代謝網(wǎng)絡和聯(lián)網(wǎng)問題ppt課件

1、第四節(jié)第四節(jié) 代謝網(wǎng)絡和代謝網(wǎng)絡和 聯(lián)網(wǎng)問題聯(lián)網(wǎng)問題 代謝網(wǎng)絡假說是從目的產(chǎn)物假說開展代謝網(wǎng)絡假說是從目的產(chǎn)物假說開展起來的。出于尋覓發(fā)酵學的起來的。出于尋覓發(fā)酵學的“元素周期表，元素周期表，用以預測工業(yè)發(fā)酵未來產(chǎn)品的良好愿望，用以預測工業(yè)發(fā)酵未來產(chǎn)品的良好愿望，提出目的產(chǎn)物假說。目的產(chǎn)物假說假想代提出目的產(chǎn)物假說。目的產(chǎn)物假說假想代謝網(wǎng)絡上的任何化合物都有能夠開發(fā)為工謝網(wǎng)絡上的任何化合物都有能夠開發(fā)為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)品。那么，不在代謝網(wǎng)絡上的業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)品。那么，不在代謝網(wǎng)絡上的化合物怎樣與工業(yè)發(fā)酵建立關(guān)系呢？逆向化合物怎樣與工業(yè)發(fā)酵建立關(guān)系呢？逆向思想激活了代謝網(wǎng)絡延伸的思緒：不在代思想激活了代

2、謝網(wǎng)絡延伸的思緒：不在代謝網(wǎng)絡上的化合物也能夠與工業(yè)發(fā)酵發(fā)生謝網(wǎng)絡上的化合物也能夠與工業(yè)發(fā)酵發(fā)生關(guān)系，只需它們能與代謝網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)。關(guān)系，只需它們能與代謝網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)。 所謂聯(lián)網(wǎng)，就是用化學或生物化學反響所謂聯(lián)網(wǎng)，就是用化學或生物化學反響把指定的化合物銜接到代謝網(wǎng)絡上去，從而把指定的化合物銜接到代謝網(wǎng)絡上去，從而使它與微生物的代謝建立聯(lián)絡。聯(lián)網(wǎng)的想象使它與微生物的代謝建立聯(lián)絡。聯(lián)網(wǎng)的想象促成了代謝網(wǎng)絡的人為延伸。對于工業(yè)發(fā)酵促成了代謝網(wǎng)絡的人為延伸。對于工業(yè)發(fā)酵來說，代謝網(wǎng)絡的人為延伸意味著新原料和來說，代謝網(wǎng)絡的人為延伸意味著新原料和新產(chǎn)品的開發(fā)，意味著工業(yè)發(fā)酵的研討和開新產(chǎn)品的開發(fā)，意味著工業(yè)發(fā)酵

3、的研討和開發(fā)的寬廣空間。怎樣才干實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)呢？聯(lián)網(wǎng)發(fā)的寬廣空間。怎樣才干實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)呢？聯(lián)網(wǎng)可以用化學或生物學方法含可以用化學或生物學方法含DNA重組技重組技術(shù)來實現(xiàn)。廣義的聯(lián)網(wǎng)包含生命有機體之術(shù)來實現(xiàn)。廣義的聯(lián)網(wǎng)包含生命有機體之間接力賽式的代謝聯(lián)絡。間接力賽式的代謝聯(lián)絡。 總而言之，已在代謝網(wǎng)絡總而言之，已在代謝網(wǎng)絡上，或者可以聯(lián)網(wǎng)的化合物，上，或者可以聯(lián)網(wǎng)的化合物，都能夠被開發(fā)為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)都能夠被開發(fā)為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)物或原料。這一點已得到了上物或原料。這一點已得到了上個世紀末葉的發(fā)酵工程和生物個世紀末葉的發(fā)酵工程和生物工程實際的支持。工程實際的支持。3.4.1 代謝網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡3.4.2 擴展發(fā)

4、酵原料范圍擴展發(fā)酵原料范圍3.4.3 擴展發(fā)酵產(chǎn)品范圍擴展發(fā)酵產(chǎn)品范圍3.4.4 發(fā)酵新產(chǎn)品的開發(fā)發(fā)酵新產(chǎn)品的開發(fā) 3.4.1 代謝網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡 一系列按序進展的生物化學反響構(gòu)成一系列按序進展的生物化學反響構(gòu)成生化反響途徑，生化反響途徑按生物化學生化反響途徑，生化反響途徑按生物化學規(guī)律匯成生化反響網(wǎng)絡；假設途徑在活細規(guī)律匯成生化反響網(wǎng)絡；假設途徑在活細胞里運轉(zhuǎn)，那么為代謝途徑；代謝途徑和胞里運轉(zhuǎn)，那么為代謝途徑；代謝途徑和保送系統(tǒng)相互間的接合，加上細胞內(nèi)輔酶保送系統(tǒng)相互間的接合，加上細胞內(nèi)輔酶再生與回用的協(xié)調(diào)，構(gòu)成橫跨微生物活細再生與回用的協(xié)調(diào)，構(gòu)成橫跨微生物活細胞內(nèi)外的、可調(diào)理的、無尺度的代

