代谢调控第一章绪论PPT课件

1、2021-10-27代谢控制regulation of metabolism主讲教师：郭金玲主讲教师：郭金玲2021-10-27第一章第一章 绪论绪论2、代谢控制发酵出现的必然性5、课程内容和学习方法3、代谢工程的基本思想4、正向代谢工程面临的挑战和发展趋势2021-10-27资源资源危机危机能源危机能源危机环境危机环境危机 寻求化石资源的替代已经成为社会经济寻求化石资源的替代已经成为社会经济可持续可持续发展发展的重大战略的重大战略2021-10-27可持续发展的两个方面：可持续发展的两个方面：以可再生生物资源取代化石资源，以可再生生物以可再生生物资源取代化石资源，以可再生生物能源取代不可再生

2、化石能源能源取代不可再生化石能源;以清洁高效的生物加工方式取代低效污染的传统以清洁高效的生物加工方式取代低效污染的传统物质加工方式，以精细产品取代大量粗加工产品物质加工方式，以精细产品取代大量粗加工产品;背景背景2021-10-27renewable raw materialsbiofuelsbiomaterialschemicalsfoodstaffsetc.微生物细胞工厂微生物细胞工厂环境、资源、能源环境、资源、能源2021-10-27 2001年大型跨国公司美国年大型跨国公司美国cargill-dow公司利用玉米为原料生产公司利用玉米为原料生产聚乳酸（聚乳酸（14万吨万吨/年），是工业生

3、物技术产业兴起的标志。年），是工业生物技术产业兴起的标志。淀粉糖化乳酸聚乳酸发酵生物材料2021-10-27 以淀粉、再生纤维素等原料，实现聚酯、聚乳酸、以淀粉、再生纤维素等原料，实现聚酯、聚乳酸、聚氨基酸等聚氨基酸等生物可降解材料生物可降解材料的低成本生产，逐步减少对的低成本生产，逐步减少对化石资源的依赖与环境污染。化石资源的依赖与环境污染。2021-10-27 “十一五”以来我国生物产业产值以年均22.9%的速度增长，2011年实现总产值约2万亿元万亿元。争取到2020年，把生物产业发展成为国民经济支柱产业。 2021-10-27问题：问题： 微生物微生物既不会既不会使代谢物大量积累而造成

4、使代谢物大量积累而造成浪费浪费，也不会也不会因代谢物的缺失而因代谢物的缺失而供不应求供不应求。微生物会保微生物会保持各种代谢物浓度的相对稳定和动态平衡，适应持各种代谢物浓度的相对稳定和动态平衡，适应内外环境的变化。内外环境的变化。如何使微生物过量积累某种代谢产物？如何使微生物过量积累某种代谢产物？2021-10-272021-10-27 研究方法研究方法：先研究目标产物的生物合成路径、遗传控制及代谢调节机制，然后定向选育大量积累目标产物的微生物。2021-10-27代谢控制发酵出现和发展的现实基础生物化学酶的变构动力学各种操纵子调控机制诱变育种原生质体融合等重组dna技术发酵过程控制合成途径合

5、成途径+ +调节机制调节机制菌株改造技术菌株改造技术菌株发酵环境菌株发酵环境2021-10-271991年年bailey j e 在在science上正式提出，基本思想是：上正式提出，基本思想是： 根据已有的遗传和生化知识，找出限速步骤，根据已有的遗传和生化知识，找出限速步骤，进行遗传操作进行遗传操作2021-10-272021-10-272021-10-27c3 烯酰coac3 羟酸c3 烯酸碳水化合物碳水化合物原料原料c2 酸c2 醇c2 coac3 酮酸c2 醛c2 pc3 酮酸pc3酸pc4 coac3 酮c4 醇c6 糖pc3 醛pc6 糖pc6 糖p酸pc3 二醇c3 羟酮pc4

6、酸c5 酮酸c4 coac6 酸c3 烯酰coac3 羟酸c3 烯酸丙烯酸丙烯酸实现代谢实现代谢途径重构途径重构丙酮丙酮丁醇丁醇2021-10-27nad+nadhpyruvatepdcacetaldehydeethanoladhhkglucosegap1,3-dpgg-6-pf-6-pf-1,6- bppfkgapdhpkacetaldehyde110%突变株突变株亲株亲株提高乙醇脱氢酶活性提高乙醇脱氢酶活性加速速度限制反应加速速度限制反应2021-10-27改变分支代谢途径的流向改变分支代谢途径的流向glucosepyruvatealanineacetaldehydeethanolcitr

7、ateoaa -kgaccoapyruvateoaapdh(b1, na)pdc (b1) pt (b6) pc (bio) b1： 硫胺素硫胺素na： 烟酸烟酸bio：生物素：生物素b6： 吡哆醛吡哆醛光滑球拟酵母中丙酮酸代谢途径光滑球拟酵母中丙酮酸代谢途径xxxx2021-10-27 nissen等在azotobacter vinelandii 基因双缺失型菌株中构建了一个产生nad+的新途径，使甘油减少40%。 3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶（ gdp1和和gdp2基因）基因）nad+构建代谢旁路构建代谢旁路2021-10-27改变能量代谢途径改变能量代谢途径丙酮酸生产强丙酮酸生产

