代謝工程知識(shí)整理

1/5一、名詞解釋：DNA技術(shù)和分析生物學(xué)相關(guān)的遺傳學(xué)手段進(jìn)展有準(zhǔn)確目標(biāo)的遺傳操作，轉(zhuǎn)變酶的功能或輸送體系的功能，甚至產(chǎn)能系統(tǒng)的功能，以改進(jìn)細(xì)胞某些方面的代謝活性的整套操作工作〔包括代謝分析、代謝設(shè)計(jì)、遺傳操作、目的代謝活性的實(shí)現(xiàn)。代謝工程是生物化學(xué)反響代謝網(wǎng)絡(luò)有目的的修飾。它屬于基因工程的一個(gè)重要的分支。代謝把握發(fā)酵技術(shù)：利用遺傳學(xué)的方法或生物化學(xué)方法，人為地在DNA分子水平上轉(zhuǎn)變和把握微生物的代謝，使目的產(chǎn)物大量的生成、積存的發(fā)酵。生物技術(shù)：是應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠微生物、動(dòng)物、植物體作為反響器將物料進(jìn)展加工以供給產(chǎn)品來(lái)為社會(huì)效勞的技術(shù)。〔〔代謝流的集散處點(diǎn)。在不同條件下，代謝流分布變化較大的節(jié)點(diǎn)稱為主節(jié)點(diǎn)。依據(jù)節(jié)點(diǎn)下游分支的可變程度，節(jié)點(diǎn)分為柔性、弱剛性、強(qiáng)剛性三種。柔性節(jié)點(diǎn)e：是節(jié)點(diǎn)的一種類型，是流量安排簡(jiǎn)潔轉(zhuǎn)變并滿足代謝需求的一類節(jié)點(diǎn)〔物的反響抑制后，該分支的代謝流量分割率大大增加。強(qiáng)剛性節(jié)點(diǎn)：假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)分支途徑的流量分割率受到嚴(yán)格把握，那么這類節(jié)點(diǎn)就稱為強(qiáng)剛性節(jié)點(diǎn)〔指由節(jié)點(diǎn)流向某一分支或某些分支的代謝流量分割率是難以轉(zhuǎn)變的，這是由產(chǎn)物的反響抑制及對(duì)另一分支酶的反式激活的相互作用所致〕弱剛性節(jié)點(diǎn)：假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量安排由它的某一分支途徑的分支動(dòng)力學(xué)所把握，則稱該節(jié)點(diǎn)是弱剛性節(jié)點(diǎn)，介于柔性節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)剛性節(jié)點(diǎn)之間。代謝流：定義為流入代謝物被途徑加工成流出代謝物的速率。途徑工程y：是一門利用分子生物學(xué)原理系統(tǒng)分析細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)DNA性學(xué)科。合成生物學(xué)：簡(jiǎn)潔地說(shuō)，合成生物學(xué)是通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)來(lái)解決能源、材料、安康和環(huán)保等問(wèn)題的一門興學(xué)科。底物：培育基中存在的化合物，能被細(xì)胞進(jìn)一步代謝或直接構(gòu)成細(xì)胞組分。代謝產(chǎn)物：由細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外培育基中的化合物，可以是初級(jí)代謝產(chǎn)物〔如二氧化碳、乙醇等，也可以是次級(jí)代謝產(chǎn)物或蛋白質(zhì)。胞內(nèi)代謝物re：細(xì)胞內(nèi)其它的化合物，包括不同代謝途徑的中間代謝物和用于大分子合成的構(gòu)造單元等。生物基質(zhì)要素：構(gòu)成生物基質(zhì)大分子池的一類物質(zhì)，包括RNA、DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳水化合物等。途徑：是指催化總的代謝物的轉(zhuǎn)化、信息傳遞和其他細(xì)胞功能的酶促反響的集合。通量/物流：是指物質(zhì)或信息通過(guò)途徑被加工的速率，它與個(gè)別反響速率不同?！