5、謝網(wǎng)絡。胞內(nèi)外的、可調(diào)理的、無尺度的代謝網(wǎng)絡。 從不同角度、不同層面分析微生物代謝，從不同角度、不同層面分析微生物代謝，可以發(fā)現(xiàn)有不同的代謝網(wǎng)絡。本課程研討的可以發(fā)現(xiàn)有不同的代謝網(wǎng)絡。本課程研討的主要是有機物碳酶和蛋白質(zhì)層面上的代主要是有機物碳酶和蛋白質(zhì)層面上的代謝網(wǎng)絡。在研討這種代謝途徑的過程中發(fā)現(xiàn)，謝網(wǎng)絡。在研討這種代謝途徑的過程中發(fā)現(xiàn)，對于兼性厭氧微生物來說，不但需氧與缺氧對于兼性厭氧微生物來說，不但需氧與缺氧時代謝網(wǎng)絡有明顯差別，而且在不同的培育時代謝網(wǎng)絡有明顯差別，而且在不同的培育條件下生長與生存時，代謝網(wǎng)絡也是有差別條件下生長與生存時，代謝網(wǎng)絡也是有差別的。在某特定的條件下馴養(yǎng)微生

6、物也許能喚的。在某特定的條件下馴養(yǎng)微生物也許能喚醒醒“沉睡的基因，使這些基因編碼的酶或蛋沉睡的基因，使這些基因編碼的酶或蛋白質(zhì)參與代謝網(wǎng)絡。白質(zhì)參與代謝網(wǎng)絡。 在有氧生長與缺氧生存的條件下，在有氧生長與缺氧生存的條件下，代謝網(wǎng)絡的差別主要表如今代謝網(wǎng)絡代謝網(wǎng)絡的差別主要表如今代謝網(wǎng)絡中心板塊的中心板塊的TCA途徑上。途徑上。 3.4.1.1 有氧生長的代謝網(wǎng)絡有氧生長的代謝網(wǎng)絡 在供氧條件下，在供氧條件下，TCA途徑進展正途徑進展正常的環(huán)式運轉(zhuǎn)常的環(huán)式運轉(zhuǎn)TCA環(huán)。微生物依環(huán)。微生物依托有氧生長的代謝網(wǎng)絡，合成細胞組托有氧生長的代謝網(wǎng)絡，合成細胞組成物質(zhì)，高速地轉(zhuǎn)化生成代謝能，最成物質(zhì)，高速地

7、轉(zhuǎn)化生成代謝能，最終構(gòu)成整個細胞，實現(xiàn)正常生長。在終構(gòu)成整個細胞，實現(xiàn)正常生長。在以以TCA環(huán)為骨架的中心板塊的根底上環(huán)為骨架的中心板塊的根底上構(gòu)件成有氧生長的代謝網(wǎng)絡：構(gòu)件成有氧生長的代謝網(wǎng)絡： 3.4.1.2 缺氧生存的代謝網(wǎng)絡缺氧生存的代謝網(wǎng)絡 在缺氧條件下，在缺氧條件下， TCA途徑的環(huán)式運轉(zhuǎn)中途徑的環(huán)式運轉(zhuǎn)中斷，斷，TCA環(huán)變成在環(huán)變成在OAA處發(fā)生分支的分叉處發(fā)生分支的分叉途 徑 ， 構(gòu) 成 從途 徑 ， 構(gòu) 成 從 O A A 出 發(fā) 的 經(jīng) 蘋 果 酸出 發(fā) 的 經(jīng) 蘋 果 酸MLA、延胡索酸、延胡索酸FMA到琥珀酸到琥珀酸SCA的的TCA途徑復原支路和從途徑復原支路和從OAA

8、出出發(fā)的經(jīng)檸檬酸發(fā)的經(jīng)檸檬酸CTA、異檸檬酸、異檸檬酸ICA到到-酮戊二酸酮戊二酸-KG的的TCA途徑氧化支途徑氧化支路。在以路。在以TCA分叉途徑為骨架的中心板塊分叉途徑為骨架的中心板塊的根底上構(gòu)建缺氧生存的代謝網(wǎng)絡。以下的根底上構(gòu)建缺氧生存的代謝網(wǎng)絡。以下圖是兼性厭氧微生物在缺氧條件下發(fā)酵生圖是兼性厭氧微生物在缺氧條件下發(fā)酵生成能量代謝副產(chǎn)物的簡單的表示圖。成能量代謝副產(chǎn)物的簡單的表示圖。3.4.2 擴展發(fā)酵原料范圍擴展發(fā)酵原料范圍 對絕大多數(shù)的微生物來說，構(gòu)成對絕大多數(shù)的微生物來說，構(gòu)成細胞的代謝途徑根本一樣，所以底物細胞的代謝途徑根本一樣，所以底物范圍的擴展通常只需添加少量的化學范圍的

9、擴展通常只需添加少量的化學反響或酶反響步驟就能夠?qū)崿F(xiàn)。有時反響或酶反響步驟就能夠?qū)崿F(xiàn)。有時這些步驟還需與下游反響相兼容和協(xié)這些步驟還需與下游反響相兼容和協(xié)調(diào)。調(diào)。 3.4.2.1 用木糖消費乙醇的代謝途徑用木糖消費乙醇的代謝途徑3.4.2.2 降解淀粉的微生物降解淀粉的微生物 3.4.3 擴展發(fā)酵產(chǎn)品范圍擴展發(fā)酵產(chǎn)品范圍 這是一個具有宏大潛力的領域，這是一個具有宏大潛力的領域，異源基因的合理表達能拓展宿主微異源基因的合理表達能拓展宿主微生物現(xiàn)有的代謝途徑，以求過量合生物現(xiàn)有的代謝途徑，以求過量合成知的和新穎的具備優(yōu)良化學、物成知的和新穎的具備優(yōu)良化學、物理特性的化合物。這里主要引見屬理特性的化合物。這里主要引見屬于微生物的初級代謝產(chǎn)物和能量代于微生物的初級代謝產(chǎn)物和能量代謝副產(chǎn)物