代谢工程的基本原理和研究策略

  1.基本原理

代谢工程的实质是对代谢流量及其控制进行定量分析，在此基础上进行代谢途径改造，最大限度地提高目的代谢产物的产率。与传统的育种技术不同，它是通过理性地组合细胞代谢途径和重构代谢网络，达到改良生物体遗传性状的目的。代谢工程涉及生理学、生物化学、分子生物学等多门学科，一般遵循下列基本原理。

①细胞物质代谢规律及代谢网络的生物化学原理，以提供生物体的基本代谢图谱和生化反应的分子机理。

②细胞生理状态平衡的细胞生理学原理，为细胞代谢机制提供了全面的描述。

③细胞代谢流推动力的酶学原理，包括酶反应动力学、变构抑制效应、修饰激活效应等。

④细胞代谢流及其控制分析的化学计量学、分子反应动力学、热力学和控制学原理，是代谢途径修饰的理论依据。

⑤基因操作与控制的分子生物学和分子遗传学原理，不但阐明了基因表达的基本规律，同时也提供了基因操作的一整套相关技术。

⑥生物信息收集、分析和应用的基因组学、蛋白质组学原理，随着基因组计划的深入发展，为代谢途径设计提供了更为充分的生物信息基础．推动了代谢工程技术的迅猛发展和广泛应用。

⑦发酵工艺和工程控制的生化过程和化学工程原理，特别是化学工程将工程方法运用于生物系统的研究中，融人了综合、定量、相关等概念，用于分析速率过程受限制系统，在代谢工程领域中有着举足轻重的意义。

2.研究策略

代谢工程是个复杂的系统工程，为了有效修饰代谢网络，产生符合人们需要的目标性状，目前主要采取的代谢工程策略如下。

①在现存途径中提高目标产物的代谢流在处于正常状态下的生物细胞内，对于某一特定产物的生物台成途径而言，增加目标产物的积累可以从以下几个方面人手：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；阻断与目标途径相竞争的代谢途径。

②在现存途径中改变其物质流的性质在天然存在的代谢途径中改变物质流的性质主要是指：利用原有途径更换初始底物或中间物质，以达到获得新产物的目的。至少有两种方法可以改变物质流的性质：一是利用某些代谢途径中酶对底物的相对专一性，投入非理想型初始底物(如己糖及其衍生物)参与代谢转化，进而合成细胞原本不存在的化合物，酶对底物的相对专一性在一些原核细菌中较为普遍．大量生物代谢途径的研究结果表明，参与次级代谢的酶编码基因大多是从初级代谢基因池(gene pool)中演化而来的，这种在自然条件下发生的演化作用使得酶分子对底物的结构表现出一定程度的宽容性；二是在酶对底物的专一性较强的情况下，通过定向进化修饰酶分子的结构域或功能域，以扩大酶对底物的识别与催化范围。

③利用已有途径构建新的代谢旁路在明确已有生物合成途径、相关基因以及各步反应的分子机制后，通过相似途径的比较，利用多基因间的协同作用构建新的代谢途径是可能的。这种战略包括修补和完善细胞内部分途径以合成新的产物，以及转移某一完整代谢途径以构建杂合代谢网络等。

自然界中存在的遗传和代谢多样性提供了一个具有广泛底物吸收谱和产物合成谱的生物群集合，然而许多天然的生物物种对实际应用而言并非最优，它们的性能有时可通过对天然代谢途径的拓展而提高，借助于少数几个精心选择的异源基因的安装，天然的代谢物可以转化为更优良的新型产物。

另外，也可以将一系列编码某一完整生物合成途径的基因转移至受体细胞中。这样得到的重组细胞或者能提高目标产物的产量，或者允许使用相对廉价的原料，而且这些实验结果对生物物种内特定多步代谢途径的调控和功能的诠释也是很有价值的。这种战略的应用在链霉菌的抗生素生物合成途径改良中具有天然的便利条件，因为这些功能相关的基因往往以基因簇的形式存在。

④逆代谢工程逆代谢工程是从限制生物活性的主要因素人手，鉴别所希望得到的表型，并确定该表型的决定基因，然后利用基因重组技术将相关基因克隆到宿主菌中，使宿主菌得到所希望的表型。逆代谢工程避免了对复杂代谢网络必需的充分认识过程。

总之，与传统育种技术相比，代谢工程最显著的特征就是它采用重组DNA技术对代谢途径进行分子水平的定向改造。由于采用重组DNA技术，代谢工程带来的细胞的代谢途径的变化往往具有明确的遗传基础，而且易于控制，构建菌株所需的工作量大大降低。

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