代謝調(diào)節(jié)恢復(fù)

代謝調(diào)節(jié)恢復(fù)第1頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月但是，在工業(yè)生產(chǎn)中卻往往需要單一地積累某種產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的量又經(jīng)常是大大地超出了細(xì)胞正常生長(zhǎng)和代謝所需的范圍。

因此，要達(dá)到過(guò)量積累某種產(chǎn)品的目的，提高生產(chǎn)效率，就必須使原有的調(diào)節(jié)系統(tǒng)失去控制，在保證微生物適當(dāng)生存的條件下，建立起新的代謝方式，使微生物的代謝產(chǎn)物按照人們的意志積累。代謝反應(yīng)的協(xié)調(diào)是通過(guò)細(xì)胞自身的代謝調(diào)控系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞機(jī)能實(shí)行精細(xì)控制來(lái)達(dá)到的。對(duì)于生命過(guò)程來(lái)說(shuō)，代謝反應(yīng)的協(xié)調(diào)是必要的；第2頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、克服反饋抑制和反饋?zhàn)瓒舻恼{(diào)控反饋調(diào)節(jié)反饋抑制克服反饋調(diào)節(jié)，可從以下兩方面著手：

降低末端產(chǎn)物濃度應(yīng)用抗反饋突變株反饋?zhàn)瓒舻?頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、降低末端產(chǎn)物濃度1）營(yíng)養(yǎng)缺陷型的利用

營(yíng)養(yǎng)缺陷型是指原菌株因基因突變致使合成途徑中斷，喪失了合成某種必須物質(zhì)的能力，而必須在培養(yǎng)基中加入相應(yīng)物質(zhì)才能正常生長(zhǎng)的突變菌株。第4頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株的代謝流受阻，末端產(chǎn)物減少，解除了末端產(chǎn)物參與的反饋調(diào)節(jié)，可使代謝途徑中的某一中間產(chǎn)物積累。第5頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ABCDEEaEbEcEd若要積累C，首先要獲得缺失酶c的營(yíng)養(yǎng)缺陷型。酶c缺失后，物質(zhì)C便不再轉(zhuǎn)變成物質(zhì)D，不再合成物質(zhì)E。由于這種突變體已不能合成末端產(chǎn)物E，所以就解除了E對(duì)酶a和酶b的反饋調(diào)節(jié)。反饋?zhàn)瓒舴答佉种艵c缺陷CA、利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型積累直鏈代謝途徑中間代謝產(chǎn)物第6頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

但是，完全不能合成產(chǎn)物E的突變體，因?yàn)椴荒芾肊去進(jìn)一步合成必須的細(xì)胞物質(zhì)，所以無(wú)法正常生長(zhǎng)。為了保證突變體的正常生長(zhǎng)，培養(yǎng)時(shí)須提供低濃度的、不足以引起反饋調(diào)節(jié)的物質(zhì)E。這樣高濃度的中間產(chǎn)物C就能積累起來(lái)了。例如：利用枯草桿菌的精氨酸缺陷型生產(chǎn)瓜氨酸，利用大腸桿菌的賴氨酸缺陷型生產(chǎn)蘇氨酸，都是這個(gè)道理。第7頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ABCDEFGHIJMNKL末端產(chǎn)物L(fēng)和N共同對(duì)酶a施以反饋;此外，L抑制酶J1，N抑制酶J2J1J2選用缺失酶J1的突變株，則L的合成受阻。L和N共同對(duì)酶a的反饋被解除。又由于酶J2還受到N的調(diào)節(jié)，只有少量的J能轉(zhuǎn)變成N，于是中間產(chǎn)物J大量積累。J1缺陷J

B、利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型積累分支代謝途徑中的中間產(chǎn)物第8頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月谷氨酸棒桿菌的IMP合成途徑和代謝調(diào)節(jié)工業(yè)上用谷氨酸棒桿菌的腺苷酸缺陷型生產(chǎn)肌苷酸（IMP）即是此例的應(yīng)用。第9頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在分支途徑中，如果減少某一末端產(chǎn)物的濃度，常?？梢苑e累另一末端產(chǎn)物。工業(yè)上應(yīng)用的重要例子是賴氨酸發(fā)酵C、利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型積累分支代謝途徑末端產(chǎn)物第10頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月C.glutamicum

