代谢工程学

代谢工程学

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代谢工程学（Metabolic engineering）又称途径工程，一般定义为通过某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性，或是利用重组DNA技术来创造新的化合物。

目录

正文

从人类第一次成功将一个外源基因导入细菌细胞，我们就意识到微生物细胞可以成为众多化工产品的微型工厂。但是很快人们发现，尽管复杂如胰岛素的分子可以通过一个基因的过表达生产，但简单如乙醇的小分子生产却涉及众多基因的调控。就在人们热衷于利用此技术生产医药分子的同时，1980年代，也有研究关注了这项技术背后的代谢复杂性及其调控问题，如代谢通路的热力动力学，代谢步骤的动力控制，遗传通路的设计等等。这些活动有两篇代表性论文，其很关键性地推动了代谢工程的建立。（两篇论文如下）

Stephanopoulos G, Vallino J. 1991. Network rigidity and metabolic engineering in metabolite overproduction. Science 252(5013):1675–81

Bailey JE. 1991. Toward a science of metabolic engineering. Science 252(5013):1668–75

代谢工程与遗传工程不同，前者关注整合的代谢通路和调控网络，后者更多的关注单一基因或酶的操纵。

代谢工程从诞生时起就有显著的工业目标，因为其一开始就意在满足更加有效的催化反应用于生产感兴趣的工业品，如能源，化工品和药品。使用生物催化生产一个产品很容易，但是实现比率、产率和速率的最优化是很难的。这种困难导致代谢过程不得不努力发展代谢通路的设计、构建和最优化。

今天的代谢工程，已经不仅仅是生产贵重的稀有的化工品，而是能够放大尺度生产大宗化工品。未来的代谢过程将大幅度提升生产能力和应用范围。一方面，基因合成技术和异源表达越来越成熟，另一方面，组学的发展为更全面了解微生物的代谢地图提供了技术准备，这包括模式生物也包括稀有微生物。组学提供的地图和基因多样性信息将为代谢工程提供无限可能。

简介

代谢工程使指利用基因工程或是分子生物学技术，将生体内之代谢路径改变，通常改变生体内化学反应之酶。代谢工程技术目前以微生物利用为主，改变工业微生物之代谢路径，生产所需要的化学物质，如抗生素。 这一概念由美国学者BaileyJE于1991年首先提出。其将代谢工程定义为：用重组DNA技术来操纵细胞的酶运输和调节功能从而改进细胞的活性。Stephanopouls等认为，代谢工程是一种提高菌体生物量或代谢物产量的理性化方法。Cameron等的定义则精炼一些，即用重组DNA技术有目的地改造中间代谢。

定义

代谢工程学是指利用基因工程或是分子生物学技术，将生体内之代谢途径改变，通常改变生体内化学反应之酶。它来自于发酵学。代谢工程技术目前以微生物利用为主，改变工业微生物之代谢路径，生产所需要的化学物质，如抗生素。

起源

这一概念由美国学者Bailey J E于1991年首先提出。其将代谢工程定义为：用重组DNA技术来操纵细胞的酶运输和调节功能从而改进细胞的活性。Stephanopouls等认为，代谢工程是一种提高菌体生物量或代谢物产量的理性化方法。Cameron等的定义则精炼一些，即用重组DNA技术有目的地改造中间代谢。

研究内容

与其他传统的工程领域相比，途径工程同样强调解析与组合两个特定的步骤，然而在很大程度上途径操作过程基本上是分子生物学原理的一种技术表现形式，真正意义上的工程方面的成份并不占主导地位。严格地讲，生化反应过程的有关内容并不能定义为途径工程。更多更显著的工程成份只是反映在途径工程的分析部分，如怎样辨认能反映细胞生理状态的主要参数？怎样利用这些信息组织一个代谢网络的控制设计，并确定合理靶点以修饰构建特定的物种？怎样进一步评估基因或酶的真实修饰效果，以实施新一轮的途径修饰直到最佳状态的确立？取代普通的定向靶点筛选程序，怎样预测一个合理的过程以确定途径操作的最有效靶点？上述问题是途径工程分析部分应解决的问题。

途径工程的一个崭新观点是关注代谢途径的组合而非单一的反应，因此它必须考察完整的生化反应网络，重视途径和目标产物的热力学可行性、代谢流及其控制。从传统的单一酶反应分析向相互作用的生化反应系统转移是这一组合观点的精髓，其中代谢网络的概念尤其重要，只有这样，生物体代谢运动和细胞功能的图视效果才能被强化。因此，途径工程第一步的工作利用在广泛而深入的研究中获得的技术信息进行组合设计。