8、强度提高度提高42.9%发酵时间发酵时间缩短缩短23%丙酮酸生产强丙酮酸生产强度提高度提高42.9%发酵时间发酵时间缩短缩短23%2021-10-27 okumagai等从巴斯德毕赤氏酵母中分离了一个不受乙醇阻遏的醇氧化酶基因(aox1)启动子表达淀粉酶基因使淀粉酶分泌量大大提高，这个工程菌可以由淀粉直接发酵乙醇，以3淀粉至少产生2乙醇 。延伸代谢途径延伸代谢途径2021-10-27 p.stipitis中分离到木糖还原酶基因xyl1和木糖醇脱氢酶xyl2基因,将其克隆进s.cerevisiae。木糖还原酶木糖还原酶木糖醇脱氢酶木糖醇脱氢酶构构建建新新的的生生物物合合成成途途径径木糖还原酶木糖

9、还原酶木糖醇脱氢酶木糖醇脱氢酶2021-10-27正向代谢工程问题的提出 天然存在的各种基因或经改造的各种新基因足于应付代谢工程的需要，但要使代谢工程的目标真正实使代谢工程的目标真正实现却只有很少一部分基因有效现却只有很少一部分基因有效，要找到这一小部分基因无益大海捞针大海捞针。 对于复杂网络，传统的代谢工程思路遇到了难题。 4、正向、正向代谢工程面临的挑战及发展趋势代谢工程面临的挑战及发展趋势2021-10-27 1996年bailey j e首次提出“反向代谢工程反向代谢工程”的概念反向代谢工程的兴起反向代谢工程的兴起2021-10-27反向代谢工程的反向代谢工程的是：是： 对实验室菌株（

10、或野生型）的突变、定向进化对实验室菌株（或野生型）的突变、定向进化和定向筛选，获得预期的表型，并确定其基因型。和定向筛选，获得预期的表型，并确定其基因型。 选择工业菌株并对其选择工业菌株并对其相应相应基因进行遗传操作，基因进行遗传操作，以期获得同样的表型。以期获得同样的表型。2021-10-27目前为止，反向代谢工程在很多方面的应用都获得成功。逆代谢工程逆代谢工程避免了对复杂代谢网络的充分认避免了对复杂代谢网络的充分认识过程识过程，解决了许多正向代谢工程思路解决，解决了许多正向代谢工程思路解决不了的问题。不了的问题。 2021-10-27 khosla和bailey：专性需氧透明颤菌在限氧条件

11、下合成了大量的透明颤菌血红蛋白vhb 合成血红蛋白可能是透明颤菌在氧限制条件下提高代谢和生长的一种“基因策略基因策略” 表达vhb的大肠杆菌在限氧条件下可达到较高生长密度 将该血红蛋白的基因克隆到一系列需氧工业微生 物中。实例实例2021-10-27 在人们并不知道不知道vhb产生途径及影响机制产生途径及影响机制的前提下，上述方法成功解决了限氧的瓶颈。正是这些成功的实例推动了对vhb的重新认识。 2021-10-27 逆代谢工程的关键在于确定希望表型的遗传基础。 微生物和细胞培养积累的关于遗传刺激表型反应的数据库，以及标准微生物系统遗传、生理和生物化学特性方面的研究成果，加上高度自动化的现代分

12、析工具，将使基因和表型之间相关性基因和表型之间相关性分析分析变得越来越容易。代谢工程的前景代谢工程的前景 2021-10-27 蛋白质工程蛋白质工程的兴起，使代谢工程仅仅利用天然存在的基因克隆这一局限将被打破，从而解除原有细胞代谢的很多限制因素。 这种逆向思维已远远超出了逆代谢工程创立之初的设想，并将成为代谢工程研究的主流方向。2021-10-275. 课程主要内容 1、绪论、绪论 2、代谢控制发酵的基本思想、代谢控制发酵的基本思想 3、代谢控制发酵育种的基本技术、代谢控制发酵育种的基本技术 4、糖代谢与控制、糖代谢与控制 5、脂类代谢与控制、脂类代谢与控制 6、氨基酸代谢与控制、氨基酸代谢与

13、控制 7、核酸类物质的代谢控制与发酵、核酸类物质的代谢控制与发酵 8、抗生素发酵的代谢与控制、抗生素发酵的代谢与控制2021-10-271、抓住课程内容的基本逻辑结构2、认真理解和体会理解和体会其中的原理和技术3、结合实例进一步巩固所学的理论4、课后要及时复习和总结及时复习和总结所学习的知识学习方法2021-10-27参考书目使用教材：使用教材： 张克旭等编著张克旭等编著代谢控制发酵代谢控制发酵 中国轻工业出版社，中国轻工业出版社，2004年年参考书目：参考书目：l 陶文沂编著陶文沂编著工业微生物生理与遗传育种学工业微生物生理与遗传育种学 中国轻工业出版社，中国轻工业出版社，1997年年l 王镜岩等编著王镜岩等编著生物化学生物化学（第三版）（第三版） 高等教育出版社，高等教育出版社，2003年年l 储炬等编著储炬等编著现代工业发酵调控学现代工业发酵调控学 化学工业出版社，化学工业出版社，2002年年2021-10-27考核