的代謝調(diào)節(jié)與賴氨酸生產(chǎn)賴氨酸和蘇氨酸對(duì)天冬氨酸激酶有多價(jià)反饋?zhàn)饔锰於彼岢铣少嚢彼嵬?還作為合成蘇氨酸和蛋氨酸的原料選育高絲氨酸缺陷型作為賴氨酸的發(fā)酵菌種,該菌種不能合成高絲氨酸,也不能合成蘇氨酸和蛋氨酸,在補(bǔ)充適量高絲氨酸(或蘇氨酸和蛋氨酸)條件下,菌株能大量產(chǎn)生賴氨酸.第11頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容回顧葡萄糖效應(yīng)反饋調(diào)節(jié)能荷營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用第12頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）滲漏缺陷型的利用滲漏缺陷型----是一種特殊的營(yíng)養(yǎng)缺陷型，是遺傳性代謝障礙不完全的突變型。其特點(diǎn)是酶活力下降而不完全喪失，并能在基本培養(yǎng)基上少量生長(zhǎng)。

不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的末端產(chǎn)物，因而可以避開(kāi)反饋調(diào)節(jié)，但它又能合成微量的末端產(chǎn)物，用來(lái)進(jìn)行生物合成；在培養(yǎng)這種突變體時(shí)，可不必在培養(yǎng)基中添加相應(yīng)的物質(zhì)，就能積累所需的產(chǎn)物。第13頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月14滲漏缺陷型菌株的獲得方法：將大量營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株接種在基本培養(yǎng)基平板上，挑選生長(zhǎng)特別慢而小的菌落。滲漏缺陷型第14頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）提高細(xì)胞滲透性細(xì)胞內(nèi)合成的發(fā)酵產(chǎn)物若要分泌到培養(yǎng)基中，必須經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜和細(xì)胞壁。如果產(chǎn)物不易分泌出細(xì)胞，而積累在細(xì)胞內(nèi)，則會(huì)引起反饋調(diào)節(jié)。改變細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的通透性，使其有利于產(chǎn)物的分泌，也是降低末端產(chǎn)物濃度的一種途徑。第15頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月谷氨酸生產(chǎn)菌的細(xì)胞膜磷脂含量高時(shí)，細(xì)胞的通透性較差，磷脂含量低時(shí)，通透性較好。通常在培養(yǎng)基中添加一些控制因素，以達(dá)到影響細(xì)胞膜磷脂含量的目的。如可使用青霉素來(lái)使細(xì)胞壁的完整合成受阻。細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的通透性增大后，產(chǎn)物易于泄出，于是就降低了谷氨酸在細(xì)胞內(nèi)的積累。第16頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、抗反饋調(diào)節(jié)突變株的利用

在以積累末端產(chǎn)物為目的的發(fā)酵生產(chǎn)中，如果代謝途徑單一無(wú)分枝，往往不能選用營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株。要提高產(chǎn)量，最好采用抗反饋調(diào)節(jié)突變株。

