2021年微生物代谢工程研究进展.ppt

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微生物代谢工程研究进展
微生物代谢工程概述
微生物代谢调节
微生物代谢工程的应用
本章内容
微生物代谢工程概述
微生物代谢调节
微生物代谢工程研究进展
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第一节 微生物代谢工程概述
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。
微生物代谢工程研究进展
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1、代谢工程概念的演变
名称
定义
参考文献
（微生物）途径工程
利用DNA重组技术修饰各种代谢途径（包括生物体非固有的代谢途径），提高特定代谢产物的产量
MacQuitty,1988
代谢工程
利用DNA重组技术优化细胞的酶活、运输和调控概念，提高细胞活力
Bailey,1991
代谢途径工程
生化途径的修饰、设计与构建
Tong et al,1991
代谢途径
利用DNA重组技术对代谢产物进行目的性修饰
Catneron,1993
代谢途径/代谢设计
改造细胞途径代谢途径，提高天然最高产物产量或合成新产物（包括中间产物或修饰型最终产物）
Pieperberg,1994
代谢工程
对生化反应的代谢网络进行目的性修饰
Gregory，1994
代谢工程
为达到所需目标对活细胞的代谢途径进行修饰
William,1996
代谢工程
利用分子生物学原理系统分析代谢途径，设计合理的遗传修饰战略，从而优化细胞生物学特性
Koffasl,1999
一、微生物代谢工程的概念
微生物代谢工程研究进展
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代谢工程是利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络, 并通过DNA 重组技术和应用分析生物学相关的遗传学手段对细胞进行有精确目标的基因操作, 改变微生物原有的代谢或调节系统, 实现目的产物代谢活性的提高。
目前对代谢工程较系统的定义
代谢工程的研究目的
通过重组DNA技术构建具有能合成目标产物的代谢网络或具有高产能力的工程菌并用于生产。
微生物代谢工程研究进展
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目前代谢工程要解决的主要问题是改变某些途径中的碳架物质流量或改变碳架物质在不同途径中的流量分布。
典型目标是修饰初级次级代谢，将碳架物质流导入目的产物的理想载流途径以获得产物的最大转化率。
2、代谢工程要解决的问题
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(1)提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量；
(2)改造细胞现存的代谢途径，使其合成新产物，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、极端环境条件
和耐受性等。
3、代谢工程主要应用方向
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4、代谢工程三个基本观点
三大观点
代谢能支撑观点
代谢网络观点
细胞经济观点
时间性
空间性
整体性
流动性
层次性
自主性
微生物代谢的复杂性
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5、反向代谢工程
范例：利用透明颤菌血红蛋白来缓解供氧不足。
Bailey 研究小组克隆了透明颤菌的血红蛋白基因, 并通过在大肠杆菌中表达该基因, 大大地提高了大肠杆菌在微氧环境中的细胞生长。
概念：是一种采用逆向思维方式进行代谢设计的新型代谢工程。就是先在异源生物或相关模型系统中，通过计算或推理确定所希望的表型，然后确定该表型的决定基因或特定的环境因子，然后通过基因改造或环境改造使该表型在特定的生物中表达。
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二、微生物代谢工程的发展历程
天然发酵时代
微生物发酵已经有几千年的历史，早在2000多年以前，人 们就开始利用微生物进行白酒、黄酒、葡萄酒、啤酒和清酒等的发酵，此时的发酵被称为。
现代发酵工业时代
20世纪40年代，随着抗生素青霉素的发酵生产的大规模进行，开始了。通过自然选择的方法，人们用10-6的突变几率来筛选所谓的高产菌株。由于没有代谢控制发酵理论作为指导，直到20世纪60年代现代发酵工业仍处于盲目阶段。
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自然发酵时期
早在数千年前，我国劳动人民就懂得酿酒、制酱油、酿醋等。酿酒工业是历史上最古老的微生物工业，但当时人们并不知道它与微生物的关系，也不清楚发酵的原因，只是靠口传身授，在实践中应用微生物。