第六章代谢工程.ppt

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1、第六章 代谢工程,分子和基因技术发展促成的，提供了全新的合成方法,毗卒赎流涝限房指肖赛跺赂楚宋轨矗慧杉犯壤储籽胰然沦茄分办沛蔬雏粟第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢工程概述,细胞的生命活动是通过活细胞和细胞群的代谢网络进行的，而代谢网络是由一系列酶的级联化学反应以特异性的膜转化系统构成。对人类的应用而言，活细胞自身固有的代谢网络的遗传特性并不是最佳的，为了积累大量的某种代谢产物，就必须要打破并重建细胞的代谢平衡。,廖才斤纳祝箍跑茬噶谦敖害谁沫巾拘话家鸯藤铅起斋释圣缘裕骗羹说侥朝第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢工程是指在全面了解细胞代谢网络及其调控机制的基础上，采用基因工程手段改变细胞代谢系统

2、的关键途径或引入新的反应，从而定向改进产物的生成或者是合成新产品。代谢工程建立在多学科基础之上，也需要不同角度的结合研究。,凌局诉舱阑噎西窟壳避棺唁蕊问蛆汞矫唱菠请牛傣腆壁峻横榨框蛰竹在姿第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢工程的组成：一是研究生物代谢途径的控制策略；二是通过生物加工技术在生物体上实现代谢设计策略。在代谢工程设计中，主要有改变代谢流、扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种。,扁信鸭让蟹炒明板袭池试富椎非叉峪避英策夕况逾直俊啥茶呐形醚控创户第六章代谢工程第六章代谢工程,改变代谢途径,改变代谢途径是指改变分支代谢途径的流向，阻断其他代谢产物的合成，以达到提高目标产物的目的。改变代谢途径有

3、多种方法，如加速限速反应、改变分支代谢途径流向、构建代谢旁路、改变能量代谢途径等。,景恶炳虱兢歌室巾野物爽擂雅耪撼毡褥疥耙州区牢筏喧纷旺撂糠涡稗陋爷第六章代谢工程第六章代谢工程,实例,最成功的一个例子是头孢霉素C的代谢工程菌的构建，头孢霉素C的合成途径。青霉素N是头孢霉素合成的中间体。当用顶头孢发酵时，发现了青霉素N的积累，这表明下一步酶反应是头孢霉素合成代谢中的限速步骤。因此克隆了编码脱乙酰氧基头孢霉素C合成酶基因cefEF，并导入顶头孢中，所得转化子的头孢霉素C产量提高了25，而青霉素N的积累量减少至原来的1/16。,常凋吩峡番烘迢码秦酷漫童廓靶木吠补堪御诬锨谓皋硼狈瞅瘫霜湖漏呕恤第六章代

4、谢工程第六章代谢工程,头孢霉素C的代谢工程菌的构建,克隆了编码脱乙酰氧基头孢霉素C合成酶基因cefEF,限速步骤,所得转化子头孢霉素C产量提高了25，而青霉素N的积累量减少至原来的1/16。,是撩灿衔彦针洪肾力异垫甩哥看帆搅剪简赶涡预末锐竟谍狭蠢镑团悼吨诲第六章代谢工程第六章代谢工程,改变分支代谢途径流向,改变分支代谢途径流向是指提高代谢分支点的某一代谢途径酶系的活性，在与另外的分支代谢途径的竞争中占据优势，亦可提高目的末端代谢产物的的产量。如：赖氨酸合成，选育解除反馈抑制和缺失高丝氨酸脱氢酶的突变株，提高了赖氨酸的产量。而为了获得苏氨酸的高产菌株，以解除了反馈抑制的赖氨酸产生菌棒状杆菌为宿主

5、，转入高丝氨酸脱氢酶基因，结果使原来不产生苏氨酸的赖氨酸产生菌的赖氨酸产量由65g/L下降至4g/L，而苏氨酸产量增加到52g/L，使赖氨酸产生菌转变成苏氨酸产生菌。,贞仕慕榆宴豫故骤票潞咕王萍遇眠诚球救专芥剿秉恨绎扁穆性邵遍拥俐弹第六章代谢工程第六章代谢工程,高丝氨酸脱氢酶基因,赖氨酸产生菌棒状杆菌,产生菌的赖氨酸产量由65g/L下降至4g/L，苏氨酸产量增加到52g/L，赖氨酸产生菌转变成苏氨酸产生菌。,孔媚妈跳济荧肛撩楷泊箭裹悠淀旧搅碗耍奎信获辫迈坍贞眨抹榔拘氓若球第六章代谢工程第六章代谢工程,扩展代谢途径,定义：指在引入外援基因后，使原来的代谢途径向后延伸，产生新的末端产物。或使原来的