抗反饋調(diào)節(jié)突變株是一種解除合成代謝反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的突變型菌株。其特點(diǎn)是所需產(chǎn)物不斷積累，不會(huì)因其濃度超量而終止生產(chǎn)。第17頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月18（1）、抗反饋調(diào)節(jié)作用突變株的篩選的方法分離耐反饋抑制或反饋?zhàn)瓒舻淖詈?jiǎn)便的方法是挑選所需化合物的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物。把經(jīng)誘變的細(xì)胞涂在含有這種抗代謝物的平板上，大多數(shù)細(xì)胞不能生長(zhǎng)，從中挑選出耐抗代調(diào)物的突變株。未加結(jié)構(gòu)類(lèi)似物加結(jié)構(gòu)類(lèi)似物篩選的機(jī)理？第18頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月19（2）、耐反饋?zhàn)饔玫耐蛔冎甑暮Y選原理終產(chǎn)物在正常情況下抑制或阻遏它自己的生物合成酶，但其本身也即被菌體利用。所以這種抑制是可逆的，結(jié)構(gòu)類(lèi)似物也能抑制或阻遏作用，但不能被菌體利用。在含有結(jié)構(gòu)類(lèi)的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，絕大多數(shù)細(xì)胞因缺少終產(chǎn)物而死亡，只有那些對(duì)結(jié)構(gòu)類(lèi)似物不敏感的突變株仍能合成終產(chǎn)物和長(zhǎng)成菌落。第19頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20酶的結(jié)構(gòu)起了變化(指耐反饋抑制的突變株)，改變了酶的合成系統(tǒng)(指耐反饋?zhàn)瓒舻耐蛔冎?。第20頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月21這種突變型就是一個(gè)抗反饋突變型。正常代謝最終產(chǎn)物由于與代謝拮抗物的結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，所以在這一突變型中也不與結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的變構(gòu)酶相結(jié)合。這樣，該突變型細(xì)胞中已經(jīng)有大量最終產(chǎn)物，但仍能繼續(xù)不斷地合成。正常的變構(gòu)酶突變的變構(gòu)酶a.變構(gòu)酶結(jié)構(gòu)基因發(fā)生突變,使變構(gòu)酶調(diào)節(jié)部位不再能與代謝拮抗物相結(jié)合，而其活性中心卻不變。第21頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月22b.調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變．使阻遏物不能再與代謝拮抗物結(jié)合。調(diào)節(jié)基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因mRNA酶蛋白正常的阻遏蛋白突變的阻遏蛋白在這一突變型中，由于正常代謝的最終產(chǎn)物不與結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的阻遏蛋白相結(jié)合，所以在細(xì)胞中盡管已經(jīng)有大量最終產(chǎn)物，仍能不斷地合成有關(guān)的酶。第22頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月23a.在直線式代謝途徑中的應(yīng)用ABCDEb.在分支式代謝途徑中的應(yīng)用ABCDE

F在分支合成途徑中使用抗性突變株往往難于達(dá)到產(chǎn)量提高之目的。故首先必須選取合適的營(yíng)養(yǎng)缺陷型，同時(shí)又選取具有一定抗性突變的菌株．產(chǎn)量才會(huì)大幅度提高。(4)抗反饋調(diào)節(jié)突變株的應(yīng)用第23頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月24谷氨酸N-乙酰谷氨酸N-乙酰-γ-谷氨酰磷酸N-乙酰谷氨酸-γ-半醛N-乙酰鳥(niǎo)氨酸鳥(niǎo)氨酸瓜氨酸精氨琥珀酸精氨酸a.精氨酸的生產(chǎn)精氨酸代謝過(guò)程屬于直線式代謝途徑，當(dāng)精氨酸過(guò)量時(shí)，精氨酸不但對(duì)代謝過(guò)程所有的酶產(chǎn)生反饋?zhàn)瓒糇饔?，而且?duì)代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶有反饋抑制作用。要積累像精氨酸這樣直線式代謝途徑的終產(chǎn)物,主要采用抗精氨酸類(lèi)似物,如D-精氨酸、精氨酸氧肟酸鹽抗性突變株，以解除精氨酸自身的反饋調(diào)節(jié)第24頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月25b.鳥(niǎo)苷酸的生產(chǎn)5-磷酸核糖焦磷酸5-磷酸核糖胺肌苷酸肌苷酸琥珀酸黃苷酸鳥(niǎo)苷酸腺苷酸鳥(niǎo)氨酸的代謝過(guò)程屬于分支代謝途徑，腺苷酸、鳥(niǎo)苷酸對(duì)PRPP轉(zhuǎn)胺酶有合作反饋抑制作用。將腺氨酸缺陷型與8-氮鳥(niǎo)嘌呤抗性菌株結(jié)合起來(lái)，可大量積累鳥(niǎo)苷酸。第25頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從營(yíng)養(yǎng)缺陷型的回復(fù)突變株也能獲得抗反饋的突變菌株第26頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AgeneBgene營(yíng)養(yǎng)缺陷型DNAAgeneBgene真正的回復(fù)突變非真正回復(fù)突變AgeneBgene第27頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)生回復(fù)突變后，雖然酶的催化活性恢復(fù)了，末端產(chǎn)物仍然能生成，但很可能酶的氨基酸序列發(fā)生了變化，變得對(duì)反饋不敏感了。這樣的回復(fù)突變株便能過(guò)量地積累末端產(chǎn)物。通過(guò)營(yíng)養(yǎng)缺陷突變，對(duì)反饋敏感的酶缺失了。第28頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、克服分解代謝阻遏的調(diào)控1、避免使用有阻遏作用的碳源和氮源

