省部重点实验室 2012/10/22
[font=宋体]代谢工程在微生物定向调控中的应用[/font] [font=Times New Roman] [/font] [b][font=宋体]摘 要[/font][/b][font=宋体] 代谢工程[/font][font=Times New Roman](Metabolic Engineering)[/font][font=宋体]，亦称途径工程[/font][font=Times New Roman](Pathway Engineering)[/font][font=宋体]和代谢设计[/font][font=Times New Roman](Metabolic Design)[/font][font=宋体]，是一门利用[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]分子生物学原理系统地分析细胞代谢网络、并通过ＤＮＡ重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰，进而完成细胞特性[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]改造的应用性学科。本文首先论述了代谢工程的代谢网络理论、代谢流分析、代谢控制[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]分析等代谢工程理论基础。然后，分析了代谢工程的各种具体的遗传学工具，并以实际例子作了详细说明[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]依据代谢工程原理，利用[/font][font=Times New Roman]DNA[/font][font=宋体]重组技术进行微生物定向改造。另外还对代谢工程的新兴研究方向——逆代谢工程进行了简单说明。[/font] [b][font=宋体]关键词[/font][/b][font=宋体] 代谢工程，代谢网络，代谢分析，逆代谢工程，[/font][font=Times New Roman]DNA[/font][font=宋体]重组 [/font] [font=宋体][size=3]主要参考文献：[/size][/font] [size=3][font=Times New Roman]1.[/font][font=宋体]杨继国，林怡铁，吴军林。代谢工程中基因修饰与基因表达的工具[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]生物技术通报，[/font][font=Times New Roman]2003 26 27[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]2.[/font][font=宋体]凌利，陈光旨，周河治[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]代谢控制分析的理论与应用[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]广西大学生物技术与糖业工程学院[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]广西科学[/font][font=Times New Roman]1999,6(2):115[/font][font=宋体]～[/font][font=Times New Roman]119[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]3.[/font][font=宋体]魏春，陈宁[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]代谢网络定量分析研究进展[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]生物技术通讯[/font][font=Times New Roman]vol 123 Nov03 May 2002 234~236[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]4.[/font][font=宋体]赵学明[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]王靖宇[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]陈 涛[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]陈 洵等[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]后基因组时代的代谢工程[/font][font=Times New Roman]:[/font][font=宋体]机遇与挑战[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体] 生物加工过程[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]第[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]卷第[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]期[/font][font=Times New Roman]2004[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]5.