代谢工程知识整理

1/5一、名词解释：DNA技术和分析生物学相关的遗传学手段进展有准确目标的遗传操作，转变酶的功能或输送体系的功能，甚至产能系统的功能，以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操作工作〔包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的代谢活性的实现。代谢工程是生物化学反响代谢网络有目的的修饰。它属于基因工程的一个重要的分支。代谢把握发酵技术：利用遗传学的方法或生物化学方法，人为地在DNA分子水平上转变和把握微生物的代谢，使目的产物大量的生成、积存的发酵。生物技术：是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反响器将物料进展加工以供给产品来为社会效劳的技术。〔〔代谢流的集散处点。在不同条件下，代谢流分布变化较大的节点称为主节点。依据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、弱刚性、强刚性三种。柔性节点e：是节点的一种类型，是流量安排简洁转变并满足代谢需求的一类节点〔物的反响抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加。强刚性节点：假设一个节点的一个或多个分支途径的流量分割率受到严格把握，那么这类节点就称为强刚性节点〔指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以转变的，这是由产物的反响抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致〕弱刚性节点：假设一个节点的流量安排由它的某一分支途径的分支动力学所把握，则称该节点是弱刚性节点，介于柔性节点和强刚性节点之间。代谢流：定义为流入代谢物被途径加工成流出代谢物的速率。途径工程y：是一门利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络，并通过DNA性学科。合成生物学：简洁地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统来解决能源、材料、安康和环保等问题的一门兴学科。底物：培育基中存在的化合物，能被细胞进一步代谢或直接构成细胞组分。代谢产物：由细胞合成并分泌到细胞外培育基中的化合物，可以是初级代谢产物〔如二氧化碳、乙醇等，也可以是次级代谢产物或蛋白质。胞内代谢物re：细胞内其它的化合物，包括不同代谢途径的中间代谢物和用于大分子合成的构造单元等。生物基质要素：构成生物基质大分子池的一类物质，包括RNA、DNA、蛋白质、脂质和碳水化合物等。途径：是指催化总的代谢物的转化、信息传递和其他细胞功能的酶促反响的集合。通量/物流：是指物质或信息通过途径被加工的速率，它与个别反响速率不同。〔名词解释不全……〕二、问答题：代谢工程的根本原理:①涉及细胞物质代谢规律及途径组合的生物化学原理生化反响的分子机理；②涉及细胞代谢流及其把握分析的化学计量学、分子反响动力学、热力学和把握学原理，这是代谢途径修饰的理论依据；③等；④涉及基因操作与把握的分子生物学和分子遗传学原理同时也供给了基因操作的一整套相关技术；⑤涉及细胞生理状态平衡的细胞生理学原理，它为细胞代谢机能供给一个全景式的描述，因此是一个代谢速率和生理状态表征争论的抱负平台；⑥涉及发酵或细胞培育的工艺和工程把握的生化工程和化学工程原理方法运用于生物系统的争论无疑是最适宜的渠道综合、定量、相关等概念。它为速率过程受限制的系统分析供给了独特的工具和阅历，因此在途径工程领域中具有举足轻重的意义；⑦更为宽阔的表演舞台，是途径工程的最大推动力。代谢工程操作过程：代谢工程操作至少应包括以下三大根本过程。①靶点设计首先，依据化学动力学和计量学原理测定代谢网络中的代谢流分布〔即代谢流分析中最重要的是细胞内碳和氮元素的流向比例关系；其次，在代谢流分析的根底上调查其把握状态、机制和影响因素〔即代谢把握分析；最终，依据代谢流分布和把握的分析结果确定代谢设计的合理靶点，通常包括拟修饰基因的靶点、拟导入途径的靶点或者拟阻断途径的靶点等。②基因操作利用途径工程战略修饰改造细胞代谢网络的核心是在分子水平上对靶基因或基因簇进展遗传操作，其中最典型的形式包括基因或基因簇的克隆、表达、修饰、敲除、调控以及重组基因在目标细胞染色体DNA术。③效果分析一次性的途径工程设计和操作往往不能到达实际生产所要求的产量、速率或浓度，由于大局部试验涉及到的只是与单一代谢途径有关的基因、操纵子或基因簇的转变。因此需要对途径进展全面的效果分析。代谢工程常用技术：代谢工程的争论技术主要包括以下三类：常规的化学和生物化学检测手段都可用于代谢工程的争论，包括同位素示踪方、酶动力学分析方法、光谱学方法等。