发酵原理和代谢工程的基本概念

《发酵原理和代谢工程的基本概念》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发酵原理和代谢工程的基本概念（35页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、发酵原理和代谢工程的 基 本 概 念 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 2 1. 微生物细胞能为其自身提供代谢能 2. 细胞能量转换机构的组成 3. 微生物代谢中的电子流和电子回路 4. 生物氧化和辅酶的再生 5. 生化反应途径和代谢途径 6. 生化反应网络和代谢网络 7. 代谢网络的联网问题 8. 代谢流和碳架物质流 9. 代谢主流 介绍 26 个基本概念： 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 3 10.载流途径与载流路径 11.代谢主流的变动性和选择性 12.理想载流途径 13.微生物生物工程的难题 14.代谢网络的节点及其刚性 15.工业发酵的五字策略 16.代谢网

2、络的刚性 17.代谢网络的刚性 18.微生物活细胞和细胞的经济性 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 4 19.正常代谢和竞争型细胞经济 20.异常代谢和导向型细胞经济 21.细胞经济受到严格的制约 22.信息流指导下的工业发酵 23.限制性遗传信息之谜 24.从发酵工程到代谢工程 25.代谢工程（定义） 26.代谢流及其控制的分析 介绍两个网址 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 5 1. 微生物细胞能为其自身提供代谢能 微生物细胞的生存方式与动物、植物 等高等生物的细胞不同，微生物细胞能 独 立存在，自主生活 。因此每个微生物细胞 都具有能量转换机构，这种机构可把其它

3、形式的能量转换成能被其自身直接使用的 能量 （ 如 ATP， GTP 和储存在膜上的质 子运动势 P ），暂且把它们称为 代谢能 。 在代谢能的直接支撑下，活细胞才能维持 其高度有序的状态。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 6 2.细胞能量转换机构的组成 微生物细胞的能量转换机构包括： 需要代谢能来激活的代谢途径的有关的 酶和这些酶的辅酶 、原核微生物的细胞 质膜和真核微生物线粒体的内膜，以及 这些膜上的 电子传递链 和 ATP酶 ，还有 在能量代谢和主动输送中起辅助作用的 有关 载体系统 。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 7 3.微生物细胞代谢的电子流和电子回路

4、 工业发酵普遍使用的化能异养型微 生物靠生物氧化把化学能转化为可被微 生物直接利用的代谢能。微生物细胞的 生物氧化过程必须借助于辅酶，并且其 生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴 随着电子（或质子）的流动，形成微生 物代谢的跨膜的质子回路。【下续】 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 8 ATP ATP酶 呼吸链 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 9 4.生物氧化和辅酶的再生 在微生物活细胞中，参与生物氧化反应 的脱氢酶的辅酶本身不能跨过膜，被局限在 其所在的细胞空间内。 它们必须被再生，才 能回用 ， 以维持能量代谢 。脱氢酶的辅酶在 细胞的氧化还原反应中接受电子而被还原

5、成 还原型辅酶，还原型辅酶把电子释放给电子 受体，从而实现脱氢酶的辅酶的再生。根据 最终电子受体的类型，可把生物氧化分成有 氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 10 5.生化反应途径和代谢途径 一系列按序进行的生物化学反 应构成生化反应途径；若这条途径 在活细胞里运行 ，则为代谢途径。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 11 6.生化反应网络和代谢网络 生化反应途径按生物化学规律 汇成生化反应网络；代谢途径与跨 膜输送系统按代谢规律汇成（物质） 代谢网络。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 12 7.代谢网络的联网问题 代谢中

6、间化合物都在代谢网络上，有些有 机化合物虽然不在代谢网络上但仍有可能与代 谢网络“联网”。 所谓“联网”就是用化学或 生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络 上去，从而使它与微生物的代谢建立联系。 “联网”可以用化学或生物学方法（ 含 DNA 重组技术 ）来实现。 广义的 “联网” 包含 代谢网络细节不同的生命有机体之间接力赛式 的代谢联系。 已在“网” 上或者可以“联网” 的化合物都可能被开发为工业发酵的产物或原 料。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 13 8.代谢流和碳架物质流 代谢物在代谢网络中流动形 成代谢流。广义的代谢流还包括 能量流和信息流。在代谢分析和 代谢工程中

