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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,2019/11/27,張星元：發(fā)酵原理（講座）,#,2024/10/18,1,1.,微生物細(xì)胞能為其自身提供代謝能,2.細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的組成,3.微生物代謝中的電子流和電子回路,4.生物氧化和輔酶的再生,5.生化反應(yīng)途徑和代謝途徑,6.生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和代謝網(wǎng)絡(luò),7.代謝網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)問題,8.代謝流和碳架物質(zhì)流,9.代謝主流,介紹 26 個基本概念：,2024/10/18,2,10.載流途徑與載流路徑,11.代謝主流的變動性和選擇性,12.理想載流途徑,13.微生物生物工程的難題,14.代謝網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點及其剛性,1

2、5.工業(yè)發(fā)酵的五字策略,16.代謝網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點及其剛性,17.代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性,18.微生物活細(xì)胞和細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)性,2024/10/18,3,19.正常代謝和競爭型細(xì)胞經(jīng)濟(jì),20.異常代謝和導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì),21.細(xì)胞經(jīng)濟(jì)受到嚴(yán)格的制約,22.信息流指導(dǎo)下的工業(yè)發(fā)酵,23.限制性遺傳信息之謎,24.從發(fā)酵工程到代謝工程,25.代謝工程,26.代謝流及其控制的分析,2024/10/18,4,1.微生物細(xì)胞能為其自身提供代謝能 微生物細(xì)胞的生存方式與動物、植物等高等生物的細(xì)胞不同，微生物細(xì)胞能,獨立存在、自主生活,。因此每個微生物細(xì)胞都具有能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)可把其它形式的能量轉(zhuǎn)換成能被其自身直接使用的

3、能量,(,如,ATP,、,GTP,和儲存在膜上的質(zhì)子運(yùn)動勢,P,),，暫且把它們稱為,代謝能,。在代謝能的直接支撐下，活細(xì)胞才能維持其高度有序的狀態(tài)。,2024/10/18,5,2.細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的組成,微生物細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)包括：需要代謝能來激活的代謝途徑的有關(guān)的,酶和這些酶的輔酶,、原核微生物的細(xì)胞質(zhì)膜和真核微生物線粒體的內(nèi)膜，以及這些膜上的,電子傳遞鏈,和,ATP,酶,，還有在能量代謝和主動輸送中起輔助作用的有關(guān),載體系統(tǒng),。,2024/10/18,6,3.微生物細(xì)胞代謝的電子流和電子回路 工業(yè)發(fā)酵普遍使用的化能異養(yǎng)型微生物靠生物氧化把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可被微生物直接利用的代謝能。微生物細(xì)

4、胞的生物氧化過程必須借助于輔酶，并且其生物氧化過程和跨膜的主動輸送過程伴隨著電子（或質(zhì)子）的流動，形成微生物代謝的跨膜的質(zhì)子回路。【下續(xù)】,2024/10/18,7,ATP,ATP,酶,呼吸鏈,微生物代謝的跨膜質(zhì)子回路示意圖,電子回路示意圖,2024/10/18,8,4.生物氧化和輔酶的再生,在微生物活細(xì)胞中，參與生物氧化反應(yīng)的脫氫酶的輔酶本身不能跨過膜，被局限在其所在的細(xì)胞空間內(nèi)。,它們必須被再生，才能回用,，,以維持能量代謝,。脫氫酶的輔酶在細(xì)胞的氧化還原反應(yīng)中接受電子而被還原成還原型輔酶，還原型輔酶把電子釋放給電子受體，從而實現(xiàn)脫氫酶的輔酶的再生。根據(jù)最終電子受體的類型，可把生物氧化分成

5、,有氧呼吸,、,無氧呼吸,和,發(fā)酵,三種類型。,2024/10/18,9,5.生化反應(yīng)途徑和代謝途徑 一系列按序進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成,生化反應(yīng)途徑,；若這條途徑,在活細(xì)胞里運(yùn)行,，則為,代謝途徑,。,2024/10/18,10,6.生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和代謝網(wǎng)絡(luò) 生化反應(yīng)途徑按生物化學(xué)規(guī)律匯成生化反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；代謝途徑與跨膜輸送系統(tǒng)按代謝規(guī)律匯成（物質(zhì)）代謝網(wǎng)絡(luò)。,2024/10/18,11,7.代謝網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)問題,代謝中間化合物都在代謝網(wǎng)絡(luò)上，有些有機(jī)化合物雖然不在代謝網(wǎng)絡(luò)上但仍有可能與代謝網(wǎng)絡(luò)“聯(lián)網(wǎng)”。,所謂“聯(lián)網(wǎng)”就是用化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)把指定的化合物連接到代謝網(wǎng)絡(luò)上去，從而使它與微生物的代謝建立

