微生物代謝工程課件

代謝工程

MetabolicEngineering小組成員：陳林楊宇崔浪范文躍郭瑤瑤蒲志慧蔣小龍王洪代謝工程

MetabolicEngineering1在生物工程中通常是以生物細胞為反應器，利用其固有的代謝網(wǎng)絡來合成所需的產(chǎn)物。由于遺傳背景的限制，細胞固有的代謝網(wǎng)絡常常很難滿足人類的需要，為了大量積累某種代謝產(chǎn)物。就必須打破微生物原有的狀態(tài)平衡，對細胞的代謝途徑進行修飾，而這種修飾是以代謝網(wǎng)絡為基礎的。在生物工程中通常是以生物細胞為反應器，利用其固有的代謝網(wǎng)絡來2代謝工程要解決的主要問題－

改變某些途徑中的碳架物質流量或改變碳架物質流在不同途徑中的流量分布提高細胞現(xiàn)存代謝途徑中天然產(chǎn)物的產(chǎn)量；改造細胞現(xiàn)存代謝途徑，使其合成新產(chǎn)物，這種新產(chǎn)物可以是中間代謝產(chǎn)物或修飾型的最終產(chǎn)物對不同細胞的代謝途徑進行擬合，構建全新的代謝通路，從而產(chǎn)生細胞自身不能合成的新產(chǎn)物優(yōu)化細胞的生物學特性，如生長速率、某些極端環(huán)境條件的耐受性代謝工程要解決的主要問題－

改變某些途徑中的碳架物質流量或改3代謝工程（metabolicengineering）利用基因工程技術，有目的地對細胞代謝途徑進行精確的修飾、改造或擴展、構建新的代謝途徑，以改變微生物原有代謝特性，并與微生物基因調控、代謝調控及生化工程相結合，提高目的代謝產(chǎn)物活性或產(chǎn)量、或合成新的代謝產(chǎn)物的工程技術科學。代謝工程（metabolicengineering）利用基4代謝工程的本質應用重組DNA技術對細胞的酶反應、物質運輸及調控功能進行遺傳操作，從而改良細胞功能的技術。代謝工程的本質應用重組DNA技術對細胞的酶反應、物質運輸及調5代謝工程涉及的主要內容生物合成相關代謝調控和代謝網(wǎng)絡理論代謝流的定量分析代謝網(wǎng)絡的重新設計中心代謝作用機理及相關代謝分析；基因操作代謝工程涉及的主要內容生物合成相關代謝調控和代謝網(wǎng)絡理論6代謝網(wǎng)絡在一個特定的代謝途徑中存在有控制該途徑代謝流的關鍵位點，不同代謝途徑之間通過相關聯(lián)的節(jié)點連接在一起，從而在細胞內形成了代謝網(wǎng)絡。代謝網(wǎng)絡可視為由若干個串聯(lián)或并聯(lián)的簡單子途徑組成，它們通過節(jié)點相連。代謝網(wǎng)絡在一個特定的代謝途徑中存在有控制該途徑代謝流的關鍵位7代謝工程的研究目的通過重組DNA技術構建具有能合成目標產(chǎn)物的代謝網(wǎng)絡或具有高產(chǎn)能力的工程菌并用于生產(chǎn)。代謝工程的研究目的通過重組DNA技術構建具有能合成目標產(chǎn)物的8代謝工程研究的設計思路提高通向目標產(chǎn)物的代謝流擴展代謝途徑構建新的代謝途徑代謝工程研究的設計思路提高通向目標產(chǎn)物的代謝流9提高通向代謝產(chǎn)物的代謝流增強催化某反應的酶的表達量或活性，從而提高代謝流；在有競爭途徑（如分支代謝途徑）存在時，阻斷有害的或無關的競爭代謝途徑代謝產(chǎn)物的合成，從而達到改變代謝流，提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量的目的。提高通向代謝產(chǎn)物的代謝流增強催化某反應的酶的表達量或活性，從10擴展代謝途徑通過基因工程手段引入外源基因（簇）等，使原有代謝途徑進一步向前或向后延伸，從而可利用新的原料用于合成目標產(chǎn)物或產(chǎn)生新的末端代謝產(chǎn)物。擴展代謝途徑通過基因工程手段引入外源基因（簇）等，使原有代謝11構建新的代謝途徑構建新的代謝途徑一般指引入外源基因（簇）來改造和修飾代謝網(wǎng)絡，使細胞從不能合成某種代謝產(chǎn)物轉變?yōu)槟芎铣纱舜x產(chǎn)物。常用手段：（1）轉移代謝途徑，即將多個特定代謝途徑中的相關基因簇轉移到無這些基因的菌株中，從而達到使其能合成新的目標產(chǎn)物的目的；（2）將無關的代謝途徑相連，形成新的代謝途徑，從而合成新的目標產(chǎn)物。構建新的代謝途徑構建新的代謝途徑一般指引入外源基因（簇）來改12代謝工程研究的基本程序改良靶點的確定基因操作效果分析代謝工程研究的基本程序改良靶點的確定13改良靶點的確定合理的改良靶點的確定通常是建立在代謝網(wǎng)絡的代謝流定量分析和控制分析的基礎上。選擇的靶點通常包括擬修飾的基因，擬導入代謝途徑和擬阻斷代謝途徑的靶點等。改良靶點的確定合理的改良靶點的確定通常是建立在代謝網(wǎng)絡的代謝14基因操作一旦確定了靶點之后，需考慮采用適當?shù)姆椒▽Π谢蜻M行遺傳操作。常見的操作類型有：基因簇的克隆、表達、修飾、敲除、整合等。遺傳操作是代謝工程研究的核心內容。但應注意掌握好對代謝網(wǎng)絡進行修飾的強度，只有適度的修飾才能獲得既不破壞細胞內的精細平衡狀態(tài)，又能達到高產(chǎn)或合成新的目標代謝產(chǎn)物的目的。基因操作一旦確定了靶點之后，需考慮采用適當?shù)姆椒▽Π谢蜻M行15效果分析對構建的工程菌株的代謝網(wǎng)絡進行全面的效果分析是必要的。效果分析顯示出的問題往往又會成為新一輪實驗的改進目標。經(jīng)多輪遺傳操作后，往往可獲得優(yōu)良的可用于生產(chǎn)的工程菌株。效果分析對構建的工程菌株的代謝網(wǎng)絡進行全面的效果分析是必要的16代謝工程可用于以下幾個方面：①在發(fā)酵工業(yè)方面，改進由微生物合成產(chǎn)物的得率和產(chǎn)率；②擴大可利用基質范圍；③合成對細胞而言是新的產(chǎn)物或全新產(chǎn)物；④改進細胞的普通性能，如耐受缺氧或抑制性物質的能力；代謝工程的應用代謝工程可用于以下幾個方面：代謝工程的應用17⑤減少抑制性副產(chǎn)物形成；⑥環(huán)境工程方面降解有害廢棄物及有害物質；⑦藥物合成方面，作為中間體的手性化合物的制備；⑧在醫(yī)療方面用于整體器官和組織的代謝分析，用于鑒別藉基因治療或營養(yǎng)控制疾病的目標；⑨信息傳導途徑方面，即信息流的分析，為了治療疾病而進行基因表達的分析和調節(jié)，需了解信息流的相互作用和控制。⑤減少抑制性副產(chǎn)物形成；18代謝工程