裁~解釋不全……〕二、問(wèn)答題：代謝工程的根本原理:①涉及細(xì)胞物質(zhì)代謝規(guī)律及途徑組合的生物化學(xué)原理生化反響的分子機(jī)理；②涉及細(xì)胞代謝流及其把握分析的化學(xué)計(jì)量學(xué)、分子反響動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和把握學(xué)原理，這是代謝途徑修飾的理論依據(jù)；③等；④涉及基因操作與把握的分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)原理同時(shí)也供給了基因操作的一整套相關(guān)技術(shù)；⑤涉及細(xì)胞生理狀態(tài)平衡的細(xì)胞生理學(xué)原理，它為細(xì)胞代謝機(jī)能供給一個(gè)全景式的描述，因此是一個(gè)代謝速率和生理狀態(tài)表征爭(zhēng)論的抱負(fù)平臺(tái)；⑥涉及發(fā)酵或細(xì)胞培育的工藝和工程把握的生化工程和化學(xué)工程原理方法運(yùn)用于生物系統(tǒng)的爭(zhēng)論無(wú)疑是最適宜的渠道綜合、定量、相關(guān)等概念。它為速率過(guò)程受限制的系統(tǒng)分析供給了獨(dú)特的工具和閱歷，因此在途徑工程領(lǐng)域中具有舉足輕重的意義；⑦更為寬闊的表演舞臺(tái)，是途徑工程的最大推動(dòng)力。代謝工程操作過(guò)程：代謝工程操作至少應(yīng)包括以下三大根本過(guò)程。①靶點(diǎn)設(shè)計(jì)首先，依據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)和計(jì)量學(xué)原理測(cè)定代謝網(wǎng)絡(luò)中的代謝流分布〔即代謝流分析中最重要的是細(xì)胞內(nèi)碳和氮元素的流向比例關(guān)系；其次，在代謝流分析的根底上調(diào)查其把握狀態(tài)、機(jī)制和影響因素〔即代謝把握分析；最終，依據(jù)代謝流分布和把握的分析結(jié)果確定代謝設(shè)計(jì)的合理靶點(diǎn)，通常包括擬修飾基因的靶點(diǎn)、擬導(dǎo)入途徑的靶點(diǎn)或者擬阻斷途徑的靶點(diǎn)等。②基因操作利用途徑工程戰(zhàn)略修飾改造細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的核心是在分子水平上對(duì)靶基因或基因簇進(jìn)展遺傳操作，其中最典型的形式包括基因或基因簇的克隆、表達(dá)、修飾、敲除、調(diào)控以及重組基因在目標(biāo)細(xì)胞染色體DNA術(shù)。③效果分析一次性的途徑工程設(shè)計(jì)和操作往往不能到達(dá)實(shí)際生產(chǎn)所要求的產(chǎn)量、速率或濃度，由于大局部試驗(yàn)涉及到的只是與單一代謝途徑有關(guān)的基因、操縱子或基因簇的轉(zhuǎn)變。因此需要對(duì)途徑進(jìn)展全面的效果分析。代謝工程常用技術(shù)：代謝工程的爭(zhēng)論技術(shù)主要包括以下三類：常規(guī)的化學(xué)和生物化學(xué)檢測(cè)手段都可用于代謝工程的爭(zhēng)論，包括同位素示蹤方、酶動(dòng)力學(xué)分析方法、光譜學(xué)方法等。承受化學(xué)計(jì)量學(xué)、分子反響動(dòng)力學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的爭(zhēng)論方法并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以進(jìn)一步說(shuō)明細(xì)胞代謝途徑和代謝網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特征與把握機(jī)理，同時(shí)確定關(guān)鍵靶點(diǎn)?？梢詺w結(jié)為基因水平上的操作，涉及到幾乎全部的分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)特地試驗(yàn)技術(shù),如基因和基因簇的克隆、表達(dá)、調(diào)控；DNADNA的轉(zhuǎn)化；基因的體內(nèi)同源重組與敲除；整合型重組DNA在細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定維持等。