可采用相對(duì)來(lái)說(shuō)不引起分解代謝阻遏的碳源或氮源，如乳糖、多元醇、有機(jī)酸和黃豆餅粉等。如：用甘露糖代替半乳糖培養(yǎng)熒光假單胞菌，由于克服了半乳糖的分解代謝阻遏，結(jié)果在細(xì)胞中所產(chǎn)生的纖維素酶提高了1500倍。第29頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、流加碳源或氮源

在考慮經(jīng)濟(jì)效益而必須使用有阻遏作用的碳源或氮源時(shí)，緩慢流加碳、氮源可使分解代謝產(chǎn)物維持在較低的水平上，而不至于產(chǎn)生阻遏。第30頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、對(duì)誘導(dǎo)調(diào)節(jié)的控制

在生產(chǎn)上為了提高誘導(dǎo)酶的產(chǎn)量，對(duì)誘導(dǎo)調(diào)節(jié)控制的常用手段有：第31頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、添加誘導(dǎo)物類(lèi)似物

在誘導(dǎo)物就是酶的底物的情況下，添加底物類(lèi)似物來(lái)加強(qiáng)誘導(dǎo)作用是最好的。因?yàn)榈孜镱?lèi)似物不易被所形成的酶分解，而在細(xì)胞中始終保持較高的濃度，能夠持續(xù)地誘導(dǎo)酶的合成，獲得較高濃度的酶。例如:用異丙基硫代半乳糖苷(IPTG)可誘導(dǎo)-半乳糖苷酶的合成第32頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、添加輔酶或輔助因子在有些情況下，必須在培養(yǎng)基中添加輔酶才會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)作用例如：丙酮酸脫羧酶的合成需有硫胺存在第33頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、利用組成型突變株突變可以除去酶合成時(shí)對(duì)誘導(dǎo)物的依賴組成酶突變株在沒(méi)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，能照常合成誘導(dǎo)酶在生產(chǎn)中使用組成酶突變株時(shí)，可不必在發(fā)酵液中添加誘導(dǎo)物，且產(chǎn)生的誘導(dǎo)酶活性也比原菌株強(qiáng)。第34頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組成型突變株的篩選方法在平板上識(shí)別組成型突變株的方法，主要是利用在無(wú)誘導(dǎo)物存在時(shí)進(jìn)行培養(yǎng)，它能產(chǎn)生酶，加入適當(dāng)?shù)牡孜镞M(jìn)行反應(yīng)顯示酶活以識(shí)別。如甘油培養(yǎng)基平板上培養(yǎng)大腸桿菌時(shí)，誘導(dǎo)型菌株不產(chǎn)酶，組成型菌株可產(chǎn)生半乳糖苷酶。菌落長(zhǎng)出后噴布鄰硝基苯半乳糖苷，組成型菌株的菌落由于能水解它而呈現(xiàn)硝基苯的黃色，誘導(dǎo)型則無(wú)顏色變化。通常使用酶解后可以有顏色變化的底物，便于迅速檢出組成型菌落。第35頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月36ABCDEFG進(jìn)出節(jié)阻通四、提高代謝產(chǎn)物的基本思想第36頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月37①進(jìn)促進(jìn)細(xì)胞對(duì)碳源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；②通使來(lái)自上游和各個(gè)注入分支的碳架物質(zhì)能暢通地流向目的產(chǎn)物；

③節(jié)阻塞與目的產(chǎn)物的形成無(wú)關(guān)或關(guān)系不大的代謝支流，使碳架物質(zhì)相對(duì)集中地流向目的產(chǎn)物；