7、，代谢流往往首先是 指 有机物流（碳架物质流） 。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 14 9.代谢主流 在一定的培养条件下，代谢 物在代谢网络中流动，流量相对 集中的代谢流叫做 该培养条件下 的代谢主流。代谢主流的流量测 定是代谢工程的重要组成部分。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 15 10.载流途径与载流路径 从字面上讲， 有代谢物流通过的代 谢途径即载流途径。载流路径是工业发 酵 领域的术语。 在工业发酵的目的产物 生产阶段，碳架物质从原料到目的产物 流经的各段代谢途径（即载流途径）， 按流经的先后次序首尾衔接，组合成载 流路径。 代谢工程没有必要研究所有的

8、载流途径，但必须研究载流路径上的代 谢流，也就是 生产阶段的代谢主流 。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 16 11.代谢主流的变动性和选择性 微生物的代谢主流的方向、流量 甚至所流经的途径都可能发生变化。 这就是微生物代谢主流的变动性和代 谢主流对代谢网络中的途径的选择性。 这种变动和选择的根据在微生物细胞 的遗传物质，选择的原因是微生物所 处的环境条件的变化。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 17 12.理想载流路径 为了提高产物对原料的转化率， 就要求代谢主流（根据代谢分析的结 果）经设定的载流路径流到目的产物。 因为这样的载流路径是 带有主观导向 性的虚拟的

9、载流途径，所以把它们叫 做理想载流路径。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 18 13.微生物生物工程的难题 既然微生物的代谢主流对网络中 的途径有 自主的 选择性，而工业发酵 的目标又是要微生物的代谢主流经理 想载流途径，流到目的产物，因此就 有必要去解决 理想载流途径的设计 问 题和对代谢主流的 合理导向 问题。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 19 14.代谢的“五段式” 在工业发酵生产中，培养器中的微 生物细胞的代谢是分步进行的。胞外营 养物质（一般要经胞外酶降解后）从培 养介质跨膜进入细胞，（一般要）经过 “向心途径”、“中心途径”和“离心 途径”等三段连续

10、的代谢途径的代谢， 才能在胞内生成目的产物，最后，目的 产物跨过细胞质膜排出细胞回到培养介 质。 【下续】 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 20 因此， 典型的理想载流途径 应该由以上五段承担不同代谢分 工的依次衔接的代谢途径组成。 这就是载流途径的“五段式”。 在这条载流途径上流动的代谢主 流对应地也有五段，这就是代谢 主流的“五段式”。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 21 15.工业发酵的五字策略 在“ 载流路径 ” 、“ 代谢主 流 ” 和“ 五段式 ” 等概念的基础 上，从统筹的角度出发，提出 能作 为一个整体用于设计育种以及发酵 工艺控制的 的五字策略

11、： “ 进、 通、节、堵、出 ” 【下续】 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 22 进，促进细胞对碳源营养物质的吸收； 通，使来自上游和各个注入分支的碳 架物质能畅通地流向目的产物； 节，阻塞与目的产物的形成无关或关 系不大的代谢支流，使碳架物质相对集 中地流向目的产物； 堵，消除或削弱目的产物进一步代谢 的途径； 出，促进目的产物向胞外空间分泌。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 23 16. 代谢网络的节点及其刚性 微生物代谢网络中的途径的交叉点 （代谢流的集散处）叫做 节点（ node） ， 微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比 率的改变的特性叫做节点的刚性 。节

12、点的 刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。 因此在应用 “ 五字策略 ” 制订育种方案 时必须认真考虑节点刚性问题，尽量采用 解除调节的育种手段。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 24 17.代谢网络的刚性 微生物自动抵制代谢网络中代 谢物流量分布的改变的特性叫做代 谢网络的刚性。 代谢网络的刚性与 主要刚性节点的刚性大小、分布及 数量密切相关。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 25 18.微生物活细胞及其经济性 微生物活细胞是个远离平衡 状态的开放体系，是一种靠消耗 能量而维持低熵的稳定动态的特 殊结构 耗散结构。 【下续】 2021/1/25 张星元：发酵原理（

