代谢工程绪论

《代谢工程》绪论，更多生命科学知识长期、不定期更新！

绪论

• 代谢工程概述
  • 诞生
    • 1991年，美国，Bailey J E
  • 定义
    • 代谢工程（Metabolic Engineering），也可称为途径工程、代谢设计，是应用重组DNA技术和分析生物学相关的遗传学手段进行有精确目标的遗传操作（方法），改变酶、输送体系甚至产能系统的功能（途径），以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操作工作（包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的代谢活性的实现）（目的）。
  • 基本过程
    • 代谢分析与代谢设计（靶点设计）
      • 代谢流分析（MFA）
      • 代谢流控制分析（MCA）
      • 确定合理靶点
    • 基因操作
      • 核心是在分子水平上对靶基因或基因簇（Gene cluster）进 行遗传操作
      • 最典型的形式包括基因或基因簇的克隆、表达、修饰、敲除、调控、构建特殊的基 因转移系统以及重组基因在目的细胞染色体DNA上的稳定整和
    • 效果分析
  • 基本原理
    • 代谢图谱和生化反应：生物化学原理
    • 途径修饰：化学计量学、分子反应动力学、热力学和控制学原理
    • 酶是途径代谢流的推动力：酶学原理
    • 基因操作与控制过程：分子生物学和分子遗传学原理
    • 细胞生理状态的平衡：细胞生物学原理
    • 发酵或细胞培养：生化工程和化学工程原理
    • 生物信息的收集、分析与应用：基因组学、蛋白质组学、代谢组学原理
      • 代谢组(metabolome) 是指一个细胞、组织 或器官中所有代谢物 的集合, 包含一系列 不同化学型的分子
      • 代谢组学 (metabonomics／ metabolomics)来源于 代谢组一词,是研究一 个细胞、组织或器官 中所有小分子代谢组 分集合的科学
  • 研究思路
    • 系统研究代谢流及其控制机制
      • 建立一种能尽可能多的观察代谢网络并测定其流量的方法
      • 在代谢网络中施加一个已知的扰动，以确定在系统松散之后达到新的稳态时的代谢流
      • 系统分析代谢流扰动的结果
• 研究意义
  • 第三代基因工程
  • 贡献
    • 确定体内代谢流的控制机制
    • 从该领域特殊的视角抽象出综合与定量的概念，即可以了解代谢途径在多个相关生化反应整合后所表现出来的整体功能
  • 应用实例
    • 提高细胞已有的化学物质的产量
    • 生产目标细胞本身不能合成的新型功能化合物
    • 扩展细胞的底物利用范围
    • 形成降解毒性物质的新型催化活性
    • 修饰细胞的其他生物学性状
  • 关键问题
    • 如何设计代谢工程
    • 如何在整体规模上获得对生物的新理解
    • 如何改进对细胞的遗传操作和代谢分析
    • 如何改进对细胞的遗传操作和代谢分析
  • 发展前景
    • 在体内分析组织和全器官的功能与基本代谢规律
    • 构建用于新药筛选的细胞或动物个体病变模型
    • 基因治疗靶点的设计与实施
• 研究内容
  • 战略思想
    • 在现存途径中提高目标产物的代谢流
      • 增加限速步骤酶编码基因的拷贝数
      • 强化以启动子为主的关键基因的表达系统
      • 提高目标途径激活因子的合成速率
      • 灭活目标途径抑制因子的编码基因
      • 阻断与目标代谢途径相竞争的代谢途径
    • 在现存途径中改变物质流的性质
      • 更换初始底物或中间物质，获得新的产物
    • 利用已有途径构建新的代谢旁路
      • 修补完善细胞内部途径，以合成新的产物
      • 转移多步途径，构建杂合代谢网络
  • 研究手段
    • 检测技术
      • 在体内确定代谢流物料平衡的同位素标记示踪方法
      • 表征酶反应进程和性质的酶动力学分析方法
      • 测定同位素富集和关键代谢物相对分子质量分布的光谱学方法
      • 生物传感器技术
    • 分析技术
      • 能准确测定细胞内代谢流的稳态法
      • 展示代谢流控制过程的扰动法
      • 简化复杂代谢网络分析的组合法以及代谢网络优化技术
    • 基因操作技术
      • 基因和基因簇的克隆、表达、调控
      • DNA的杂交检测与序列分析
      • 外源DNA的转化
      • 基因的体内同源重组与敲除
      • 整合型重组DNA在细胞内的稳定维持