④堵消除或削弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑；

⑤出促進(jìn)目的產(chǎn)物向胞外空間分泌第37頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代謝工程(MetabolicEngineering)——利用生物學(xué)原理，系統(tǒng)分析細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)DNA重組技術(shù)合理設(shè)計(jì)細(xì)胞代謝途徑及遺傳修飾，進(jìn)而完成細(xì)胞特性改造的應(yīng)用性學(xué)科。一、代謝工程的基本定義第五節(jié)、代謝工程第38頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代謝工程的實(shí)質(zhì)在于對(duì)代謝流量及代謝控制進(jìn)行定量分析，在此基礎(chǔ)上利用基因工程技術(shù)進(jìn)行代謝改造，最大限度地提高目的代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率。代謝工程是基因工程應(yīng)用的高級(jí)階段第39頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代謝流分析：是一種專(zhuān)門(mén)對(duì)代謝途徑流量進(jìn)行測(cè)定分析的方法，該方法假定在一定條件下，細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)與能量處于一個(gè)擬穩(wěn)態(tài)，通過(guò)測(cè)定細(xì)胞內(nèi)、外物質(zhì)濃度的變化，根據(jù)細(xì)胞代謝途徑中各反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)的某些底物、產(chǎn)物的通量及細(xì)胞組成等確定整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)的通量分布。代謝流分析揭示了代謝的靜態(tài)的分布。第40頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代謝控制分析：針對(duì)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的不穩(wěn)定性揭示細(xì)胞代謝的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。它是以代謝生化反應(yīng)體系的敏感性分析為基礎(chǔ)，研究分析代謝控制的各途徑之間的分配規(guī)律，是一種以系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)代謝調(diào)控進(jìn)行定量分析的理論和實(shí)驗(yàn)方法。一般以數(shù)學(xué)模型的形式表征，對(duì)細(xì)胞代謝的控制機(jī)制提出定量的解釋。第41頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、代謝工程的基本過(guò)程1）靶點(diǎn)設(shè)計(jì)最后，根據(jù)代謝流分布和控制的分析結(jié)果確定途徑操作的合理靶點(diǎn)。通常包括擬修飾基因的靶點(diǎn)、擬導(dǎo)入途徑的靶點(diǎn)或擬阻斷途徑的靶點(diǎn)等。至少包括三個(gè)基本過(guò)程首先，根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)和計(jì)量學(xué)原理定量測(cè)定網(wǎng)絡(luò)中的代謝流分布（即代謝流分析;Metabolicfluxanalysis,MFA），其中最重要的是細(xì)胞內(nèi)碳和氮元素的流向比例關(guān)系。其次，在代謝流分析的基礎(chǔ)上調(diào)查其控制狀態(tài)、機(jī)制和影響因素（即代謝流控制分析；Metabolicfluxcontrolanalysis,MCA）。第42頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)基因操作

利用代謝工程戰(zhàn)略修飾改造細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的核心是在分子水平上對(duì)靶基因或基因簇進(jìn)行遺傳操作。其中最典型的形式包括基因或基因簇的克隆、表達(dá)、修飾、敲除、調(diào)控以及重組基因在目標(biāo)細(xì)胞染色體DNA上的穩(wěn)定整合。第43頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）效果分析一次性的代謝工程設(shè)計(jì)和操作往往不能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)所要求的產(chǎn)量、速率和濃度，因?yàn)榇蟛糠謱?shí)驗(yàn)涉及的只是單一代謝途徑有關(guān)的基因、操縱子或基因簇的改變。通過(guò)對(duì)新代謝進(jìn)行全面的效果分析，這種由初步途徑操作構(gòu)建出來(lái)的細(xì)胞所表現(xiàn)出的限制與缺陷，可以作為新一輪實(shí)驗(yàn)的改造目標(biāo)。第44頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、代謝工程的基本原理代謝工程是多學(xué)科高度交叉的新型領(lǐng)域，涉及諸多基本原理：1）涉及細(xì)胞物質(zhì)代謝規(guī)律及途徑組合的化學(xué)原理，它提供了生物體的基本代謝圖譜和生化反應(yīng)機(jī)制。2）涉及細(xì)胞代謝流及其控制分析的化學(xué)計(jì)量學(xué)、分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和控制學(xué)原理，這是代謝途徑修飾的理論依據(jù)。3）涉及途徑代謝流推動(dòng)力的酶學(xué)原理，包括酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、別構(gòu)抑制效應(yīng)、修飾激活效應(yīng)等。4）涉及基因操作與控制的分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)原理，它們闡明了基因表達(dá)的基本規(guī)律，同時(shí)也提供了基因操作的一整套技術(shù)。第45頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5）涉及細(xì)胞生理狀態(tài)平衡的細(xì)胞生理學(xué)原理，是一個(gè)代謝速率和生理狀態(tài)表征研究的理想平臺(tái)。6）涉及發(fā)酵或細(xì)胞培育的工藝和工程控制的生化工程和化學(xué)工程原理，它為速率過(guò)程受限制的系統(tǒng)分析提供了獨(dú)特的工具和經(jīng)驗(yàn)。7）涉及生物信息收集、分析與應(yīng)用的基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)原理，為代謝途徑設(shè)計(jì)提供信息，是代謝工程技術(shù)迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用的最大推動(dòng)力。第46頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、代謝工程的應(yīng)用