6、聯(lián)系。“聯(lián)網(wǎng)”可以用化學(xué)或生物學(xué)方法,(,含,DNA,重組技術(shù),),來實現(xiàn)。,廣義的“聯(lián)網(wǎng)”包含代謝網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)不同的生命有機(jī)體之間接力賽式的代謝聯(lián)系。,已在“網(wǎng)”上或者可以“聯(lián)網(wǎng)”的化合物都可能被開發(fā)為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)物或原料。,2024/10/18,12,8.代謝流和碳架物質(zhì)流 代謝物在代謝網(wǎng)絡(luò)中流動形成代謝流。廣義的代謝流還包括能量流和信息流。在代謝分析和代謝工程中，代謝流往往首先是指,有機(jī)物流,(,碳架物質(zhì)流,),。,2024/10/18,13,9.代謝主流,在一定的培養(yǎng)條件下，代謝物在代謝網(wǎng)絡(luò)中流動，流量相對集中的代謝流叫做,該培養(yǎng)條件下,的代謝主流。代謝主流的流量測定是代謝工程的重要組成部

7、分。,2024/10/18,14,10.載流途徑與載流路徑,從字面上講，,有代謝物流通過的代謝途徑即載流途徑。載流路徑是工業(yè)發(fā)酵,領(lǐng)域的術(shù)語。,在工業(yè)發(fā)酵的目的產(chǎn)物生產(chǎn)階段，碳架物質(zhì)從原料到目的產(chǎn)物流經(jīng)的各段代謝途徑,(,即載流途徑,),，按流經(jīng)的先后次序首尾銜接，組合成載流路徑。,代謝工程沒有必要研究所有的載流途徑，但必須研究載流路徑上的代謝流，也就是,生產(chǎn)階段的代謝主流,。,2024/10/18,15,11.代謝主流的變動性和選擇性,微生物的代謝主流的方向、流量甚至所流經(jīng)的途徑都可能發(fā)生變化。這就是微生物代謝主流的變動性和代謝主流對代謝網(wǎng)絡(luò)中的途徑的選擇性。,這種變動和選擇的根據(jù)在微生物細(xì)

8、胞的遺傳物質(zhì)，選擇的原因是微生物所處的環(huán)境條件的變化。,2024/10/18,16,12.理想載流路徑,為了提高產(chǎn)物對原料的轉(zhuǎn)化率，就要求代謝主流,(,根據(jù)代謝分析的結(jié)果,),經(jīng)設(shè)定的載流路徑流到目的產(chǎn)物。因為這樣的載流路徑是,帶有主觀導(dǎo)向性的虛擬的載流途徑，所以把它們叫做理想載流路徑。,2024/10/18,17,13.微生物代謝工程的難題,既然微生物的代謝主流對網(wǎng)絡(luò)中的途徑有,自主的,選擇性，而工業(yè)發(fā)酵的目標(biāo)又是要微生物的代謝主流經(jīng)過理想載流途徑，流到目的產(chǎn)物，因此就有必要去解決,理想載流途徑的設(shè)計,問題和對代謝主流的,合理導(dǎo)向,問題。,2024/10/18,18,14.代謝的“五段式”,

9、在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，培養(yǎng)器中的微生物細(xì)胞的代謝是分步進(jìn)行的。胞外營養(yǎng)物質(zhì),(,一般要經(jīng)胞外酶降解后,),從培養(yǎng)介質(zhì)跨膜進(jìn)入細(xì)胞，,(,一般要,),經(jīng)過“向心途徑”、“中心途徑”和“離心途徑”等連續(xù)的代謝途徑的代謝，才能在胞內(nèi)生成目的產(chǎn)物，最后，目的產(chǎn)物跨過細(xì)胞質(zhì)膜排出細(xì)胞回到培養(yǎng)介質(zhì)中?！鞠吕m(xù)】,2024/10/18,19,工業(yè)發(fā)酵中細(xì)胞機(jī)器運(yùn)行階段理想載流路徑的五段式：,1,、胞外酶對原料的降解及營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的過程,2,、經(jīng)胞內(nèi)降解代謝途徑匯入中心代謝途徑,3,、中心代謝途徑及其控制,4,、合成代謝流及其控制,5,、目的產(chǎn)物的跨膜及其控制,2024/10/18,20,因此，,典型的理想載流