[/font][font=宋体]颜贤忠[/font][font=Times New Roman] ,[/font][font=宋体]赵剑宇[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]彭双清[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]廖明阳[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]代谢组学在后基因组时代的作用[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]波谱学杂志[/font][font=Times New Roman] 2004[/font][font=宋体]第[/font][font=Times New Roman]21[/font][font=宋体]卷第[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]期[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]6.[/font][font=宋体]张星元[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体] 潘军华[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体] 曾嵋涓[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体] 李乃强[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]次级代谢产物菌种改良的策略和手段[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体] 无锡轻工大学学报[/font][font=Times New Roman]2002[/font][font=宋体]年[/font][font=Times New Roman]21[/font][font=宋体]卷第[/font][font=Times New Roman]4[/font][font=宋体]期[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]7.[/font][font=宋体]谭青乔 陈 宁[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]代谢工程的发展及其应用[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]生物技术通讯Ｖｏｌ[/font][font=Times New Roman].12[/font][font=宋体] Ｎｏ[/font][font=Times New Roman].2[/font][font=宋体] [/font][font=Times New Roman]2001[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]8.[/font][font=宋体]沈立新 魏东芝 叶 勤[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]代谢工程—生物工程学科的新兴研究领域[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]微生物学杂志[/font][font=Times New Roman]2000[/font][font=宋体]第[/font][font=Times New Roman]20[/font][font=宋体]卷第[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]期 [/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]9.[/font][font=宋体]孙丽萍 吴海珍 张惠展[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]第三代基因工程—代谢工程[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]药 物 生 物 技 术[/font][font=Times New Roman]2000,7(2):71[/font][font=宋体]～[/font][font=Times New Roman]7617[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]10.[/font][font=宋体]周跃钢[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]全学军[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]林治华[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]重组ＤＮＡ技术在代谢调控中的应用———代谢工程研究进展[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]重庆工学院学报[/font][font=Times New Roman]2003[/font][font=宋体]第[/font][font=Times New Roman]17[/font][font=宋体]卷第[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]期[/font][/size] [size=3][font=Times New Roman]11.[/font][font=宋体]谭青乔[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]陈宁[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]逆代谢工程——基于有用表型的定向遗传工程策略[/font][font=Times New Roman] [/font][font=宋体]生物技术通讯[/font][font=Times New Roman] 2003VoL13NO.1[/font][/size] [font='Times New Roman'][/font] [size=3][font=Times New Roman][/font][/size] [font='Times New Roman'][/font] [size=3][font=Times New Roman] [/font][/size]
