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微生物学 章节十二：代谢工程

#微生物学 #代谢 #代谢工程 #工业

12.1 代谢工程概论

代谢工程：利用生物学原理，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

实质 对代谢流量及代谢控制进行定量分析，在此基础上进行代谢改造，最大限度地提高目的代谢产物的产率

代谢途径 将一组特定的流入和流出代谢物联系在一起的生化反应序列

代谢流（物流/通量） flux 代谢物经该途径转变为流出物的速率

代谢网络 由若干串联或并联的简单子途径组成，通过节点相连

12.2 代谢工程要解决的主要问题

【重点】

1. 提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量
2. 改造细胞现存代谢途径，使其积累新产物，这种新产物可以是中间代谢产物或修饰型的最终产物
3. 对不同细胞的代谢途径进行拟合，构建全新的代谢通路，从而产生细胞自身不能合成的新产物
4. 优化细胞的生物学特性，如生长速率、某些极端环境条件的耐受性

12.3 代谢工程研究的设计思路

1. 提高通向目标代谢产物的代谢流
   • 增强催化某反应的酶的表达量或活性，从而提高代谢流
   • 改变分支代谢途径流向
2. 扩展代谢途径
   • 通过基因工程手段引入外源基因等，使原有代谢途径进一步向前或向后延伸，从而可利用新的原料用于合成目标代谢产物或产生新的末端代谢产物
3. 构建新的代谢途径

12.4 代谢工程研究的基本程序

1. 改良靶点的确定
2. 基因操作
3. 效果分析

12.5 代谢工程的研究手段

12.5.1 检测技术

• 同位素标记示踪
• 酶促反应动力学分析方法
• 光谱学方法
• 生物传感器技术

12.5.2 分析技术

综合应用化学计量学、分子反应动力学、化学方程学的研究方法

• 稳态法
• 扰动法
• 组合法
• 代谢网络优化法

12.5.3 基因操作技术

• 几乎所有分子生物学和分子遗传学实验技术