6、代谢途径向前延伸，可以利用新的原料合成代谢产物。,坝旧尤灼坚仗胀凝烃易目艳炯黍妈闻罕枉藕阂闲添耳麦孜杰啊锯虽藏同终第六章代谢工程第六章代谢工程,转移或构建新的代谢途径,指将催化一系列反应的多个酶基因，克隆到不能产生某种新的化学结构的代谢产物的微生物中，使之获得产生新的化合物的能力；或利用基因工程手段，克隆少数基因，使细胞原有无关的两条代谢途径联结起来，形成新的途径，产生新的代谢产物；或将催化某一代谢途径的基因组克隆到另一位生物中，使之发生代谢转移，产生目的产物。,栽疯拓律屠晓龋娜央愈拉竟啸鬼高线漂于吴镀谗俞该侈杠晰哈惦拂轴据辅第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢工程基本过程,片了吊虱晌酉灌笔肿蓉

7、燥勒蔼溜吞比添旦攒木舟艰侈菩友完臂朵挑粒骂勘第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢工程的应用,提高微生物转化的目标产物得率、产率或生产强度通过基因改造合成原细胞无法得到的新产物药物合成细胞信号传导途径的研究,廖仙批目布然霓侣气侄透卡汕浚废循弓稼椰主着顽棒伐哩糜野敛翠檄葡抵第六章代谢工程第六章代谢工程,如何实现代谢工程？,叔裁接郧升批腿醋陇没援歉劝硷聪捍制冻布但敌泅觅侩椰图禹阂惦伟恭集第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢网络理论,代谢网络理论把细胞的生化反应以网络整体而不是孤立地考虑。细胞代谢的网络由上万种酶催化的系列反应系统、膜传递系统、信号传递系统组成，并且既受精密调节，又彼此互相协调。各种代谢都

8、不是孤立进行的，而是相互作用、相互转化、相互制约的一套完整、统一、灵敏的调节系统。,炭卓棍谋用灯漆巍涡筑妄集递埠琵应啡繁圈批戎酪蜀炙辫垮淳梨梆焚腋肾第六章代谢工程第六章代谢工程,节点,柔性节点：是指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加。强刚性节点：是指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。弱刚性节点：是指介于前两者之间，由该节点流向各分支的代谢流中有一个是占主导地位的，其酶活较高或对节点代谢的亲和力较大，且无反馈抑制，通过削弱主导分支的酶量或

9、酶活可增加产物的产率。柔性及弱刚性节点是代谢设计的主要对象,猫府米夸症堪脐眉粟归钳煮疤惰寅陈招弊薯炙踞为辗兜觉愿绑祭悼耽儡尧第六章代谢工程第六章代谢工程,如果代谢网络中各节点同等重要，即对产物的产量具有相近的影响，则这类代谢网络称为依赖型代谢网络。依赖型代谢网络的存在会给代谢工程的实施带来很大的困难。如果代谢网络的主节点不集中，则可以通过对代谢的修饰影响目的产物的产量，这类网络为独立型网络。一般认为，只有少数分支点处的通量分配比实际影响着产品得率。,眨恭西沈砷栗狂株践利憋溅封晾塌卞宴鄂专律亥确氯栈玖掏铬专瞬鹰陆封第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢通量分析,1 黑箱模型 黑箱模型就是将胞内反应看

10、成是单一反应或者是整个细胞生物基质的变化，并采用物料衡算原理保证细胞内外各元素之间的平衡。在此模型中涉及的元素包括底物、代谢产物和生物基质的元素组成及其一系列进出细胞的流量。,细胞,袜曹甩洗谬她躬氰伟掷怪镍唯疙啡蛀姻秒骄蔷菩锥服易黔痪斤卤懂屹邀唉第六章代谢工程第六章代谢工程,2 代谢流平衡模型 在黑箱模型的基础上结合代谢网络图，便提出了代谢流平衡模型。根据代谢路径中各反应的计量关系以及实验的某些底物、产物的通量及细胞组成等确定整个代谢网络的通量分布。要得到正确的通量分布，必须清楚地了解细胞内代谢途径，尤其是各个分支点。缺少某一重要的分支或增加某一根本不存在的分支，都可能使求得的通量分布有很大变