省部重点实验室
第1楼2012/10/22
代谢工程在微生物定向调控中的应用
摘 要 代谢工程(Metabolic Engineering)，亦称途径工程(Pathway Engineering)和代谢设计(Metabolic Design)，是一门利用 分子生物学原理系统地分析细胞代谢网络、并通过ＤＮＡ重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰，进而完成细胞特性 改造的应用性学科。本文首先论述了代谢工程的代谢网络理论、代谢流分析、代谢控制 分析等代谢工程理论基础。然后，分析了代谢工程的各种具体的遗传学工具，并以实际例子作了详细说明 依据代谢工程原理，利用DNA重组技术进行微生物定向改造。另外还对代谢工程的新兴研究方向——逆代谢工程进行了简单说明。
关键词 代谢工程，代谢网络，代谢分析，逆代谢工程，DNA重组
主要参考文献：
1.杨继国，林怡铁，吴军林。代谢工程中基因修饰与基因表达的工具 生物技术通报，2003 26 27
2.凌利，陈光旨，周河治 代谢控制分析的理论与应用 广西大学生物技术与糖业工程学院 广西科学1999,6(2):115～119
3.魏春，陈宁 代谢网络定量分析研究进展 生物技术通讯vol 123 Nov03 May 2002 234~236
4.赵学明,王靖宇,陈 涛,陈 洵等 后基因组时代的代谢工程:机遇与挑战 生物加工过程 第2卷第2期2004
5.颜贤忠 ,赵剑宇,彭双清,廖明阳 代谢组学在后基因组时代的作用 波谱学杂志 2004第21卷第2期
6.张星元, 潘军华, 曾嵋涓, 李乃强 次级代谢产物菌种改良的策略和手段 无锡轻工大学学报2002年21卷第4期
7.谭青乔 陈 宁 代谢工程的发展及其应用 生物技术通讯Ｖｏｌ.12 Ｎｏ.2 2001
8.沈立新 魏东芝 叶 勤 代谢工程—生物工程学科的新兴研究领域 微生物学杂志2000第20卷第3期
9.孙丽萍 吴海珍 张惠展 第三代基因工程—代谢工程 药 物 生 物 技 术2000,7(2):71～7617
10.周跃钢,全学军,林治华 重组ＤＮＡ技术在代谢调控中的应用———代谢工程研究进展 重庆工学院学报2003第17卷第1期
11.谭青乔 陈宁 逆代谢工程——基于有用表型的定向遗传工程策略 生物技术通讯 2003VoL13NO.1
省部重点实验室
第2楼2012/10/22
生物工程的一个新的分支：代谢工程 |
张星元：生物工程的一个新的分支：代谢工程 代谢工程（Metabolic engineering）是生物工程的一个新的分支。代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述“分析——综合”反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程 。 为了满足人类对生物的特定需求而对微生物进行代谢途径操作，已有将近半个世纪的历史了。在氨基酸、抗生素、溶剂和维生素的发酵法生产中，都可以找到一些典型实例。操作的主要方法是，用化学诱变剂处理微生物，并用创造性的筛选技术来检出已获得优良性状的突变菌株。尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的效果，但对突变株的遗传和代谢性状的鉴定是很不够的，更何况诱变是随机的！ DNA重组的分子生物学技术的开发把代谢操作引进了一个新的层面。遗传工程是我们有可能对代谢途径的指定酶反应进行精确的修饰，因此，有可能构建精心设计的遗传背景。DNA重组技术刚进入可行阶段不久，就出现了不少可用来说明这种技术在定向的途径修饰方面的潜在应用的术语。如分子育种（1981年），体外进化（1988年），微生物工程或代谢途径工程（1988~1991年），细胞工程（1991年）和代谢工程（1991年）。尽管不同的作者提出不完全相同的定义，这些定义均传达了与代谢工程的总目标和手段相似的含义。 我们曾经把代谢工程定义为，代谢工程就是用DNA重组技术修饰特定的生化反应或引进新的生化反应，直接改善产物的形成和细胞的性能的学科。这样定义代谢工程强调了代谢工程工作目标的确切性。也就是说，先要找到要进行修饰或要引进的目标生化反应，一旦找准了目标，就用已建立的分子生物学技术去扩增、去抑制或删除、去传递相应的基因或酶，或者解除对相应的基因或酶调节，而广义的DNA重组只是常规地应用于不同步骤中，以便于达到这些目标。 尽管在所有的菌种改良方案中都有某种定向的含义，但与随机诱变育种相比较，在代谢工程中工作计划的定向性更加集中更加有针对性。这定向性在酶的目标的选择，实验的设计，数据的分析上起着支配的作用。不能把细胞改良中的所谓“定向” 解释为合理的途径设计和修饰，因为“定向选择”与随机诱变之间没有直接关系。相反地我们可借助于“逆行的代谢工程”（reverse metabolic engineering）, 从随机诱变而获得的突变株及其性状的实验结果，来提取途径及其控制的判断信息（critical information）。 与所有传统的工程领域一样，代谢工程也包含“分析” 和“综合”两个基本步骤。因为代谢工程借助于DNA重组技术作为一种启用技术而出现，所以一开始人们的注意力仅仅放在这个领域的综合方面，譬如：新的基因在不同寄主中的表达，内酶的扩增，基因的删除，酶活力修饰，转录的解调或酶的解调等。这样前面定义的代谢工程，在相当程度上似乎是应用分子生物学技术表现形式，几乎没有工程的内容，因此从生物过程的角度来衡量，并不是够格的代谢工程。而更加重要的工程内容存在于代谢工程的分析方面。譬如，怎样确定定义生理状态的参数？怎样用这信息解释代谢网络控制的结构体系，进而提出达到某个目标的合乎道理的修饰位点？怎样进一步评估这些遗传修饰和酶的修饰的真实的生化效果，以便进行下一轮的途径修饰，直到达到目的？能不能提出一个可用来确定代谢修饰的最有希望的靶位的合理的步骤？