页数：38页文件大小：140.5 KB来源： 发酵原理课外讲座ppt课件
本课件为发酵原理课程的代谢工程导读，从半个多世纪生理育种知识的累积、基因工程理论与技术成熟、代谢流定量分析技术发展三条线索说明代谢工程的酝酿过程，进而界定代谢流及其控制的概念，区分分析部分与综合部分，并给出代谢工程的严谨定义与十项应用方向。
代谢工程导读：张星元《发酵原理》课外讲座之一。研究代谢工程，是为了精确地处理好微生物细胞自身的利益与人类对微生物细胞提出的要求之间的对立与统一关系。
研究代谢工程的目的：精确地处理好微生物细胞自身的利益与人类对微生物细胞提出的要求之间的对立与统一的关系。
本页给出研究代谢工程的根本目的，是理解后续各讲的总纲。
代谢工程的导读
本页为导读目录，按酝酿、概念、组成部分、含义、应用顺序展开，便于按图索骥地查阅后续各页。
1. 代谢工程的酝酿
用代谢途径操作的手段改造微生物以获得期望的性质，并不是新的观念。在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都能找到突出例子。
这些方法主要依赖化学诱变剂处理微生物，并用设计的筛选技术检出优良性状突变株。尽管被广泛接受且效果良好，但人们对突变株遗传和代谢性状的精确变化知之甚少。
尽管所有菌种改良方案都有某种定向含义，但传统的诱变是随机的，定向与随机诱变没有直接关系。
事实上，人们早就根据随机诱变后筛得的高产突变株的遗传标记及其优良性质的实验结果，来推测途径及其控制机制。
有人把由突变株反推代谢途径的做法叫做逆行的代谢工程（reverse metabolic engineering）。
逆行的代谢工程为代谢网络的构建和完善，以及代谢工程的进展提供了大量的生理学和遗传学信息。
二十多年来，基因工程的理论和DNA重组的分子生物学技术已成熟。
DNA重组技术的开发和应用，把代谢操作引进了一个新的层面：人们已能对代谢途径的指定酶反应进行精确修饰，因此有可能构建精心设计的遗传背景。
1.3 代谢流定量分析技术的发展
代谢流量分析的基础是拟稳态假设：假设在产物形成速率最大的阶段，各种代谢中间物的胞内浓度变化速率为零。
根据质量平衡，由 n 个中间代谢物即可得到 n 个关于速率的方程，通过测定胞外代谢产物浓度，计算未知途径的流量。
1.4 生化工程在线检测和建模方法的发展
色谱、质谱、红外等在线检测手段，以及生物传感技术的发展，可为发酵在线检测和反馈提供可靠的原始数据。建模方法也有发展。
2. 代谢流及其控制的概念
代谢流的概念本身并不新。代谢流及其控制引起生化研究人员中少数先知的注意，大约已有30多年历史。作为他们工作的结果，代谢控制的观念成熟了并被严格定义，尽管这些观念并不始终被传统生物学家广泛接受。
代谢工程最初仅仅被设想为特定的途径操作（生物化学、生理学、遗传学领域）。
后来，发酵工程师们惊喜地发现：利用代谢流控制分析这个有效平台，可以向工业发酵过程导入严密性，并把它变成发酵工程领域工程数据分析的输出端。
代谢和细胞生理学可为反应途径分析提供主要背景知识；代谢流量测定和控制的结果具有广阔的适用范围和实际应用前景。
因而，除了分析代谢途径上的物质流和能量流，代谢工程的概念同样可以应用于将来信号传感途径的信息流的分析（目前对于信息流尚未很好地定义）。
3. 代谢工程的两个组成部分
本页为章节目录，引出代谢工程分析部分与综合部分两大组成，是理解代谢工程工程属性的关键。
因为代谢工程借助DNA重组技术作为一种启用技术而出现，一开始人们就把注意力放在这个领域的综合方面：
这样所谓的代谢工程，在相当程度上仅仅是应用分子生物学技术的表现形式，几乎没有工程的内容，因此从生物过程的角度来衡量，并不是够格的代谢工程。
