华东理工大学精品课程：《发酵原理》第一讲 代谢工程导读

代谢工程导读

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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。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 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

代谢工程的导读 1.代谢工程的酝酿 2.代谢流及其控制的的概念 3.代谢工程的两个组成部分 4.代谢工程的含义 5.代谢工程的应用 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 3 代谢工程的导读 1. 代谢工程的酝酿 2. 代谢流及其控制的的概念 3. 代谢工程的两个组成部分 4. 代谢工程的含义 5. 代谢工程的应用

1.代谢工程的酝酿 11半个多世纪生理与育种知识 的累积 1.2基因工程理论和技术的成熟 1.3代谢流定量分析技术的发展 14生化工程在线检测和建模方 法的发展 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 4 1.1 半个多世纪生理与育种知识 的累积 1.2 基因工程理论和技术的成熟 1.3 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 法的发展 1. 代谢工程的酝酿

11半个多世纪生理与育种知识的累积 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。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 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 精确变化,知之甚少 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 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。 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 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

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 的。“定向”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 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, 来推测途径及其控制的机制。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 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 某种定向的含义，但传统的诱变是随机 的。“定向”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 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， 来推测途径及其控制的机制

有人把这样的做法叫做“逆 metabolic engineering)vpg 行的代谢工程”( reverse ,“逆行 的代谢工程”为代谢网络的构建 和完善,以及代谢工程的进展提 供了大量的生理学和遗传学信息。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 7

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 7 有人把这样的做法叫做“逆 行的代谢工程”（reverse metabolic engineering）, “逆行 的代谢工程” 为代谢网络的构建 和完善，以及代谢工程的进展提 供了大量的生理学和遗传学信息

12基因工程理论和技术的成熟 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。 DNA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 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 建精心设计的遗传背景 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 8

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 8 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。 DNA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 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 建精心设计的遗传背景。 1.2 基因工程理论和技术的成熟

1.3代谢流定量分析技术的发展 代谢流量分析( metabolic flux analysis)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 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 的代谢中间产物的浓度,来推算代谢代 谢流量。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 9

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 9 1.3 代谢流定量分析技术的发展 代谢流量分析（metabolic flux analysis）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 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 的代谢中间产物的浓度，来推算代谢代 谢流量

这种分析方法的基础是拟稳态 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 变化速率为零。根据质量平衡,由 n个中间代谢物即可得到n个关于 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。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 10

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 10 这种分析方法的基础是拟稳态 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 变化速率为零。根据质量平衡，由 n 个中间代谢物即可得到 n 个关于 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