反響類型：依據(jù)參與細(xì)胞內(nèi)生化代謝系統(tǒng)的反響特點(diǎn)，可將生物體內(nèi)名目繁多的各類反響過(guò)程分成以下四大類。①裝配反響〔AssemblyReaction〕裝配反響完成大分子的修飾，將其運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)的特定成。這類反響在工程應(yīng)用中涉及較少。②聚合反響〔PolymerizationReaction〕聚合反響完成的是從細(xì)胞內(nèi)的構(gòu)建單體〔BuildingBlocks〕向生物大分子的聚合過(guò)程。特點(diǎn)是聚合過(guò)程均為長(zhǎng)鏈?zhǔn)降模虚g并伴有分支反響的參與。③生物合成反響〔BiosynthesisReaction〕生物合成反響的最終產(chǎn)物是參與聚合反響的構(gòu)建單體，同時(shí)也合成一些輔酶及相關(guān)代謝因子〔包括信號(hào)分子。④產(chǎn)能反響〔FuelingReaction〕12種用于生物合成反響的前體物質(zhì)，并且伴隨著反響的進(jìn)程會(huì)釋放大量的自由能，用于能量物質(zhì)ATP的合成?！?.在現(xiàn)存途徑中轉(zhuǎn)變目的產(chǎn)物的代謝流可以增加目的產(chǎn)物的積存,〕生物化學(xué)工程與生物技術(shù)上中下游關(guān)系:1、生物技術(shù)的上、中、下游過(guò)程生物反響器---作為生物反響過(guò)程的中心即中游加工---反響前與后的工序稱為上游加工和下游加工l 上游加工 最重要的是供給和制備高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和足夠數(shù)量的生物催化劑即應(yīng)用常規(guī)選育、基因工程、細(xì)胞工程和酶工程手段獲得優(yōu)良菌株、細(xì)胞系或固定化的菌體等下游加工 從反響液中提取目的產(chǎn)物加工精制成合格產(chǎn)品l中游加工 生物反響器為中心生物化學(xué)工程 包括中下游兩局部三、論述：定量分析涉及的理論和應(yīng)用工具：①代謝的化學(xué)原理〔如化學(xué)計(jì)量學(xué)、代謝動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反響工程等；②生物學(xué)原理〔如代謝調(diào)控機(jī)制、酶促反響動(dòng)力學(xué)等；③功能基因組學(xué)、構(gòu)造基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)；④分析化學(xué)工具〔GC/LC-MS、紫外光譜學(xué)、熒光光譜學(xué)等〕⑤數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)〔如數(shù)學(xué)建模、圖論根底、應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件求解等〕代謝流量調(diào)控機(jī)制〔代謝流及其把握機(jī)制的三大根本步驟：①建立一種能盡可能多的觀看代謝網(wǎng)絡(luò)并測(cè)定其流量的方法。為了做到這一點(diǎn)，通常從測(cè)定細(xì)胞外代謝產(chǎn)物的濃度入手進(jìn)展簡(jiǎn)潔的物料平衡。由于一個(gè)代謝途徑的代謝流并不等于該途徑中一個(gè)或多個(gè)酶的活性能供給代謝網(wǎng)絡(luò)真正的代謝流信息，除非相應(yīng)的酶在體外分析條件下存在并具有活性。②在代謝網(wǎng)絡(luò)中施加一個(gè)的擾動(dòng)，以確定在系統(tǒng)松散之后到達(dá)的穩(wěn)態(tài)時(shí)的代謝流。擾動(dòng)往往能供給多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的相關(guān)信息，具有重要意義。