与所有传统的工程领域一样，代谢工程也包含「分析」和「综合」两个规定的步骤。
本页强调代谢工程与传统工程一样包含分析与综合两个规定步骤，为后面展开分析部分张本。
本页为分析部分的引导页，提示重要的工程内容存在于代谢工程的分析方面，随后逐条列出待回答的问题。
3.2「综合」部分：包括以分子生物学方法进行的综合实验。
在综合方面，代谢工程另一个不同寻常的特征是代谢途径的「集成」，而往往不是单个反应的导入。
这样，代谢工程研究的是整个代谢网络，涉及途径分析和热动力学可能性、途径流量及其控制。
我们研究的出发点正在经历从单个酶反应向相互影响的生化反应体系转变。
本页指出研究出发点正从单个酶反应转向相互影响的生化反应体系，是代谢工程方法论上的重要转变。
通过对整个反应体系而不是一个个孤立的反应的考察，就有可能获得关于代谢和细胞功能的更全面的认识。在这个意义上，「代谢网络」的观念最为重要。
代谢工程使用来自还原论者的大量信息和研究技术，来进行设计和综合。
而关于整个体系的运转状态的观察（工程数据采集），对于进一步的合理分析来说，又是最好的指导。
代谢工程让人们把注意力转向代谢网络的整个体系而不是其组成部分。这个转向说明基因工程已在总结经验和教训中走向成熟。
本页总结：代谢工程把注意力转向代谢网络的整个体系，标志着基因工程在总结经验教训中走向成熟。
代谢工程把发酵工程的两个关键组成部分——菌种和发酵工艺控制——凝聚在一起，这正是发酵原理的基本立场。
在发酵工业历史上，菌种与发酵工艺控制的分开促进了发酵生产的工业化，也束缚了高精度发酵工程的发展。代谢工程使发酵工程返璞归真，是强化了生物学属性的广义的发酵工程。
发酵原理（工业发酵的生物学原理）是代谢控制发酵通向代谢工程的桥梁，是分子生物学技术在发酵工业上取得丰硕成果的向导，也是我国生物工程、发酵工程界后生超越前辈、领先世界的「内功」。
4. 代谢工程的含义
DNA重组技术刚进入可行阶段不久，就出现了不少术语：
不同作者的定义不完全相同，但均传达了与代谢工程总目标和手段相似或递进的含义。
几十年来，人们一直用物理或化学诱变来改变微生物的遗传特性。通过传统的诱变和筛选，成功开发了大量生产抗生素和氨基酸的菌种。
在已知代谢途径的基础上采用了一些精心设计的筛选方法，但整体上这个方法还仅仅是一种「试差法」。
DNA重组技术的出现使人类许多美好理想有可能成为现实。用目标明确的遗传修饰替代传统的暗箱操作去改变代谢途径，已取得可喜成绩。
发酵工程和微生物代谢流的分析提供的信息，又可以校正遗传修饰的精度，从而更进一步逼近预定目标。
本页给出代谢工程的最初定义，即借助 DNA 重组技术修饰或引进生化反应以改善产物形成与细胞性能。
这样定义的代谢工程，基本特征是工作目标的确切性。
先要找到要进行修饰或要引进的目标生化反应；一旦找准目标，就用已建立的分子生物学技术去扩增、抑制或删除、传递相应的基因或酶，或者解除对相应基因或酶的调节。广义的DNA重组只是常规地应用于不同步骤中，以便于达到这些目标。
也有人这样定义：通过使用DNA重组和分子生物学技术，对代谢途径进行修饰和（或）引进缺失，从而改变细胞的新陈代谢作用和（或）细胞特性的生物工程的分支。
这样的定义尽管强调了目标的确切性，但仍不能包容代谢工程的工程分析方面的内容，仍不能做到「分析」和「综合」的有机结合。
应该根据代谢工程的生物学和工程学实质来规范代谢工程的内涵，给代谢工程下定义。
本页为过渡页，提示应根据代谢工程的生物学与工程学实质来规范其内涵，引出下一页的完整定义。
5. 代谢工程的应用
代谢工程的应用（续）
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