13、讲座） 26 从微生物细胞对能量和化学物质的 内外交换、增收节支、协调自律等客观 规律出发，把微生物细胞作为按特殊的 经济规律运行的经济实体来看待，并且 把这种按特殊的经济规律运行的有利于 生存竞争（生存保障）的新陈代谢特性 叫做细胞经济性。 细胞的经济性可以以 生成细胞的重量与消耗基质的重量之比 值 细胞经济系数来衡量。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 27 19.正常代谢和竞争型细胞经济 微生物在生存竞争中进化的方向是发 展其自身的适应能力和提高细胞运行的经 济系数。经生存竞争而幸存下来的野生型 微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能 力的，并且它们的代谢中间物在代谢网络 中的

14、分布及细胞经济运行状况有利于细胞 生长、繁殖和在竞争中获胜。在上述条件 下，细胞处于正常代谢状态，细胞经济体 系呈现 竞争型细胞经济的特色 。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 28 20.异常代谢和导向型细胞经济 如果工业生产要求微生物在胞外累积 某种代谢中间产物，则须对微生物的代谢 流进行 导向 。根据已获得的代谢分析的信 息，应用“五字策略”有可能设计理想载 流途径和配套的发酵培养工艺路线和工艺 条件，进而改造菌种、调整工艺， 将代谢 主流导向理想载流途径。在导向成功的情 况下，细胞处于异常代谢状态，细胞经济 体系呈现导向型细胞经济的特色。 2021/1/25 张星元：发酵原

15、理（讲座） 29 21.细胞经济受到严格的制约 工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得 产品，导向型细胞经济固然有利于特定的 代谢产物的生产，但 竞争型细胞经济向导 向型细胞经济的转化受到能量代谢、还原 力的平衡等条件的严格制约（以保证有熵 的输出），表现出代谢网络的刚性。 若细 胞经济实体的运行状态过度偏离竞争型运 行状态，活细胞的高度有序状态将走向无 序，最终导致 细胞经济的崩溃 。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 30 22.信息流指导下的工业发酵 在工业发酵生产中，可以把微生物 细胞看作是 细胞机器 ，它们进行能量代 谢和物质代谢；同时又可以把它们看作 是 信息处理器 ，它们复

16、制和传递自己的 生物信息，接收细胞内外的物理、化学 甚至生物信息，并在对内外信息流进行 综合处理的基础上，发出代谢调控的指 令， 在网络刚性的范围之内控制微生物 细胞自身的生命活动。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 31 23.限制性遗传信息之谜 可以推测在每个微生物细胞的遗传 物质中必有其限制性的生死攸关的遗传 信息，它们规定微生物细胞生命活动的 基本的代谢网络及其调节机制。这些遗 传信息是微生物细胞能够自主生活与独 立存在的依据，也是微生物对环境的有 限的适应性以及设计育种的计划往往不 能完全兑现的内在原因。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 32 24. 从发酵

17、工程到代谢工程 微生物生物工程 （ 现代发酵工程） 基本理论在对代谢流及其控制做出了 定 性或半定量的分析 ，并在此基础上建立 了工业发酵的策略思想。这就为代谢流 （及其控制）的 定量分析 架起了桥梁。 基因工程原理和已走向成熟的 分子生物 学技术 又为我们提供了进行精确而有效 的遗传修饰的手段。于是， 代谢工程水 到渠成 了。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 33 25.代谢工程（定义） 代谢工程是这样一种生物工程技 术： 在对代谢流及其控制 进行定量分 析 的基础上， 提出 精确的 遗传修饰方 案并借助 分子生物学技术 付诸实施。 如此按部就班反复进行实践，从 代谢 的整体上

18、 改善细胞的性能和应用前景。 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 34 26.代谢流及其控制的分析 1.代谢途径的综合分析 （ Metabolic Pathway Synthesis） 2.代谢流量分析（ Metabolic Flux Analysis ） 3.代谢控制分析（ Metabolic Control Analysis） 4.代谢网络结构分析 5.代谢网络流量分析 6.细胞生命活动的热动力学 2021/1/25 张星元：发酵原理（讲座） 35 www.genome.ad.jp/kegg KEGG:Kyoto Encyclopaedia of Genes and Genomes www.embl-heidelberg.de/ www.gmd.de/Welcome.en.html German National Centre for Information Technology homepage 介绍两个网址：