承受化学计量学、分子反响动力学和化学工程学的争论方法并结合计算机技术，可以进一步说明细胞代谢途径和代谢网络的动态特征与把握机理，同时确定关键靶点。可以归结为基因水平上的操作，涉及到几乎全部的分子生物学和分子遗传学特地试验技术,如基因和基因簇的克隆、表达、调控；DNADNA的转化；基因的体内同源重组与敲除；整合型重组DNA在细胞内的稳定维持等。反响类型：依据参与细胞内生化代谢系统的反响特点，可将生物体内名目繁多的各类反响过程分成以下四大类。①装配反响〔AssemblyReaction〕装配反响完成大分子的修饰，将其运输到细胞内的特定成。这类反响在工程应用中涉及较少。②聚合反响〔PolymerizationReaction〕聚合反响完成的是从细胞内的构建单体〔BuildingBlocks〕向生物大分子的聚合过程。特点是聚合过程均为长链式的，中间并伴有分支反响的参与。③生物合成反响〔BiosynthesisReaction〕生物合成反响的最终产物是参与聚合反响的构建单体，同时也合成一些辅酶及相关代谢因子〔包括信号分子。④产能反响〔FuelingReaction〕12种用于生物合成反响的前体物质，并且伴随着反响的进程会释放大量的自由能，用于能量物质ATP的合成。〔5.在现存途径中转变目的产物的代谢流可以增加目的产物的积存,〕生物化学工程与生物技术上中下游关系:1、生物技术的上、中、下游过程生物反响器---作为生物反响过程的中心即中游加工---反响前与后的工序称为上游加工和下游加工l 上游加工 最重要的是供给和制备高产优质和足够数量的生物催化剂即应用常规选育、基因工程、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等下游加工 从反响液中提取目的产物加工精制成合格产品l中游加工 生物反响器为中心生物化学工程 包括中下游两局部三、论述：定量分析涉及的理论和应用工具：①代谢的化学原理〔如化学计量学、代谢动力学、化学反响工程等；②生物学原理〔如代谢调控机制、酶促反响动力学等；③功能基因组学、构造基因组学、蛋白质组学、生物信息学；④分析化学工具〔GC/LC-MS、紫外光谱学、荧光光谱学等〕⑤数学和计算机技术〔如数学建模、图论根底、应用计算机软件求解等〕代谢流量调控机制〔代谢流及其把握机制的三大根本步骤：①建立一种能尽可能多的观看代谢网络并测定其流量的方法。为了做到这一点，通常从测定细胞外代谢产物的浓度入手进展简洁的物料平衡。由于一个代谢途径的代谢流并不等于该途径中一个或多个酶的活性能供给代谢网络真正的代谢流信息，除非相应的酶在体外分析条件下存在并具有活性。②在代谢网络中施加一个的扰动，以确定在系统松散之后到达的稳态时的代谢流。扰动往往能供给多个节点上的相关信息，具有重要意义。③要系统分析代谢流扰动的结果。假设某个代谢流的扰动对下游代谢流并未能造成可观看的影响节点〔对上游的扰动〕是刚性的，相反则成为柔性的。代谢流平衡分析的作用：胞内代谢流分布的定量测定代谢网络节点〔分支点〕性质的鉴定确定胞内代谢途径非测量性胞外物流的计算考察另一些途径对物流分布的影响最大理论得率的计算保证明验数据牢靠性和重现性的策略：建立简洁的代谢模型，即所谓的黑箱模型，将胞内反响看成是单一反响或者是整个细胞生物基质的变化，以保证细胞内外各元素之间的平衡〔物料衡算。进出细胞的流量。借助于生物化学争论手段和分子反响动力学原理，精细调查底物转化为生物基质或代谢产物的反响机制，以求对生物化学反响直至代谢过程进展更微观的描述。这种策略供给的数据要比黑箱模型更真实更形象高，同时还需要完备的数学学问对数据进展有效的分析与利用。5．网络节点〔类型、特点、评估策略：在细胞代谢网络中，两个或多个不同途径的分支集合点称为节点。依据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。柔性节点是节点的一种类型，是流量安排简洁转变并满足代谢需求的一类节点。强刚性节点是节点的一种类型，是流量安排不简洁转变的一类节点。指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以转变的抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。弱刚性节点增加产物的产率。主要节点刚性的评估:一旦代谢网络中与目标产物生物合成有关的主要节点被识别进展评估。假设能获得细胞生物化学代谢网络图表中全部具体的酶动力学表达式的代谢数学模型。借助该模型并结合代谢网络或亚网络的概念，可以对主要节点的刚性进展分析推断。节点评估：首先测定网络主要节点在稳定状态下的流量安排，然后对该系统施加一个有效的扰动，再以一样的程序测定稳定态下到达的流量安排信息。假设该节点处的流量安排能对干扰作出响应并显著转变其方向和大小弱刚性的；反之，节点可能是强刚性的。只有在此根底上提出的代谢途径转变和操