③要系統(tǒng)分析代謝流擾動(dòng)的結(jié)果。假設(shè)某個(gè)代謝流的擾動(dòng)對(duì)下游代謝流并未能造成可觀看的影響節(jié)點(diǎn)〔對(duì)上游的擾動(dòng)〕是剛性的，相反則成為柔性的。代謝流平衡分析的作用：胞內(nèi)代謝流分布的定量測(cè)定代謝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)〔分支點(diǎn)〕性質(zhì)的鑒定確定胞內(nèi)代謝途徑非測(cè)量性胞外物流的計(jì)算考察另一些途徑對(duì)物流分布的影響最大理論得率的計(jì)算保證明驗(yàn)數(shù)據(jù)牢靠性和重現(xiàn)性的策略：建立簡(jiǎn)潔的代謝模型，即所謂的黑箱模型，將胞內(nèi)反響看成是單一反響或者是整個(gè)細(xì)胞生物基質(zhì)的變化，以保證細(xì)胞內(nèi)外各元素之間的平衡〔物料衡算。進(jìn)出細(xì)胞的流量。借助于生物化學(xué)爭(zhēng)論手段和分子反響動(dòng)力學(xué)原理，精細(xì)調(diào)查底物轉(zhuǎn)化為生物基質(zhì)或代謝產(chǎn)物的反響機(jī)制，以求對(duì)生物化學(xué)反響直至代謝過(guò)程進(jìn)展更微觀的描述。這種策略供給的數(shù)據(jù)要比黑箱模型更真實(shí)更形象高，同時(shí)還需要完備的數(shù)學(xué)學(xué)問(wèn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展有效的分析與利用。5．網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)〔類型、特點(diǎn)、評(píng)估策略：在細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)或多個(gè)不同途徑的分支集合點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。依據(jù)節(jié)點(diǎn)下游分支的可變程度，節(jié)點(diǎn)分為柔性、強(qiáng)剛性及弱剛性節(jié)點(diǎn)三類。柔性節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的一種類型，是流量安排簡(jiǎn)潔轉(zhuǎn)變并滿足代謝需求的一類節(jié)點(diǎn)。強(qiáng)剛性節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的一種類型，是流量安排不簡(jiǎn)潔轉(zhuǎn)變的一類節(jié)點(diǎn)。指由節(jié)點(diǎn)流向某一分支或某些分支的代謝流量分割率是難以轉(zhuǎn)變的抑制及對(duì)另一分支酶的反式激活的相互作用所致。弱剛性節(jié)點(diǎn)增加產(chǎn)物的產(chǎn)率。主要節(jié)點(diǎn)剛性的評(píng)估:一旦代謝網(wǎng)絡(luò)中與目標(biāo)產(chǎn)物生物合成有關(guān)的主要節(jié)點(diǎn)被識(shí)別進(jìn)展評(píng)估。假設(shè)能獲得細(xì)胞生物化學(xué)代謝網(wǎng)絡(luò)圖表中全部具體的酶動(dòng)力學(xué)表達(dá)式的代謝數(shù)學(xué)模型。借助該模型并結(jié)合代謝網(wǎng)絡(luò)或亞網(wǎng)絡(luò)的概念，可以對(duì)主要節(jié)點(diǎn)的剛性進(jìn)展分析推斷。節(jié)點(diǎn)評(píng)估：首先測(cè)定網(wǎng)絡(luò)主要節(jié)點(diǎn)在穩(wěn)定狀態(tài)下的流量安排，然后對(duì)該系統(tǒng)施加一個(gè)有效的擾動(dòng)，再以一樣的程序測(cè)定穩(wěn)定態(tài)下到達(dá)的流量安排信息。假設(shè)該節(jié)點(diǎn)處的流量安排能對(duì)干擾作出響應(yīng)并顯著轉(zhuǎn)變其方向和大小弱剛性的；反之，節(jié)點(diǎn)可能是強(qiáng)剛性的。只有在此根底上提出的代謝途徑轉(zhuǎn)變和操