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1、中.价钧生.妞艰华索研讨会 ( 2 0 0 0 。石介庄)论文. 代谢工理的 万理及应用 张惠 展吴海珍孙丽萍 华东 理工大学生物工程学院，上海2 0 0 2 3 7 ) 摘 要代谢工 程哪e ta b o l i c E n g in e e r in g ) , ) F 称 途径工 程 ( P a t h w a y E n g in e e r in g ) 和 代 诩 设计( M e t a b o l ic D e s ig n ) ， 是一 门 利 用 分子 生 场学 原 理系 统 分析 细 胞 代 谢网 络、 并 通过D N A重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰， 进而完成细
2、胞特性改造的 反用性学科.鉴于它涉及到多基因的 联合协同 表达控制 机制，与传统的 蛋白多肤单 基因表达 ( 第一代基因工程 以及基因定向突变 ( 第 二代基因工 程)已 有显著区别， 故作者将之看作为第三代基因 工程本文列举部分代谢工程的应用实 例，并对代谢 工 程的若干应用战 略进行了 概括性总结. 关 . 饲 代 谢 工 程 ， 、第 三 丧 基 因 工 程 ， 应 用 战 略 1 祖论 牛命的代谢活动是通过活细胞和细胞群的代谢网络进行的，后者由一系列酶催化的级联化 学反应以及特异性的膜转移系 统所构成。然而，活细胞这种自 身固有的代谢网络相对实际应用 而言其遗传特性并非最佳的， 这就需
3、要对细胞的代谢途径进行功利性的修饰!, 。 代谢T 程的基 木 iv论 及其 应 用战 略 就 是 在 这一 发 展 背 景 下 形 成的 1 9 7 4 年， C h a k r a b a r ty 在 假单 抱曲P . p a id 和P .a e r u g i n o s a中分别引入几个稳定的重组质粒，增加了两者对樟脑和茶的降 解催化活性这 是代谢 工程的第一个应用实例， 标志着代谢土程作为一门学科的诞生 二十多年来， 随着D N A重组技术的日 趋成熟， 代谢上程的碑论和应用也得到了迅速发展 表 1 列举了 迈几年来代谢土程概念的演变过程 表 1 代合工租报金的演交 名称 途径丁
4、程 微生物) 定义参考 文献 M . Q u h q . 1 9 8 8 代谢 下程 代谢途径T程 代谢T程 i t 径工程i f e 谢设计 T o n g e e 司 ， 1 9 9 1 “ C e mi r o n , 1 9 9 3 “ P i c pa b c r g , 1 9 9 4 “ 代心工程 代喇工界 代侧工程 利用T I N A重组技术修饰各种代谢途杆 ( 包括生物体非固h 的代it 途径，提高特定代谢物的x盆 利用D N A重组技术优化细胞的酶活、运输和调控功能，提 高细胞活力 生化途径的修饰、设计与构建 利用D N A盆组 技术对 代谢进行目 的性修饰 改造细Id 代
5、谢途径 提高天然最终产物产J it 或合成新产物 包 括中间产物或修饰型最终产物) 对生化反应的代谢网络进行月的性修饰 为达到所需目 标对活细胞的代谢途径进行修价 利用分子生物学原理系统分析代谢途释.设计合理的遗传修 饰战略从而优化细胞生物学特性 B a i l c y “ , 1 9 9 1 0 C r e g a ry， Wi l l i a m, K. R , l , 1 9 9 4 “ 1 9 9 5 “ 9 9 9 0 中一 摘.生.妞术学 术研讨会 。目 旧 ，石. 庄) 论文扭专.饱 文 代谢工 程发展早期，人 们注重的是应用过程中采用的方法及所达到的目的， 通常是对特定 的代谢