根據(jù)微生物的不同代謝特性，代謝工程的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：改變代謝途徑擴(kuò)展代謝途徑構(gòu)建新的代謝途徑第47頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、改變代謝途徑改變分支代謝途徑的流向或流量，阻斷其他代謝產(chǎn)物的合成，達(dá)到提高目標(biāo)產(chǎn)物的目的。第48頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）加速限速反應(yīng)①

增加代謝途徑中限速酶編碼基因的拷貝數(shù)②強(qiáng)化以啟動(dòng)子為主的關(guān)鍵基因表達(dá)系統(tǒng)③提高目標(biāo)途徑激活因子的合成速率④滅活目標(biāo)途徑抑制因子的編碼基因可采用下列不同的方法：第49頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）改變分支代謝途徑流向

提高代謝分支點(diǎn)的某一代謝途徑酶系的活性，在與另外的分支代謝途徑的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，從而提高目的末端產(chǎn)物的產(chǎn)量。第50頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如：芳香族氨基酸合成途徑中，色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸三條支路上，任一支路的酶活性被加強(qiáng)，其與另兩條支路的競(jìng)爭(zhēng)將占據(jù)優(yōu)勢(shì)。從谷氨酸棒桿菌K86中提取質(zhì)粒pCDtrp157,該質(zhì)粒帶有DAHP合成酶基因和色氨酸合成酶基因。如將該質(zhì)粒轉(zhuǎn)化至谷氨酸棒桿菌JY9182，使該菌可產(chǎn)色氨酸1.1g/L。第51頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）構(gòu)建代謝旁路大腸桿菌工程菌常采用高密度培養(yǎng)，以獲得高表達(dá)。大腸桿菌（工程菌）在以糖為碳源進(jìn)行高密度培養(yǎng)中易產(chǎn)生乙酸，乙酸達(dá)一定濃度時(shí)，抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)。

除通過(guò)工藝控制外（如控制糖的流加速度、溶解氧，發(fā)酵與超濾偶聯(lián)等），也可通過(guò)代謝工程方法控制乙酸的產(chǎn)生。第52頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

例如：

可將運(yùn)動(dòng)發(fā)酵假單胞菌的丙酮酸脫羧酶基因和乙醇脫氫酶基因克隆到大腸桿菌，使轉(zhuǎn)化子不產(chǎn)生乙酸而產(chǎn)生乙醇。因乙醇對(duì)大腸桿菌的毒性遠(yuǎn)比乙酸小。第53頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）改變能量代謝途徑

改變能量代謝途徑或電子傳遞系統(tǒng)，影響或改變細(xì)胞的代謝流。第54頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、擴(kuò)展代謝途徑引入外源基因后，使原來(lái)的代謝途徑向后延伸，產(chǎn)生新的末端產(chǎn)物，或使原來(lái)的代謝途徑向前延伸，可以利用新的原料合成代謝產(chǎn)物。如啤酒酵母不能直接將淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇；將-淀粉酶基因轉(zhuǎn)入啤酒酵母，并使用畢氏酵母的抗乙醇阻遏的醇氧化酶基因啟動(dòng)子來(lái)表達(dá)該基因，則可生料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇第55頁(yè)，課件共61頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、轉(zhuǎn)移或構(gòu)建新的代謝途徑

將催化一系列生物反應(yīng)的多個(gè)酶基因，克隆到不能產(chǎn)生某種新的化學(xué)結(jié)構(gòu)的代謝產(chǎn)物的微生物中，使之獲得產(chǎn)生新的化合物的能力；或利用基因工程手段，克隆少數(shù)基因，使細(xì)胞中