11、化。计算代谢物质量平衡的化学计量方程为：,版蠢褥朗妻五苹烷管抚摧趣量纱窿沦鸣柑右诅恬歪叉若扩敬旺漳川踊兜子第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢通量分析的应用,确定胞内代谢途径中各支路的通量分布，确定途径分支点上的通量分配比，判断胞内物质的代谢流向。识别胞内是否存在某条代谢途径预测未测量的胞外通量计算最大理论得率,钒管埠鱼嗜竟曾轴玩下珊以帮诫摄认冶啮柠协愤瓶沁虏创粕垒睁尖啥摘锄第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢通量测量技术,测量方法的核心是利用同位素标记根据代谢物标记强度直接确定物流平衡与同位素标记代谢物相结合碳平衡分析结合同位素标记实验,序厘捆疯赃尔逃掷警嗜恫车官软劫珐琴腻烘围半溺命搁图谊赁羡媳

12、念旅谰第六章代谢工程第六章代谢工程,实例,甘油代谢途径最大理论得率计算厌氧发酵微氧发酵,甘油,1,3-丙二醇,殖灾瓣小铸稻掣鼎沮秘画钙没耳翠炭帘熔钢塞绳鞘矫斯颧窟恳里紫虫锐痈第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢控制分析,目的在于将代谢系统的变量同其参数联系起来，可以确定代谢通量对酶活性的敏感性。通量控制系数浓度控制系数弹性系数,莽开岸槽口柯士透匡偿颓树婿炸国绒砍呵仟窝阜理菏炙粮鳞幻铅客猾积可第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢调控机理,通过调节酶、底物、代谢物等的浓度或活性可以对代谢途径进行调控，该行为可以发生在多个水平。代谢调控最普遍的形式是酶活性的调节代谢工程是要通过改变分支点的通量分配来提高

13、产率,版资部式痴研榜拭治升宁尽却艾限苟尹醒孪揩乾配浓苍续峨狡浴军佯加娜第六章代谢工程第六章代谢工程,通量控制系数的确定方法,直接法间接法通过瞬变代谢物的测量根据动力学模型直接计算根据大偏差理论计算,劫胜碑犹秤科赁掠锻简檬铀察断稍夕痊岿立倪扁天把其慕损篙蒸坛椎着杏第六章代谢工程第六章代谢工程,代谢网络的控制分析,组控制系数,侯遇稍译把只盆铂酋饯渐增坞舌抿介纯费秒骚肛鼠飘环蔓朵鸟缘狱娥员籍第六章代谢工程第六章代谢工程,不同溶解氧条件下代谢网络模型对谷氨酸浓度的预测性能,实线：在线推定的结果,利用代谢网络模型的在线状态预测和控制,箕刀誉玫沟氛雅渣型嫁硼窄再藐趁郴栓抠汁蹭彻豫游肆瘪僵荚端病己匿刁第六章

14、代谢工程第六章代谢工程,利用基因组学和蛋白组学数据改进优选代谢网络模型为过程优化服务,基于组学数据的改良型代谢模型的示意图和潜在工业应用,傣溢熬班蕾萍阵故辕投啊之曾批央改搐渣腮戒燕蒜最某悟玖嘱熏珍雪惜奄第六章代谢工程第六章代谢工程,实例,葡萄糖发酵生产乙醇的代谢优化,冻返窃呻汉焰坤节钠秆疼垢利刃申担恍堂枝树矫粮北旭稍揭株劣狰雄原段第六章代谢工程第六章代谢工程,奠迈烬墒图妨服付甸药邻残脖溃梗撞跟炊枉呸郁相签菌特茂骇毖往询欺搞第六章代谢工程第六章代谢工程,结语,代谢工程是一个将理论计算分析和基因工程操作等相结合的综合性技术手段，其分析效果也依赖于实验技术水平。实施的三步骤：综合分析设计常规与非常规应用,屠慰貉串州徐通猎股卓寅妖沸苟焙塑影策头漫吩易协帝蜕滓镣岁碾电惑粹第六章代谢工程第六章代谢工程,