单位文秘网 2021-07-09 08:17:53 点击: 次
摘要:随着DNA重组技术的日趋成熟,代谢工程得到了迅速发展,对微生物发酵工业的发展起到了极大的推动作用。本文对代谢工程中的关键问题和发展趋势进行了讨论。
关键词:代谢工程 微生物发酵 代谢网络
中图分类号:TQ2 文献标识码:A 文章编号:1672-5336(2013)10-0049-02
代谢工程是通过某些特定生化反应修饰或者DNA重组技术以改善细胞的特性或合成新的产物。这一概念最先由瑞士的Bailey教授提出,是指利用DNA技术来调节酶活性、物质运输和调节功能从而提高细胞的特定活性。Cameron等的定义则精炼一些,即用重组DNA技术有目的地改造细胞的中间代谢。
1 代谢工程应用于发酵工业
目前的发酵工业产品主要有可再生能源、大宗化学品和精细化合物三类,但是,在产品生产和开发过程中已经遇到了一些不可逾越的障碍,比如工业化发酵生产的大宗化学品数量的有限性;新型精细化合物的开发等等。代谢工程的研究可以有针对性的改造工业发酵菌种,使其可以高效的发酵生产目的产品,这点与微生物发酵工业研究的根本目的是相同的。随着基因操作技术的成熟,代谢工程相对于传统的发酵工业具有高效性和明确的目的性,因此发酵工程技术更能推动发酵工业的长远快速发展。
由于大宗化学品和精细化合物的生产主要依赖于化工生产,利用微生物生产时生产成本就成为了主要的制约因素。因此发酵工业微生物最佳的生理特性是首先在厌氧、低pH、高温等条件下生长速度仍然很快而且可以正常发酵,可以利用简单的无机盐培养基,底物多元化,而且能够利用各种碳源,对各种来源的发酵培养基例如木质纤维素的水解液的抗逆性好。目前生理机制、基因组和代谢网络研究较透彻的微生物主要是大肠杆菌和酵母,因此代谢工程改造的目的菌现在也主要是针对这些模式微生物。但是这些模式微生物并不具备以上的理想的生理特性,随着测序技术和相关蛋白组学、代谢网络研究的技术日益成熟,可以考虑对筛选得到的具有较好生理特性的微生物经过改造或者通过具有优良发酵特性的多种微生物通过遗传操作整合后应用于发酵生产[1]。
同时,对自然界微生物的代谢途径分析也使我们发现,为了适应在自然界中的生存,使得微生物进化出了多种多样的代谢途径。但是,这些多样的代谢途径,对于我们发酵工业来说,并不一定有利,目的产物的代谢途径由于并非是单一的途径而可能造成不必要的能量的浪费以及前体和辅助因子的竞争。通过代谢工程技术和组学可以逐步改造或者制造某些微生物,敲除不是细胞生长必须的所有代谢途径而使细胞可以在存活的前体下通过唯一的途径大量产生目的产物,这将大大提高微生物发酵的产能。
2 代谢工程研究内容
代谢工程实质是通过整合信息而对微生物的代谢网络定量分析后进行代谢网络的改造,目的是达到目的产物产率最大限度的提高。因此代谢工程的研究需要对微生物代谢网络分流节点进行逐个解析,通过建立动力学模型、示踪实验等方法,达到对代谢网络中代谢流的定量和定向评估[2]。在此基础上,对微生物的代谢网络进行重新设计构建,并进一步通过相关代谢分析来检验代谢网络的设计,最终通过一系列的检测分析和基因操作等手段,达到对细胞代谢网络和代谢流的改造。
代谢工程的研究涉及化学计量学、数学、动力学、酶学、基因工程等各个领域,整合了各领域最新的研究成果,通过细胞水平阐述代谢节点、途径、网络之间的关系以及代谢的流向和调控机制再通过基因工程等手段改造和优化细胞性能。
3 代谢工程的改造思路
代谢工程研究目的在于改造微生物的代谢网络,使工程菌株可以生产特定目的产物或过量生产某种产物的能力而应用于工业生产。因此根据不同微生物的代谢特性,通常采用的思路主要有改造代谢途径、扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种[3]。代谢途径的改造可以通过加速限速反应、改变分支代谢途径流向、构建代谢旁路、改造能量的代谢途径等多种方法实现;扩展代谢途径是通过在宿主菌中克隆和表达特定的外源基因延伸代谢途径以生产新的代谢产物或者提高特定产物的产率[4];而转移、构建新的代谢途径可通过先鉴定再整合串联克隆目的产物合成途径中的一个或者多个关键酶基因,从而人为制造目标产品的合成途径。
4 展望
伴随着遗传学、分子生物学、基因工程、细胞生物学、各种组学等多个生物学科的发展、以及计算机科学、数学和计算机、数学、分析检测技术等外源学科的应用,代谢工程必将得到长远发展。代谢工程的实质是目的性极强的理性改造微生物的学科,随着对越来越多微生物基因组信息的破解以及基因功能分析技术的日趋完善,这种有目的的理性改造更具可行性。总之,代谢工程作为一门日趋完善的技术,伴随着现今系统生物学和合成生物学的迅速发展,微生物发酵工业将由于代谢工程的应用而迎来新的辉煌。
参考文献
[1]张学礼.代谢工程发展20年.生物工程学报,2009,25(9):1285-1295.
[2]花强,杨琛.代谢流量比率分析及其在代谢工程中的应用. 生物工程学报,2009,25(9):1303-1311.
[3]张蓓.代谢工程.天津:天津大学出版社,2003.
[4]Zhang K,Sawaya MR,Eisenberg DS,et al.Expanding metabolism for biosynthesis of nonnatural alcohols. Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(52):20653-20658.
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-183-62500-1.html
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用