6、途径进行改造，因此当 时的代谢工程是多个应用卖例的堆积，尚未形成自己的基本理论 体系 19 91年， B 翻 叮在 sc ie nc e 上发表 的 题为“ Tow 到a sc ic 讹 e ofM et ab ol ic F ngi邢 e ring 的文章，则 被认为是代谢1程向一门系统的学科发展一个转折点。目前，代谢工程发展的典烈 目 标是: 1) 提高细胞现存代谢 途径中天然产物的产量: 丈 2) 改 造细胞现存代谢途径， 使其 合成新产物，这种新产物可以是中间代谢产物或修饰性的 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
7、: ( 4) 优化细胞 的生物学特性，如生长 速率， 对某些极端环境条件的耐受性等等。代谢工程的孩心内 容是对细 胞代谢网 络进行功利性修饰，完成这一过程首先要对细胞的分解代谢和合成代谢中的多步级联 反应进行合理设计， 然后利用D N A重组技术强化和 ( 或)灭活控制代谢途径的相关基因。从 这一点上来说，代谢丁 程也是纂因工程的重要分支， 而且通常是一个多基因的基因f 柑叫 ，故 可看作为第三代基因1 程 近年来， 随着分子生物学研究的不断深入， 生物体越来越多的生物合成途径被人们所认识， Ha，( 移 功 “ 二才少 !尸 2 以 胡洲j 、 几 办 印 才 刀 ” a 岁 爪 ta 加
8、。 l?l 、 肠th ， 二 o cc 璐 j an 侧而尸、 反 动 哪哪 。 c 脾tls 澎rl.1 、 公 动 ， 记 动 ia c 树川和枷叨 阴 : 动 己了 护2。 第 一 批 微 牛 物 革 因 组 的 全 序 列 测 定 以 及多 基 因之间的协同作用及代谢网络的刚柔兼性研究，为我们利用基因技术修饰、改造和设计代谢途 径提供了良 好基础. 代谢工 程的 应用领域也将越来越宽广 1 代甘工理的应用实例 从1 9 74年至今，代谢上 程的应用实例在专利和文献报道中 越来越多。从代谢途径修饰所 达的目 的来看， 应用领域主要有以下几个方面: 1) 提高细胞已 有的 化学物质的产量
9、; ( 2) 产生宿土细胞本身不能合成的新物质; ( 3 ) 扩展细胞的 底物使用范围; ( 4) 形成降 俐毒性物 质的新催化活性: (5) 修饰细胞的其它生物学特性。 具体实例见 表2 、 3 、 4 、5 和别 衰2 扭高 .份已 有的化李怕质的产t 化学物质细 胞 说明 () H 乙酸 乙醇 丁醉、丙酮 奏乐荫素 头霉素C I J 厂 E3 3 2 8 8 阿霉素 螺旋霉素 牛物素 卜天冬氮酸 卜苏氮酸 加 。 州 拍尸 。 用脚曰 c 已 份丫 “ 旧亡 E心 o l r 刁 佗幻占 口 淤 犯尸 品 。 君C 口 产 了 C l o 系 ， 汹. 用肥已 己 砧. 今 自 “用 及
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11、 “ 。 的 内 酮 酸 脱 梭 酶 基 因 引入乙酸乙酸脱梭酶和磷酸转丁酞酶基区 引 人左 。 峨的夺 丹 引入 5 以 m 认 四 的墓因 增加基因拷贝数 克隆五个生物素合成薄因，解除了反悄抑制 强化衷达天冬醉簇因 强 化 表 达即。 广 帅 。 印 11 赌 口 o l p ， 九 v a 份 c a r h 韶 y ja ; e 琴 中. 肺. 住.位术.术 翻讨会 ( 2 侧 阅 ， 石宜 庄) 论文 .*.论 文 表2( 续) L 一 精狱酸 L 一 谷氮酸.卜盼 氮酸 L 一 苯丙氮酸 1 ，勺ne如改ri “ ， 之 孔 ; 四访砚化r “ “ ” 飞 叮叫功 皿介 阴附刀 凌
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