代謝調控緒論

代謝調控緒論代謝調控緒論第1頁10:34:09第一章緒論2、代謝控制發(fā)酵出現必定性1、發(fā)酵技術是工業(yè)生物技術關鍵技術5、課程內容和學習方法3、代謝工程基礎思想4、正向代謝工程面臨挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢代謝調控緒論第2頁10:34:09？資源危機能源危機環(huán)境危機化石經濟石油煉制尋求化石資源替換已經成為社會經濟可連續(xù)發(fā)展重大戰(zhàn)略社會經濟可連續(xù)發(fā)展生物煉制1、發(fā)酵技術是工業(yè)生物技術關鍵技術代謝調控緒論第3頁10:34:09可連續(xù)發(fā)展兩個方面：◆以可再生生物資源取代化石資源，以可再生生物能源取代不可再生化石能源;◆以清潔高效生物加工方式取代低效污染傳統(tǒng)物質加工方式，以精細產品取代大量粗加工產品;背景代謝調控緒論第4頁10:34:09RenewablerawmaterialsBiofuelsBiomaterialsChemicalsFoodstaffsetc.微生物細胞工廠環(huán)境、資源、能源代謝調控緒論第5頁10:34:09大型跨國企業(yè)美國Cargill-Dow企業(yè)利用玉米為原料生產聚乳酸（14萬噸/年），是工業(yè)生物技術產業(yè)興起標志。淀粉糖化乳酸聚乳酸發(fā)酵生物材料代謝調控緒論第6頁10:34:09以淀粉、再生纖維素等原料，實現聚酯、聚乳酸、聚氨基酸等生物可降解材料低成本生產，逐步降低對化石資源依賴與環(huán)境污染。代謝調控緒論第7頁10:34:09

“十一五”以來我國生物產業(yè)產值以年均22.9%速度增加，年實現總產值約2萬億元。爭取到年，把生物產業(yè)發(fā)展成為國民經濟支柱產業(yè)。代謝調控緒論第8頁10:34:09問題：微生物既不會使代謝物大量積累而造成浪費，也不會因代謝物缺失而供不應求。微生物會保持各種代謝物濃度相對穩(wěn)定和動態(tài)平衡，適應內外環(huán)境改變。怎樣使微生物過量積累某種代謝產物？？代謝調控緒論第9頁10:34:09

代謝控制發(fā)酵：利用遺傳學或其它生物化學方法，人為地在脫氧核糖核酸（DNA）分子水平上，改變和控制微生物代謝，使有用代謝產物大量生成、積累發(fā)酵技術。2、代謝控制發(fā)酵出現必定性代謝調控緒論第10頁10:34:09

微生物代謝調控機制能否被解除是代謝控制發(fā)酵關鍵所在。

研究方法：先研究目標產物生物合成路徑、遺傳控制及代謝調整機制，然后定向選育大量積累目標產物微生物。代謝調控緒論第11頁10:34:09代謝控制發(fā)酵出現和發(fā)展現實基礎生物化學酶變構動力學各種操縱子調控機制誘變育種原生質體融合等重組DNA技術發(fā)酵過程控制合成路徑+調整機制菌株改造技術菌株發(fā)酵環(huán)境代謝調控緒論第12頁10:34:09

正向(Constructive)代謝工程1991年BaileyJE在Science上正式提出，基礎思想是：依據已經有遺傳和生化知識，找出限速步驟，進行遺傳操作3、代謝工程基礎思緒代謝調控緒論第13頁10:34:09代謝工程定義采取重組DNA技術和高精度分析生物學技術相關遺傳學方法，進行準確目標基因操作，改變微生物原有調整系統(tǒng)，實現提升目標代謝活性和目標代謝產物量。代謝調控緒論第14頁10:34:09

代謝工程詳細思緒改變代謝流擴展或構建新代謝路徑代謝調控緒論第15頁10:34:09C3烯酰CoAC3羥酸C3烯酸碳水化合物原料C2酸C2醇C2CoAC3酮酸C2醛C2~PC3酮酸~PC3酸~PC4CoAC3酮C4醇C6糖~PC3醛~PC6糖~PC6糖~P

酸~PC3二醇C3羥酮~PC4酸C5酮酸C4CoAC6酸

C3烯酰CoAC3羥酸C3烯酸丙烯酸實當代謝路徑重構丙酮丁醇

代謝調控緒論第16頁10:34:09NAD+NADHPyruvatePDCAcetaldehydeEthanolADHHKGlucoseGAP1,3-DPGG-6-PF-6-PF-1,6-BPPFKGAPDHPKAcetaldehyde110%丙酮酸產率提升44%突變株親株提升乙醇脫氫酶活性①加速速度限制反應代謝調控緒論第17頁10:34:09②改變分支代謝路徑流向GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA

-KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1,NA)PDC(B1)PT(B6)PC(Bio)B1：硫胺素NA：煙酸Bio：生物素B6：吡哆醛光滑球擬酵母中丙酮酸代謝路徑XXXX策略：選育維生素缺點型酵母目標：積累丙酮酸代謝調控緒論第18頁10:34:09Nissen等在Azotobactervinelandii

基因雙缺失型菌株中構建了一個產生NAD+新路徑，使甘油降低40%。3-磷酸甘油醛脫氫酶（GDP1和GDP2基因）NAD+←←③構建代謝旁路代謝調控緒論第19頁10:34:09④改變能量代謝路徑丙酮酸生產強度提升42.9%發(fā)酵時間縮短23%抑制氧化磷酸化路徑提升酵解速度丙酮酸生產強度提升42.9%發(fā)酵時間縮短23%代謝調控緒論第20頁10:34:09Okumagai等從巴斯德畢赤氏酵母中分離了一個不受乙醇阻遏醇氧化酶基因(AOX1)開啟子表示淀粉酶基因使淀粉酶分泌量大大提升，這個工程菌能夠由淀粉直接發(fā)酵乙醇，以3％淀粉最少產生2％乙醇。⑤延伸代謝路徑代謝調控緒論第21頁10:34:09P.stipitis中分離到木糖還原酶基因XYL1和木糖醇脫氫酶XYL2基因,將其克隆進S.cerevisiae。木糖還原酶木糖醇脫氫酶⑥構建新生物合成途徑木糖還原酶木糖醇脫氫酶代謝調控緒論第22頁10:34:09①正向代謝工程問題提出天然存在各種基因或經改造各種新基因足于應付代謝工程需要，但要使代謝工程目標真正實現卻只有極少一個別基因有效，要找到這一小個別基因無益大海撈針。對于復雜網絡，傳統(tǒng)代謝工程思緒碰到了難題。4、正向代謝工程面臨挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢代謝調控緒論第23頁10:34:091996年BaileyJE首次提出“反向代謝工程”概念②反向代謝工程興起代謝調控緒論第24頁10:34:09反向代謝工程基礎思想是：對試驗室菌株（或野生型）突變、定向進化和定向篩選，取得預期表型，并確定其基因型。選擇工業(yè)菌株并對其對應基因進行遺傳操作，以期取得一樣表型。代謝調控緒論第25頁10:34:09當前為止，反向代謝工程在很多方面應用都取得成功。逆代謝工程防止了對復雜代謝網絡充分認識過程，處理了許多正向代謝工程思緒處理不了問題。代謝調控緒論第26頁10:34:09Khosla和Bailey：專性需氧透明顫菌在限氧條件下合成了大量透明顫菌血紅蛋白VHb合成血紅蛋白可能是透明顫菌在氧限制條件下提升代謝和生長一個“基因策略”表示VHb大腸桿菌在限氧條件下可到達較高生長密度將該血紅蛋白基因克隆到一系列需氧工業(yè)微生物中。實例代謝調控緒論第27頁10:34:09在大家并不知道VHb產生路徑及影響機制前提下，上述方法成功處理了限氧瓶頸。正是這些成功實例推進了對VHb重新認識。代謝調控緒論第28頁10:34:09逆代謝工程關鍵在于確定希望表型遺傳基礎。微生物和細胞培養(yǎng)積累關于遺傳刺激表型反應數據庫，以及標準微生物系統(tǒng)遺傳、生理和生物化學特征方面研究結果，加上高度自動化當代分析工具，將使基因和表型之間相關性分析變得越來越輕易。代謝工程前景

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蛋白質工程興起，使代謝工程僅僅利用天然存在基因克隆這一局限將被打破，從而解除原有細胞代謝很多限制原因。這種逆向思維已遠遠超出了逆代謝工程創(chuàng)建之初構想，并將成為代謝工程研究主流方向。代謝調控緒論第30頁10:34:095.課程主要內容1、緒論2、代謝控制發(fā)酵基礎思想3、代謝控制發(fā)酵育種基礎技術4、糖代謝與控制5、脂類代謝與控制6、氨基酸代謝與控制7、核酸類物質代謝控制與發(fā)酵8、抗生素發(fā)酵代謝與控制代謝調控緒論第31頁10:34:091、抓住課程內容基礎邏輯結構2、認真了解和體會其中原理和技術3、結合實例深入鞏固所學理論4、課后要及時復習和總結所學習知識學習方法代謝調控緒論第32頁10:34:09參考書目使用教材：張克旭等編著《代謝控制發(fā)酵》

中國輕工業(yè)出版社，年參考書目：陶文沂編著《工業(yè)微生物生理與遺傳育種學》

中國輕工業(yè)出版社，1997年王鏡巖等編著《生物化學》（第三版）高等教育出版社，年