《代谢途径总结》word版

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1、一、我国工业生物技术发展面临的主要问题我国是生物制造大国我国不是生物制造强国工业生产菌种的知识产权保护体系尚未建立具体问题：工业生产菌种的技术水平较差产品浓度低，造成能耗高、废水排放量大具体问题：发酵工艺落后二、代谢途径工程的研究内容1工业微生物基因组测序与功能基因组分析2微生物基因组规模代谢网络重构与模型量化分析3工业微生物基因组的理性设计4基因组多位点快速进化5基因组规模的全局扰动6基因组删减优化(最小基因组)7人工合成基因组8大规模生化反应的胞外重构三、代谢途径工程的发展历史代谢工程的最早实例(1974

2、)1974年，Chakrabarty在假单孢菌P.putide和P.aeruginosa中分别引入几个稳定的重组质粒，增加了两者对樟脑和萘的降解催化活性。这是代谢工程的第一个应用实例，标志着代谢工程作为一门学科的诞生。代谢工程作为一个专门学科的出现(1991)早期代谢工程最为成功的实例(1992)代谢工程发展-19961996年在美国召开了第一届代谢工程大会，美国Mendes教授和Kel教授在大会上做了题为“代谢工程——让细胞为人类工作”的报告，进一步确立了代谢工程的地位与研究方向。反向代谢工程——1996先

3、用诱变等手段改变某个表型，再根据导致这个表型变化的基因，进一步强化目标表型。是现代基于系统生物学的代谢途径工程思想的来源。代谢工程发展-1998代谢工程发展-1999进化代谢工程——2001利用适应性进化(AdaptiveEvolution)有效提高微生物发酵生产速率、产率和终浓度的技术。系统代谢工程——2005传统代谢工程只是对局部的代谢网络进行分析以及对局部的代谢途径进行改造。由于没有从全局的角度去分析改造细胞,所以具有很大的局限性。高通量组学分析技术和基因组水平代谢网络模型构建等系统生物学技术能够从系统

4、水平上分析细胞的代谢功能。将这些系统生物学技术和传统代谢工程以及下游发酵工艺优化相互结合,进一步提出系统代谢工程的概念。合成生物学——2008合成生物学是以工程学理论为依据，设计和合成新的生物元件,或是设计改造已经存在的生物系统。这些设计和合成的核心元件(如酶、基因电路、代谢途径等)具有特定的操作标准；小分子生物元件可以组装成大的整合系统,从而解决各种特殊问题。四、代谢途径工程技术近期发展趋势传统代谢工程技术日趋成熟大量传统工业微生物的代谢工程升级：传统工业微生物向少数工业微生物的聚集：非微生物合成的产物改由

5、微生物生产改造的复杂性和设计的精确性：复杂代谢工程已成为重要的技术发展趋势系统生物学飞速发展促进生物体设计改造日渐成熟合成生物学的发展促进生物模块的标准化对DNA操作能力的进化：量变-质变1.系统生物学与工业生物技术组学技术(X-omics)超快基因组测序技术基于基因芯片的转录组学分析基于二维电泳和MALDI-TOF的蛋白质组学技术基于色谱分离和质谱鉴定技术的代谢物组学基于同位素技术的代谢通量组学系统生物学与工业生物技术2.合成生物学与工业生物技术End代谢途径工程(MetabolicPathwayEngin

6、eering)第二章细胞代谢的生物化学基础本章主要内容一.工业生物技术中亟待解决的技术问题二.微生物合成特定产物的生物化学基础三.微生物的初级代谢四.微生物的次级代谢(略)五.非微生物来源天然产物的合成代谢一.工业生物技术中亟待解决的技术问题1目标产物产量的进一步提高——高产量2副产物含量的降低/消除——高转化率3尽可能短的时间内完成发酵过程——高生产强度4异源蛋白的高效合成与理性修饰5合成微生物原来不能合成的物质5合成微生物原来不来合成的物质6扩展底物利用范围非常规底物的耐受性问题高分子量底物的分解(蛋白质

7、、多糖、脂类)底物的修饰——磷酸化过程吸收过程所需转运蛋白降解所需要的转运蛋白降解中间产物的耐受性问题高效降解所需的额外能量供给非常规底物降解的辅因子/氧化还原平衡问题7对极端环境的耐受性——更酸/更碱对于有机酸而言，更低的最适发酵pH值，意味着更少的中和剂的添加和产物分离过程中更少的强酸的消耗；对于碱性条件下稳定的产物(各种pKa偏碱性的蛋白，生物碱等)而言，更碱的pH值意味着更稳定的发酵产量。8对极端环境的耐受性——更高/更低温度更高的发酵温度意味着更少的冷却水消耗；更低的贮藏温度耐受性，意味着更长的贮藏

8、周期(乳酸菌、芽孢杆菌等活菌制剂)。9对极端环境的耐受性——高浓度有机溶剂高浓度有机溶剂可以破坏细胞膜组分，从而造成细胞的死亡。对高浓度有机溶剂的耐受，可以显著提高微生物积累丙酮、丁醇等有机溶剂的效率和最终产量。二.微生物合成特定产物的生物化学基础1.细胞组分细胞生长的表征方法测定总细胞体积测定细胞数(OD)测定细胞干重测定细胞湿重测定细胞有机物干重2.大分子底物的降解3.底物/产物的运输过程细胞膜