10、途徑應(yīng)該由以上五段承擔(dān)不同代謝分工的依次銜接的代謝途徑組成。這就是載流途徑的“五段式”。在這條載流途徑上流動的代謝主流對應(yīng)地也有五段，這就是代謝主流的“五段式”。,2024/10/18,21,15.工業(yè)發(fā)酵的五字策略,在“載流路徑”、“代謝主流”和“五段式”等概念的基礎(chǔ)上，從統(tǒng)籌的角度出發(fā)，提出,作為一個整體用于設(shè)計育種以及發(fā)酵工藝控制的 五字策略：,“進(jìn)、通、節(jié)、堵、出”,【下續(xù)】,2024/10/18,22,進(jìn),，促進(jìn)細(xì)胞對碳源營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；,通,，使來自上游和各個注入分支的碳架物質(zhì)能暢通地流向目的產(chǎn)物；,節(jié),，阻塞與目的產(chǎn)物的形成無關(guān)或關(guān)系不大的代謝支流，使碳架物質(zhì)相對集中地流向目的產(chǎn)

11、物；,堵,，消除或削弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑；,出,，促進(jìn)目的產(chǎn)物向胞外空間分泌。,2024/10/18,23,16.代謝網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點及其剛性,微生物代謝網(wǎng)絡(luò)中的途徑的交叉點,(,代謝流的集散處,),叫做,節(jié)點,(node),，,微生物自動抵制節(jié)點處代謝物流量分配比率的改變的特性叫做節(jié)點的剛性,。節(jié)點的剛性取決于微生物代謝的自動調(diào)節(jié)機(jī)制。因此在應(yīng)用“五字策略”制訂育種方案時必須認(rèn)真考慮節(jié)點剛性問題，盡量采用解除反饋調(diào)節(jié)的育種手段。,2024/10/18,24,17.代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性,微生物自動抵制代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物流量分布的改變的特性叫做代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性。,代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性與主要剛性節(jié)點的剛性大小、分

12、布及數(shù)量密切相關(guān)。,2024/10/18,25,18.微生物活細(xì)胞及其經(jīng)濟(jì)性 微生物活細(xì)胞是個遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開放體系，是一種靠消耗能量而維持低熵的穩(wěn)定動態(tài)的特殊結(jié)構(gòu),耗散結(jié)構(gòu)。,【下續(xù)】,2024/10/18,26,從微生物細(xì)胞對能量和化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)外交換、增收節(jié)支、協(xié)調(diào)自律等客觀規(guī)律出發(fā)，把微生物細(xì)胞作為按特殊的經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)實體來看待，并且,把這種按特殊的經(jīng)濟(jì)規(guī)律運(yùn)行的有利于生存競爭（生存保障）的新陳代謝特性叫做細(xì)胞經(jīng)濟(jì)性。,細(xì)胞的經(jīng)濟(jì)性可以以生成細(xì)胞的質(zhì)量與消耗底物的質(zhì)量之比值細(xì)胞經(jīng)濟(jì)系數(shù)來衡量。,2024/10/18,27,19.正常代謝和競爭型細(xì)胞經(jīng)濟(jì),微生物在生存競爭中進(jìn)化的方向

13、是發(fā)展其自身的適應(yīng)能力和提高細(xì)胞運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。經(jīng)生存競爭而幸存下來的野生型微生物在其所棲身的環(huán)境中是富有競爭能力的，并且它們的代謝中間物在代謝網(wǎng)絡(luò)中的分布及細(xì)胞經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況有利于細(xì)胞生長、繁殖和在競爭中獲勝。在上述條件下，細(xì)胞處于正常代謝狀態(tài)，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系呈現(xiàn),競爭型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的特色,。,2024/10/18,28,20.,異常代謝和導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì),如果工業(yè)生產(chǎn)要求微生物在胞外累積某種代謝中間產(chǎn)物，則必須對微生物的代謝流進(jìn)行,導(dǎo)向,。根據(jù)已獲得的代謝分析的信息，應(yīng)用“五字策略”有可能設(shè)計理想載流途徑和配套的發(fā)酵培養(yǎng)工藝路線和工藝條件，進(jìn)而改造菌種、調(diào)整工藝，,將代謝主流導(dǎo)向理想載流途徑。在導(dǎo)向