在综合方面，代谢工程的另一个不同寻常的方面是它关注的是代谢途径集成的整体，而不是单个反应。这样，代谢工程研究的是整个生化反应网络，涉及到其自身的途径合成和热动力学可行性，还有途径流量及其控制。我们研究的出发点正在经历从单个酶反应向相互影响的生化反应体系转变。因此，通过对整个反应体系而不是一个个孤立的反应的考察就有可能获得关于代谢和细胞功能的更全面的认识，在这个的意义上“代谢网络”的观念是最为重要的。代谢工程让人们把注意力转向整个体系而不是其组成部分。因此，代谢工程使用来自还原论者的大量的研究的技术和信息来设法进行综合和设计；而关于整个体系的运转状态的观察，对于进一步的合理的分解和分析其自身来说，又是最好的指导。 尽管代谢和细胞生理学可以为某组反应途径的分析提供主要的背景知识，应该指出流量及其控制的测定结果具有更广阔的应用范围。因而，代谢工程的概念除了可用来分析流经某组代谢途径的物质流和能量流，同样可以应用于在信号传感途径的信息流量的分析。对于信息流量尚未很好地定义，一旦信号途径的概念得到具体化，以上观念和方法将会在信号传感途径的相互作用的研究，以及胞外刺激控制基因表达的复杂机制的解释方面发挥作用。 也许代谢工程最重要的贡献在于对活体条件下代谢流及其控制的强调。代谢流的概念本身实际上并不是新的。代谢流及其控制引起生化研究人员中的少数先知的注意，已有大约30多年历史了。作为他们工作的结果，代谢控制的观念成熟了，并且被严格的定义了，尽管这些观念曾经没有得到传统的生物学家广泛地接受。代谢工程最初被设想为特定的途径操作，很快又变成工程师们的分析技能的预期的输出端。发酵工程师们建立了量化代谢流及其控制的工程分析方法，从而看到了利用代谢控制分析这个有效的平台向这个过程导入严密性的机会，以及生化工程与发酵工程在生物学领域的交叉和互补。 |
省部重点实验室
第3楼2012/10/22
省部重点实验室
第4楼2012/10/22
代谢工程和合成生物学牛人 | |||||||||||||||
Jay D. Keasling Professor, Department of Chemical & Biomolecular Engineering Professor, Department of Bioengineering The Hubbard Howe Jr. Distinguished Professor of Biochemical Engineering Director, Physical Biosciences Division, LBL and Synthetic Biology Engineering Research Center CEO, Joint BioEnergy Institute Email: keasling@berkeley.edu James C. Liao Chancellor's Professor Department of Chemical and Biomolecular Engineering University of California, Los Angeles liaoj@ucla.edu. Gregory Stephanopoulos Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Room 56-469, Cambridge, MA 02139, USA. Correspondence should be addressed to G.S. (gregstep@mit.edu). Sang Yup Lee
Lonnie O. Ingram Department of Microbiology and Cell Science University of Florida Ph.D: University of Texas at Austin, 1971 in Botany Postdoctoral: Oak Ridge National Laboratory, 1972 ingram@ufl.edu <ingram@ufl.edu> | |||||||||||||||
省部重点实验室
第7楼2012/10/22
代谢组学是一们新兴的学科，看了大量的文献，谈谈自己的看法，希望能够引起同行的 注意和交流。
代谢组学(Metabonomics)”是20世纪9０年代中期发展起来的一门新兴学科，是系统生物学的重要组成部分。它是关于生物体系内源代谢物质种类、数量及其变化规律的科学，研究生物整体、系统或器官的内源性代谢物质及其与内在或外在因素的互作。
代谢组学创始人、英国帝国理工大学Jeremy Nicholson教授认为人体应该作为一个完整的系统来研究，应用代谢组学来理解疾病过程，与中医的整体观和辨“证”论治思维方式不谋而合。代谢组学与有着几千年历史的中医学在许多方面有相近的属性，如果把它们有机的结合起来研究将可能有力地推动中医理论的现代化进程。“代谢组学”已成为运用系统生物学研究中医药的重要手段，还可能成为中医学走向国际化的通用语言。
常用的方法是检测和量化一个生物整体代谢随时间变化的规律，建立内在和外在因素影响下，代谢整体的变化轨迹，反映某种病理(生理)过程中所发生的一系列生物事件，从而达到从整体上把握人体的健康状态和治疗措。
思路：“代谢组学”是一种整体性的研究策略，其研究策略有点类似于通过分析发动机的尾气成分，来研究发动机的运行规律和故障诊断等的“反向工程学”的技术思路。由于代谢组学着眼于把研究对象作为一个整体来观察和分析，也被称为“整体的系统生物学”
与中医药的关系：与中医的整体观和辨“证”论治思维方式不谋而合。代谢组学和中医中药的哲学观相吻合，代谢组学是研究中药最好的选择。它们的有机结合将可能有力地推动中医药理论的现代化进程。并有可能成为中国传统医学走向国际化的通用语言。研究中药这种复杂混合物的毒性，代谢组学是最好的方法，选择不同产地、不同数量、不同组分的中药，做出代谢组图，根据组成变化与毒性、药效相对应，就可把有效的成分最大化，把有毒的东西剔除。同样，代谢组学也是中药质量控制的主要研究手段，有利于中药的出口和国际化。
关键因素：技术手段的发展是代谢组学发展的，UPLC-QTO。
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