虽然生化代谢和细胞生理学理论为分析反应途径提供了主要依据，但代谢流确定及其控制的研究结果具有更大的实用性。途径工程最突出的特征也许就是强调生化反应途径与代谢流及其体内条件下的控制相关联。将代谢流的定量分析方法与代谢流控制的分子生物学技术完美结合在一起，系统合理地修饰生物细胞的遗传性状，这是途径工程的基石。在代谢途径和代谢流的结构体系中，途径工程的一个基本目标是阐明代谢流控制的因素和机制，对代谢流控制的全面理解是代谢途径修饰的基础。系统研究代谢流及其控制机制有三大基本步骤：第一，建立一种能尽可能多地观察途径并测定其流量的方法。为了做到这一点，通常从测定细胞外代谢物的浓度入手进行简单的物料平衡。这里必须强调的是，一个代谢途径的代谢流并不等于该途径中一个或多个酶的活性。事实上，酶法分析并不能提供途径真正的代谢流信息，除非相应的酶在体外分析条件下存在并具有活性。在代谢分析中，酶法分析经常会错误地显示相似数量级的代谢流，导致产生不正确的结论。第二，在生化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途径代谢流。常采用的扰动方式包括启动子的诱导、底物补加脉冲、特定碳源消除或物理因素变化等。虽然任何有效的扰动对代谢流的作用都是可以接受的，但扰动应该定位于紧邻途径节点的酶分子上。一种扰动往往能提供多个节点上的信息，这对于精确描述代谢网络控制结构所必需的最小实验量是至关重要的。第三，系统分析代谢流扰动的结果。如果某个代谢流的扰动对其下游代谢流未能造成可观察的影响，那么就可以认为该处的节点对上游扰动的反应是刚性（Rigid）的，与之相反的情况则称为柔性（Fluxible）。在刚性节点处，试图通过改变上游酶活性来影响下游代谢流的做法是徒劳的。

除了上述对代谢途径的物质流和能量流进行分析之外，途径工程的概念同样适用于分析信息流，如信号转导途径等。随着分子生物学研究的不断深入，生物体内各种形式的信号转导途径作用机制得以阐明和积累，更进一步的意义在于合理设计、修饰甚至更换受体分子、信号分子、驿站分子以及基因表达调控的顺式元件，构建崭新的信号转导途径，最终形成途径工程新的分支——信号转导途径工程。

途径工程中的基因操作部分已经相当成熟，基因重组、克隆和表达的成功率在很大程度上依赖于生物材料与试剂。唯一值得研究的是重组DNA分子在目标生物体染色体上的整合机制、频率以及整合子的遗传稳定性，而后者又涉及到细胞生理代谢途径的综合平衡、外源基因表达程度与时段的调控设计、以及细胞对目标产物的耐受性等相关问题，因此是途径工程应用的限制性因素。

研究意义

生物工程的学科体系建立在微生物学、遗传学、生物化学和化学工程学的基本原理与技术之上，但其最古老的产业化应用可追溯到公元前40~30世纪期间的酿酒技术。二十世纪四十年代，抗生素制造业的出现被认为是微生物发酵技术成熟的标志，同时也孕育了传统生物工程的诞生。三十年之后，以分子遗传学和分子生物学研究成果为理论基础的基因工程技术则将生物工程引入了现代生物技术的高级发展阶段。

生物工程与化学工程同属化学产品生产技术，但两者在基本原理、生产组织形式以及产品结构等方面均有本质的区别。在化学工业中，产品形成或者化学反应发生的基本场所是各种类型的物理反应器，在那里反应物直接转变成产物；而在生物技术产业中，生化反应往往发生在生物细胞内，作为反应物的底物按照预先编制好的代谢途径反应程序，在催化剂酶的作用下形成最终产物。在此过程中，反应的速度和进程不仅仅依赖于底物和产物的浓度，而且更重要的是受到酶含量的控制，后者的变化又与细胞所处的环境条件和基因的表达状态直接相关联。虽然在一个典型的生物工程生产模式中，同样需要使用被称为细菌发酵罐或细胞培养罐的物理容器，但它们仅仅用于细胞的培养和维持，真正意义上的生物反应器却是细胞本身。因此就生产方式而言，生物工程与化学工程的显著区别在于：（1）生物工程通常需要两种性质完全不同的反应器进行产品的生产，细胞实质上是一种特殊的微型生物反应器（Mircobioreactor）；（2）在一般生产过程中，微型反应器（细胞）的数量与质量随物理反应器内的环境条件变化而变化，因此在物理反应器水平上施加的工艺和工程参数控制种类更多、程度更精细；（3）不仅如此，甚至每个微型反应器（细胞）内的生物催化剂的数量和质量也会增殖或跌宕，而且这种变化受制于更为复杂的机理，同时也遵循另一类代谢途径所编制的固有程序，如酶编码基因的表达调控程序、蛋白质的加工成熟程序、酶的活性结构转换程序、以及蛋白质的降解程序等。如果考虑产品的结构，生物工程则不仅能生产生理活性和非活性分子，而且还能培育和制造生物活体组织。

