1、代谢工程( Metabolic Engineering )2第一节 代谢 工程概述现代生物技术手段主要包括 ： 基因工程 (Gene Engineering) 细胞工程 (Cell Engineering) 发酵工程 (Fermentation Engineering) 酶工程 (Enzyme Engineering) 现代生物技术在化工、医药卫生、农林牧渔、轻工食品、能源和环境等领域都将发挥重要作用，可促进传统产业的改造和新型产业的形成，对人类社会产生深远影响。其中发酵工程是生物技术的重要组成部分，是生物技术转化成产品的重要环节 。 20世纪 90年代提出的 代谢工程 发展迅速，被视为继传统
2、的蛋白质多肽单基因表达（第一代基因工程）、基因定向突变（第二代基因工程）之后的第三代基因工程 。 代谢工程的产生 微生物发酵已经有几千年的历史，早在 2000多年以前，人们就开始利用微生物进行白酒、黄酒、葡萄酒、啤酒和清酒等的发酵，此时的发酵被称为 天然发酵时代 。 20世纪 40年代，随着抗生素青霉素的发酵生产的大规模进行，开始了现代发酵工业时代。通过自然选择的方法，人们用 10-6的突变几率来筛选所谓的高产菌株。由于没有代谢控制发酵理论作为指导，直到 20世纪 60年代现代发酵工业仍处于盲目阶段。 1956年，日本木下祝朗博士等从东京上野动物园鸟粪中分离筛选到 谷氨酸产生菌 ， 1957年
3、日本协和发酵公司成功地进行谷氨酸发酵 ，这是整个氨基酸发酵的开始，继而迅速掀起了一股氨基酸发酵研究的热潮。随着对代谢发酵理论的深入研究，转向发酵菌株本身的研究，获得了很多的氨基酸高产菌株 。 随后，核酸类物质发酵产生菌也以代谢控制发酵理论为指导进行选育，并奋起直追成为后起之秀 。5家有味之素 ,白水变鸡汁日本东京帝国大学的教授池田菊苗， 1909年中国，味精，吴蕴初， 1923年 氨基酸和核苷酸发酵的研究进一步推动了抗生素发酵的研究与生产，发酵由野生型发酵向高度人为控制的发酵转移；由 依赖于微生物分解代谢的发酵转向依赖于生物合成的发酵 ，即向代谢产物大量积累的方向转移。 代谢控制发酵就是利用遗
4、传学的方法或生物化学方法，人为地在 DNA分子水平 上改变和控制微生物的代谢，使得目的产物大量的生成、积累的发酵 。 代谢控制发酵的核心： 解除微生物代谢控制机制，打破微生物正常的代谢调节，人为地控制微生物的代谢。 随着代谢控制发酵理论的逐渐完善，目前已发展出一个重要的研究 分支 代谢 工程 。 它 是近年来分子生物学、生物化学、化学工程学和计算机科学的发展与交叉的产物，从而使生物技术突飞猛进的发展，使有关的研究进入了细胞水平。 从细胞的代谢途径出发，运用工程学原理进行代谢调控，使之向产物积累的方向发展 ，由此创建了一个新兴的领域，即 “ 代谢工程 ” 。 代谢工程的理论首先 由 Jay Ba
5、iley于 1991年在“ Science” 杂志上论述了代谢工程的应用、潜力和设计 。 同年， Greg Stephanopoulos和 Joseph Vallino在“ Science” 杂志上论述了有关 “ 过量生产代谢产物时的代谢工程 ” 、 “ 代谢网络的刚性、代谢流的分配、关键分叉点及速度限制步骤 ” 等内容 。 代谢工程也被称为 “ 途径工程 ” ，是基因工程的重要分支。 随着 DNA重组技术的日趋成熟，代谢工程的理论和应用得到了发展。代谢工程定义的演变过程如下 ： （ 1） 1988年 MacQuitty指出，微生物 途径工程(Microbial Pathway engineering)是 利用 DNA重组技术修饰各种代谢途径（包括生物体非固有的代谢途径），提高特定代谢物的产量 。 （ 2） 1991年 Bailey将代谢工程 (Metabolic engineering)定义为： 利用 DNA重组技术优化细胞的酶活、转运和调控功能，提高细胞活力 。