14、成功的情況下，細(xì)胞處于異常代謝狀態(tài)，細(xì)胞經(jīng)濟(jì)體系呈現(xiàn)導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的特色。,2024/10/18,29,21.細(xì)胞經(jīng)濟(jì)受到嚴(yán)格的制約,工業(yè)發(fā)酵依靠細(xì)胞群體的代謝來獲得產(chǎn)品，導(dǎo)向型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)固然有利于特定的代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)，但,競爭型細(xì)胞經(jīng)濟(jì)向?qū)蛐图?xì)胞經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化受到能量代謝、還原力的平衡等條件的嚴(yán)格制約,(,以保證有熵的輸出,),，表現(xiàn)出代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性。,若細(xì)胞經(jīng)濟(jì)實體的運(yùn)行狀態(tài)過度偏離競爭型運(yùn)行狀態(tài)，活細(xì)胞的高度有序狀態(tài)將走向無序，最終導(dǎo)致,細(xì)胞經(jīng)濟(jì)的崩潰,。,2024/10/18,30,22.,信息流指導(dǎo)下的工業(yè)發(fā)酵,在工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)中，可以把微生物細(xì)胞看作是,細(xì)胞機(jī)器,，它們進(jìn)行能量代謝和物質(zhì)

15、代謝；同時又可以把它們看作是,信息處理器,，它們復(fù)制和傳遞自己的生物信息，接收細(xì)胞內(nèi)外的物理、化學(xué)甚至生物信息，并在對內(nèi)外信息流進(jìn)行綜合處理的基礎(chǔ)上，發(fā)出代謝調(diào)控的指令，,在網(wǎng)絡(luò)剛性的范圍之內(nèi)控制微生物細(xì)胞自身的生命活動。,2024/10/18,31,23.限制性遺傳信息之謎,可以推測在每個微生物細(xì)胞的遺傳物質(zhì)中必有其限制性的生死攸關(guān)的遺傳信息，它們規(guī)定微生物細(xì)胞生命活動的基本的代謝網(wǎng)絡(luò)及其調(diào)節(jié)機(jī)制。這些遺傳信息是微生物細(xì)胞能夠自主生活與獨立存在的依據(jù)，也是微生物對環(huán)境的有限的適應(yīng)性以及設(shè)計育種的計劃往往不能完全兌現(xiàn)的內(nèi)在原因。,2024/10/18,32,24.從發(fā)酵工程到代謝工程,微生物生

16、物工程,(,現(xiàn)代發(fā)酵工程,),基本理論在對代謝流及其控制做出了,定性或半定量的分析,，并在此基礎(chǔ)上建立了工業(yè)發(fā)酵的策略思想。這就為代謝流,(,及其控制,),的,定量分析,架起了橋梁?；蚬こ淘砗鸵炎呦虺墒斓?分子生物學(xué)技術(shù),又為我們提供了進(jìn)行精確而有效的遺傳修飾的手段。于是，,代謝工程水到渠成,了。,2024/10/18,33,25.代謝工程（定義）,代謝工程是這樣一種生物工程技術(shù)：在對代謝流及其控制,進(jìn)行定量分析,的基礎(chǔ)上，,提出,精確的,遺傳修飾方案并借助,分子生物學(xué)技術(shù),付諸實施。如此按部就班反復(fù)進(jìn)行實踐，從,代謝的整體上,改善細(xì)胞的性能和應(yīng)用前景。,2024/10/18,34,26.代謝流及其控制的分析,1.代謝途徑的綜合分析,（Metabolic Pathway Synthesis）2.,代謝流量分析（,Metabolic Flux Analysis）3.,代謝控制分析（,Metabolic Control Analysis）4.,代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析 5.代謝網(wǎng)絡(luò)流量分析 6.細(xì)胞生命活動的熱動力學(xué),2024/10/18,35,課堂小測驗,代謝工程的定義,代謝工程研究的內(nèi)容,