代谢调控绪论

代谢调控绪论代谢调控绪论第1页10:34:09第一章绪论2、代谢控制发酵出现必定性1、发酵技术是工业生物技术关键技术5、课程内容和学习方法3、代谢工程基础思想4、正向代谢工程面临挑战和发展趋势代谢调控绪论第2页10:34:09？资源危机能源危机环境危机化石经济石油炼制寻求化石资源替换已经成为社会经济可连续发展重大战略社会经济可连续发展生物炼制1、发酵技术是工业生物技术关键技术代谢调控绪论第3页10:34:09可连续发展两个方面：◆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化石能源;◆以清洁高效生物加工方式取代低效污染传统物质加工方式，以精细产品取代大量粗加工产品;背景代谢调控绪论第4页10:34:09RenewablerawmaterialsBiofuelsBiomaterialsChemicalsFoodstaffsetc.微生物细胞工厂环境、资源、能源代谢调控绪论第5页10:34:09大型跨国企业美国Cargill-Dow企业利用玉米为原料生产聚乳酸（14万吨/年），是工业生物技术产业兴起标志。淀粉糖化乳酸聚乳酸发酵生物材料代谢调控绪论第6页10:34:09以淀粉、再生纤维素等原料，实现聚酯、聚乳酸、聚氨基酸等生物可降解材料低成本生产，逐步降低对化石资源依赖与环境污染。代谢调控绪论第7页10:34:09

“十一五”以来我国生物产业产值以年均22.9%速度增加，年实现总产值约2万亿元。争取到年，把生物产业发展成为国民经济支柱产业。代谢调控绪论第8页10:34:09问题：微生物既不会使代谢物大量积累而造成浪费，也不会因代谢物缺失而供不应求。微生物会保持各种代谢物浓度相对稳定和动态平衡，适应内外环境改变。怎样使微生物过量积累某种代谢产物？？代谢调控绪论第9页10:34:09

代谢控制发酵：利用遗传学或其它生物化学方法，人为地在脱氧核糖核酸（DNA）分子水平上，改变和控制微生物代谢，使有用代谢产物大量生成、积累发酵技术。2、代谢控制发酵出现必定性代谢调控绪论第10页10:34:09

微生物代谢调控机制能否被解除是代谢控制发酵关键所在。

研究方法：先研究目标产物生物合成路径、遗传控制及代谢调整机制，然后定向选育大量积累目标产物微生物。代谢调控绪论第11页10:34:09代谢控制发酵出现和发展现实基础生物化学酶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路径+调整机制菌株改造技术菌株发酵环境代谢调控绪论第12页10:34:09

正向(Constructive)代谢工程1991年BaileyJE在Science上正式提出，基础思想是：依据已经有遗传和生化知识，找出限速步骤，进行遗传操作3、代谢工程基础思绪代谢调控绪论第13页10:34:09代谢工程定义采取重组DNA技术和高精度分析生物学技术相关遗传学方法，进行准确目标基因操作，改变微生物原有调整系统，实现提升目标代谢活性和目标代谢产物量。代谢调控绪论第14页10:34:09

代谢工程详细思绪改变代谢流扩展或构建新代谢路径代谢调控绪论第15页10:34:09C3烯酰CoAC3羟酸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羟酮~PC4酸C5酮酸C4CoAC6酸

C3烯酰CoAC3羟酸C3烯酸丙烯酸实当代谢路径重构丙酮丁醇

代谢调控绪论第16页10:34:09NAD+NADHPyruvatePDCAcetaldehydeEthanolADHHKGlucoseGAP1,3-DPGG-6-PF-6-PF-1,6-BPPFKGAPDHPKAcetaldehyde110%丙酮酸产率提升44%突变株亲株提升乙醇脱氢酶活性①加速速度限制反应代谢调控绪论第17页10:34:09②改变分支代谢路径流向GlucosePyruvateAlanineAcetaldehydeEthanolCitrateOAA

-KGAcCoAPyruvateOAAPDH(B1,NA)PDC(B1)PT(B6)PC(Bio)B1：硫胺素NA：烟酸Bio：生物素B6：吡哆醛光滑球拟酵母中丙酮酸代谢路径XXXX策略：选育维生素缺点型酵母目标：积累丙酮酸代谢调控绪论第18页10:34:09Nissen等在Azotobactervinelandii

