1、代谢工程,代谢工程（metabolic engineering)是指藉某些特定 生化反应的修饰来定向改变细胞的特性或运用重组 DNA技术来创造新的化合物。经分析方法运用于与 物流的定量化，用分子生物技术来控制物流以实现 所需的遗传改造是代谢工程的要素。代谢工程采用 的概念来自反应工程和用于生化反应途径分析的热 力学。它强调整体的代谢途径而不是个体反应。代 谢工程涉及完整的生物反应网络、途径合成问题、 热力学可行性、途径的物流及其控制。,代谢工程概述,细胞的生命活动是通过活细胞和细胞群的代谢网络进行的，而代谢网络是由一系列酶的级联化学反应以特异性的膜转化系统构成。 对人类的应用而言，活细胞自身固
2、有的代谢网络的遗传特性并不是最佳的，为了积累大量的某种代谢产物，就必须要打破并重建细胞的代谢平衡。,代谢工程要解决的问题 目前代谢工程要解决的主要问题是改变某些途径中的碳架物质流量或改变碳架物质在不同途径中的流量分布。 典型目标是修饰初级次级代谢，将碳架物质流导入目的产物的理想载流途径以获得产物的最大转化率。,主要应用方向 (1) 提高细胞现存代谢途径中天然产物的产量； (2) 改造细胞现存的代谢途径，使其合成新产物，这种新产物可以是中间代谢产物或修饰型的最终产物； (3)对不同细胞的代谢途径进行拟合，构建全新的代谢通路，从而产生细胞自身不能合成的新产物； (4)优化细胞的生物学特性，如：生长
3、速率、极端环境条件和耐受性等。,二、代谢工程的研究内容,代谢工程涉及的主要内容包括： 生物合成相关代谢调控和代谢网络理论； 代谢流的定量分析； 代谢网络的重新设计； 中心代谢作用机理及相关代谢分析； 基因操作。,代谢分析,代谢分析是代谢工程的重要组成部分。它涉及代谢流的定量和定向、研究细胞内代谢物浓度的反应工程方法以及细胞内稳态流分析等。 代谢流分析是代谢分析的一个重要手段。它假定细胞内的物质、能量处于拟稳态，通过测定胞外物质浓度，再根据物料平衡计算细胞内的代谢流。,放射性标记、同位素示踪等技术的应用使代谢流分析更简单、方便。通过对细胞在不同情况(如改变培养环境、去除抑制、增加或减少酶活等)的
4、代谢流分析，便可确定节点类型、确定最优途径、估算基因改造的结果、计算最大理论产率等。对于简单的反应系统，通过对所有的代谢网络的精准分析及平衡计算就可以得到满意的结果。 但是，对于比较复杂的代谢系统，代谢流分析就显得棘手。,代谢中间产物作为生物合成的前体及能量供应者，转向终产物的碳流的大小将最终决定终产物的产率。中间代谢产物的代谢流改变会受到细胞的抑制，并引起胞内功能的严重改变。传统的代谢工程对中间产物的生理作用考虑较少，从而使产率远远达不到所计算的理论最大产率。,代谢控制分析,弹性系数和流量控制系数是代谢控制分析研究的两个主要指标。 弹性系数揭示代谢物浓度变化对反应速率的影响程度。 流量控制系
5、数则为单位酶变化量引起的某分支稳态代谢流量的变化，用来衡量某一步酶反应对整个反应体系的控制程度。这两个系数相互关联，可直接或间接测定。,代谢改造思路,代谢工程研究的重点在于改造代谢网络，以便生产特定目的代谢产物或具有过量生产能力的工程菌应用于工业生产。根据微生物的不同代谢特性，常采用改变代谢流、扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种方法。,(1)改变代谢途径方法 加速限速反应 增加限速酶的表达量，来提高产物产率。然而限速酶反应的改变可能会给整个代谢网络带来负面影响。 改变分支代谢途径流向 提高代谢分支点某一分支代谢途径酶活力，使其在与其它的分支代谢途径的竞争中占据优势，从而提高目的代谢产物的产量。,(2)扩展代谢途径 在宿主菌中克隆和表达特定外源基因，从而延伸代谢途径，以生产新的代谢产物和提高产率。扩展代谢途径还可使宿主菌能够利用自身的酶或酶系消耗原来不消耗的底物。 (3)转移或构建新的代谢途 通过转移代谢途径、构建新的代谢途径等方法来实现。,代谢工程发展趋势,传统的代谢工程是以代谢网络理论为基础，以代谢分析和代谢改造为主要手段。代谢途径的复杂性给检测分析带来不少麻 年代末兴起的逆世纪烦，在某种程度上阻碍了它的应用。 逆代谢工程,