MetabolicEngineering小組成員：陳林楊宇崔浪范文躍郭瑤瑤蒲志慧蔣小龍王洪代謝工程

MetabolicEngineering19在生物工程中通常是以生物細胞為反應器，利用其固有的代謝網(wǎng)絡來合成所需的產(chǎn)物。由于遺傳背景的限制，細胞固有的代謝網(wǎng)絡常常很難滿足人類的需要，為了大量積累某種代謝產(chǎn)物。就必須打破微生物原有的狀態(tài)平衡，對細胞的代謝途徑進行修飾，而這種修飾是以代謝網(wǎng)絡為基礎的。在生物工程中通常是以生物細胞為反應器，利用其固有的代謝網(wǎng)絡來20代謝工程要解決的主要問題－

改變某些途徑中的碳架物質流量或改變碳架物質流在不同途徑中的流量分布提高細胞現(xiàn)存代謝途徑中天然產(chǎn)物的產(chǎn)量；改造細胞現(xiàn)存代謝途徑，使其合成新產(chǎn)物，這種新產(chǎn)物可以是中間代謝產(chǎn)物或修飾型的最終產(chǎn)物對不同細胞的代謝途徑進行擬合，構建全新的代謝通路，從而產(chǎn)生細胞自身不能合成的新產(chǎn)物優(yōu)化細胞的生物學特性，如生長速率、某些極端環(huán)境條件的耐受性代謝工程要解決的主要問題－

