代谢工程

学科领域

代谢工程（Metabolic engineering）是指利用多基因重组技术有目的的对细胞代谢途径进行修饰、改造，改变细胞特性，并与细胞基因调控、代谢调控及生化工程相结合，为实现构建新的代谢途径生产特定目的产物而发展起来的一个新的学科领域。可以说是基因工程的高级阶段。

学科发展

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，科学不足技巧补！

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。遗传工程使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。

学科优势

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）。

研究方向

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。

应用

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。

代谢流

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。

与途径工程的区别

代谢工程注重以酶学、化学计量学、分子反应动力学以及现代数学的理论和技术为研究手段，在细胞水平上阐明代谢途径与代谢网络之间局部与整体的关系、胞内代谢过程与胞外物质传输之间的偶联以及代谢流流向与控制的机制，并在此基础上通过工程和工艺操作达到优化细胞性能的目的；而途径工程则侧重于利用分子生物学和遗传学原理分析代谢途径各所属反应在基因水平上的表达与调控性质，并借助于DNA重组技术扩增、删除、植入、转移、调控编码途径反应的相关基因，进而筛选出具有优良遗传特性的工程菌或细胞。

发展前沿

代谢工程是利用基因工程技术改造细胞的代谢，以改善细胞的性能的一门新兴学科。2003年美国贝克莱大学J.Keasling，采用酵母细胞表达天然植物药箐篙素分子，实现工程微生物代谢工程制药。采用系统生物学原理和转基因生物技术、计算机软件辅助设计技术，将细胞内次生代谢反应链重新设计、人工合成基因与基因调控网络，从而进入了代谢工程、基因工程的合成生物学 - 系统生物学基础的遗传工程时代。

最近的发展表明，它在植物、动物代谢工程及至人体组织细胞的基因治疗及代谢分析方面有重要应用。该领域的新颖性在于分子生物技术与数学分析工具的集成，这有助于阐明基因修饰的代谢通量控制及靶标的合理选择。通过提供对细胞生物学的准确严密的描述，代谢工程也可大大促进功能基因组学研究的深入发展。

代谢工程的主要目标是识别特定的遗传操作和环境条件的控制，以增强生物技术过程的产率及生产能力，或对细胞性质进行总体改性。本书最主要的内容包括途径集成和把代谢通量作为细胞生理学的基本决定因素来考虑的重要性。代谢工程把数学的复杂性减到最小，并同时提供一些必要的补充说明作为不同数学运算的背景材料。

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