反应进行合理设计，然后利用DNA重组技术强化和(或)灭活控制代谢途径的相关基因[12]。代谢工程把细胞的生化反应看作一个整体，假定细胞内的物质、能量处于一拟稳态，通过测定胞外物质浓度根据物料平衡计算细

6、胞内的代谢流，并针对细胞内外环境的不稳定性，揭示细胞代谢的动态变化规律。在此基础上，构建新的代谢途径，将具有特定目的的工程菌应用于实际操作。　　2代谢工程在芳香族化合物生物降解中的应用　　利用代谢工程，改变微生物细胞原有的代谢途径，提高其降解污染物的能力，对于控制和治理芳香族化合物的污染具有重要的意义。本文综述代谢工程在几类芳香族化合物生物降解中的应用。　　2.1苯及烷基取代苯的降解　　苯的降解主要是由苯双加氧酶攻击苯环，形成邻苯二酚，邻苯二酚进一步通过间位或邻位双加氧酶的作用而产生粘康酸半醛或粘康酸，之后被进一步降解。对于烷基取代苯，取代基团的存在使苯环的降解出现两种可能：先攻击苯

7、环或先攻击侧链。如果侧链很长，微生物就不会降解苯环，因为侧链的氧化已经足够提供生长的能量；而对于侧链较短的烷基取代苯，一般是通过加氧酶的作用，在2，3碳位上形成二酚，再由2，3-双加氧酶或1，2-双加氧酶将其开环裂解。其中，以甲苯降解酶系统的研究较多。降解途径如图1所示。　　　　图1甲苯的降解途径　　甲苯降解酶的基因位于质粒pWW0上，可利用不同类型的芳烃如甲苯、二甲苯作为唯一碳源和能源。质粒上的代谢基因组成两个操纵子，xylCBA编码降解甲苯和二甲苯为苯