基因双缺失型菌株中构建了一个产生NAD+新路径，使甘油降低40%。3-磷酸甘油醛脱氢酶（GDP1和GDP2基因）NAD+←←③构建代谢旁路代谢调控绪论第19页10:34:09④改变能量代谢路径丙酮酸生产强度提升42.9%发酵时间缩短23%抑制氧化磷酸化路径提升酵解速度丙酮酸生产强度提升42.9%发酵时间缩短23%代谢调控绪论第20页10:34:09Okumagai等从巴斯德毕赤氏酵母中分离了一个不受乙醇阻遏醇氧化酶基因(AOX1)开启子表示淀粉酶基因使淀粉酶分泌量大大提升，这个工程菌能够由淀粉直接发酵乙醇，以3％淀粉最少产生2％乙醇。⑤延伸代谢路径代谢调控绪论第21页10:34:09P.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。木糖还原酶木糖醇脱氢酶⑥构建新生物合成途径木糖还原酶木糖醇脱氢酶代谢调控绪论第22页10:34:09①正向代谢工程问题提出天然存在各种基因或经改造各种新基因足于应付代谢工程需要，但要使代谢工程目标真正实现却只有极少一个别基因有效，要找到这一小个别基因无益大海捞针。对于复杂网络，传统代谢工程思绪碰到了难题。4、正向代谢工程面临挑战及发展趋势代谢调控绪论第23页10:34:091996年BaileyJE首次提出“反向代谢工程”概念②反向代谢工程兴起代谢调控绪论第24页10:34:09反向代谢工程基础思想是：对试验室菌株（或野生型）突变、定向进化和定向筛选，取得预期表型，并确定其基因型。选择工业菌株并对其对应基因进行遗传操作，以期取得一样表型。代谢调控绪论第25页10:34:09当前为止，反向代谢工程在很多方面应用都取得成功。逆代谢工程防止了对复杂代谢网络充分认识过程，处理了许多正向代谢工程思绪处理不了问题。代谢调控绪论第26页10:34:09Khosla和Bailey：专性需氧透明颤菌在限氧条件下合成了大量透明颤菌血红蛋白VHb合成血红蛋白可能是透明颤菌在氧限制条件下提升代谢和生长一个“基因策略”表示VHb大肠杆菌在限氧条件下可到达较高生长密度将该血红蛋白基因克隆到一系列需氧工业微生物中。实例代谢调控绪论第27页10:34:09在大家并不知道VHb产生路径及影响机制前提下，上述方法成功处理了限氧瓶颈。正是这些成功实例推进了对VHb重新认识。代谢调控绪论第28页10:34:09逆代谢工程关键在于确定希望表型遗传基础。微生物和细胞培养积累关于遗传刺激表型反应数据库，以及标准微生物系统遗传、生理和生物化学特征方面研究结果，加上高度自动化当代分析工具，将使基因和表型之间相关性分析变得越来越轻易。代谢工程前景

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蛋白质工程兴起，使代谢工程仅仅利用天然存在基因克隆这一局限将被打破，从而解除原有细胞代谢很多限制原因。这种逆向思维已远远超出了逆代谢工程创建之初构想，并将成为代谢工程研究主流方向。代谢调控绪论第30页10:34:095.课程主要内容1、绪论2、代谢控制发酵基础思想3、代谢控制发酵育种基础技术4、糖代谢与控制5、脂类代谢与控制6、氨基酸代谢与控制7、核酸类物质代谢控制与发酵8、抗生素发酵代谢与控制代谢调控绪论第31页10:34:091、抓住课程内容基础逻辑结构2、认真了解和体会其中原理和技术3、结合实例深入巩固所学理论4、课后要及时复习和总结所学习知识学习方法代谢调控绪论第32页10:34:09参考书目使用教材：张克旭等编著《代谢控制发酵》

中国轻工业出版社，年参考书目：陶文沂编著《工业微生物生理与遗传育种学》

中国轻工业出版社，1997年王镜岩等编著《生物化学》（第三版）高等教育出版社，年