改變某些途徑中的碳架物質流量或改21代謝工程（metabolicengineering）利用基因工程技術，有目的地對細胞代謝途徑進行精確的修飾、改造或擴展、構建新的代謝途徑，以改變微生物原有代謝特性，并與微生物基因調控、代謝調控及生化工程相結合，提高目的代謝產(chǎn)物活性或產(chǎn)量、或合成新的代謝產(chǎn)物的工程技術科學。代謝工程（metabolicengineering）利用基22代謝工程的本質應用重組DNA技術對細胞的酶反應、物質運輸及調控功能進行遺傳操作，從而改良細胞功能的技術。代謝工程的本質應用重組DNA技術對細胞的酶反應、物質運輸及調23代謝工程涉及的主要內容生物合成相關代謝調控和代謝網(wǎng)絡理論代謝流的定量分析代謝網(wǎng)絡的重新設計中心代謝作用機理及相關代謝分析；基因操作代謝工程涉及的主要內容生物合成相關代謝調控和代謝網(wǎng)絡理論24代謝網(wǎng)絡在一個特定的代謝途徑中存在有控制該途徑代謝流的關鍵位點，不同代謝途徑之間通過相關聯(lián)的節(jié)點連接在一起，從而在細胞內形成了代謝網(wǎng)絡。代謝網(wǎng)絡可視為由若干個串聯(lián)或并聯(lián)的簡單子途徑組成，它們通過節(jié)點相連。代謝網(wǎng)絡在一個特定的代謝途徑中存在有控制該途徑代謝流的關鍵位25代謝工程的研究目的通過重組DNA技術構建具有能合成目標產(chǎn)物的代謝網(wǎng)絡或具有高產(chǎn)能力的工程菌并用于生產(chǎn)。代謝工程的研究目的通過重組DNA技術構建具有能合成目標產(chǎn)物的26代謝工程研究的設計思路提高通向目標產(chǎn)物的代謝流擴展代謝途徑構建新的代謝途徑代謝工程研究的設計思路提高通向目標產(chǎn)物的代謝流27提高通向代謝產(chǎn)物的代謝流增強催化某反應的酶的表達量或活性，從而提高代謝流；在有競爭途徑（如分支代謝途徑）存在時，阻斷有害的或無關的競爭代謝途徑代謝產(chǎn)物的合成，從而達到改變代謝流，提高目標產(chǎn)物產(chǎn)量的目的。提高通向代謝產(chǎn)物的代謝流增強催化某反應的酶的表達量或活性，從28擴展代謝途徑通過基因工程手段引入外源基因（簇）等，使原有代謝途徑進一步向前或向后延伸，從而可利用新的原料用于合成目標產(chǎn)物或產(chǎn)生新的末端代謝產(chǎn)物。擴展代謝途徑通過基因工程手段引入外源基因（簇）等，使原有代謝29構建新的代謝途徑構建新的代謝途徑一般指引入外源基因（簇）來改造和修飾代謝網(wǎng)絡，使細胞從不能合成某種代謝產(chǎn)物轉變?yōu)槟芎铣纱舜x產(chǎn)物。常用手段：（1）轉移代謝途徑，即將多個特定代謝途徑中的相關基因簇轉移到無這些基因的菌株中，從而達到使其能合成新的目標產(chǎn)物的目的；（2）將無關的代謝途徑相連，形成新的代謝途徑，從而合成新的目標產(chǎn)物。構建新的代謝途徑構建新的代謝途徑一般指引入外源基因（簇）來改30代謝工程研究的基本程序改良靶點的確定基因操作效果分析代謝工程研究的基本程序改良靶點的確定31改良靶點的確定合理的改良靶點的確定通常是建立在代謝網(wǎng)絡的代謝流定量分析和控制分析的基礎上。選擇的靶點通常包括擬修飾的基因，擬導入代謝途徑和擬阻斷代謝途徑的靶點等。改良靶點的確定合理的改良靶點的確定通常是建立在代謝網(wǎng)絡的代謝32基因操作一旦確定了靶點之后，需考慮采用適當?shù)姆椒▽Π谢蜻M行遺傳操作。常見的操作類型有：基因簇的克隆、表達、修飾、敲除、整合等。遺傳操作是代謝工程研究的核心內容。但應注意掌握好對代謝網(wǎng)絡進行修飾的強度，只有適度的修飾才能獲得既不破壞細胞內的精細平衡狀態(tài)，又能達到高產(chǎn)或合成新的目標代謝產(chǎn)物的目的?；虿僮饕坏┐_定了靶點之后，需考慮采用適當?shù)姆椒▽Π谢蜻M行33效果分析對構建的工程菌株的代謝網(wǎng)絡進行全面的效果分析是必要的。效果分析顯示出的問題往往又會成為新一輪實驗的改進目標。經(jīng)多輪遺傳操作后，往往可獲得優(yōu)良的可用于生產(chǎn)的工程菌株。效果分析對構建的工程菌株的代謝網(wǎng)絡進行全面的效果分析是必要的34代謝工程可用于以下幾個方面：①在發(fā)酵工業(yè)方面，改進由微生物合成產(chǎn)物的得率和產(chǎn)率；②擴大可利用基質范圍；③合成對細胞而言是新的產(chǎn)物或全新產(chǎn)物；④改進細胞的普通性能，如