发展发向

人工生物学研究的先驱、代谢工程专家杰伊·科斯林大胆预测：未来我们能够使用随手可得的、便宜的淀粉、蔗糖等设计和制造出一些可用来制备特殊化学产品的分子、细胞和微生物；代谢工程也将后来居上，超过并取代现在科学家用来制造药品、塑料等的有机合成化学，成为化学工业的支柱。代谢工程：改造细胞的代谢途径代谢工程是基因工程的延伸，即利用基因工程技术定向改造细胞的代谢途径，以改善产物的形成和细胞的性能。基因工程通常只涉及少量基因的改造，比如将编码某种蛋白药物的单一基因转入酵母，然后用该酵母发酵生产该药物。但是，代谢工程会涉及大幅度的基因改变，比如，要在大肠杆菌中生产某种代谢产物如紫杉醇（尚在研究阶段），就必须把一系列相关途径的酶的基因全部导入大肠杆菌，并且敲除不必要和有害的大肠杆菌中原本就有的代谢通路，以构建出一整套大肠杆菌中原本没有的紫杉醇的代谢途径，使大肠杆菌能够生产紫杉醇。科斯林是美国能源部下属的联合生物能源研究所（JBEI，美国能源部资助的三个生物能源研究中心中的一个，主要目的是推进下一代生物燃料的研发工作）的首席执行官；他也负责美国劳伦斯伯克利国家实验室的生物科学研究项目；另外，他还是加州大学伯克利分校合成生物工程研究中心的负责人。科斯林表示，科学家可以通过将酶或不同宿主产生的代谢路径结合进单个微生物中，同时通过对酶进行基因修改让其具有新的功能来制造非天然的特殊化学物质、散装化学物质和燃料。代谢工程未来的目标包括设计出能够专门用于制造某些化学品和生产过程的分子和细胞。代谢工程产生青蒿酸在一篇发表于去年12月3日出版的《科学》杂志的论文中，科斯林认为，作为现代生物技术主要的技术手段之一，代谢工程在使用微生物生产化学物质方面大有潜力，目前，这些化学物质主要由不可再生的能源或有限的自然资源来生产。2006年，科斯林在《自然》杂志撰文指出，他和同事成功地使用代谢工程，用转基因酵母合成了青蒿素的前体物质青蒿酸，新突破有望大幅增加青蒿素的产量，降低治疗疟疾的费用。此前，该小组曾将青蒿的一个基因植入大肠杆菌，利用细菌的生物合成过程获得了一些中间物质，但这些物质还需要几步反应才能生成青蒿酸。在最新研究中，研究人员在青蒿里发现了一种与青蒿酸合成有关的新酶，将制造这种酶的基因植入酿酒酵母后，酵母制造出了青蒿酸。在研究过程中，科斯林教授领导的小组还对有关代谢途径作了重新设计，解决了天然或非天然代谢物大量积累对寄主的毒性问题，并对改造后的微生物用变异进化法进行优化筛选，最终将青蒿素合成的成本降低了10倍。此外，2008年，美国莱斯大学科学家报告称，他们可以利用大肠杆菌发酵生产具有较高市场价值的甘油。以前的研究一直认为，在代谢途径中可以产生1,3-丙二醇的细菌就可以发酵甘油，然而无论是大肠杆菌还是酵母菌都不能产生1,3-丙二醇。新研究揭示了以前未知的一条甘油发酵代谢途径，利用与1,3-丙二醇类似的1,2-丙二醇来发酵甘油，而1,2-丙二醇可由大肠杆菌发酵产生。借助代谢工程，用清洁环保、可再生生物燃料取代汽油和其他交通燃料也大有可能。目前，他和其在JBEI的研究团队正在将代谢工程和有机合成化学方法结合起来，用木质纤维素类生物质人工合成液态交通燃料。制备散装化学材料科斯林表示：“未来，代谢工程学将让有机合成化学相形见绌。”他以制备药物成分为例，在该领域，代谢工程的优势明显胜过有机合成化学。其中包括三类特定的化学物质——主要来源于植物的生物碱、由不同细菌和真菌制造的聚酮化合物以及一般也由细菌制造的非核糖体多肽。科斯林认为，或许，未来代谢工程学最好的机会将是用于制造以石油为原料的散装化学物质，包括汽油和其他燃料、聚合物以及溶剂等。因为这样的产品能够通过对石油进行催化而得到，所以，到现在为止，一直很少有人使用微生物来制备这些产品。但随着油价飙升，以及考虑到资源紧缺和气候变化等因素，现在这种情况已经发生了变化。他表示，现在，借助代谢工程，人们可以使用成本低廉的淀粉、蔗糖或使用微生物作催化剂的纤维素生物质等原材料来制造这些化学物质。关键是，在代谢机制被修改过的细胞内制造出的这些化学物质，是目前产品所需要的准确分子，而不是一些“相同但更环保”、在使用之前还需经过广泛测试的产品。面临的障碍在其发表于《科学》杂志的论文中，科斯林也提到了未来用新陈代谢工程学定制生产出微生物和分子所面临的强大障碍，其中包括需要“调试程序”——发现和修复经过新陈代谢工程处理后的细胞中出现的错误。然而，他确信，这些障碍能够也必将被克服。“我们能够预见，在未来的某一天，不同的公司都能够参与到细胞的制造过程中，每一家公司只专注于其中的一个方面，比如，有的公司构建染色体；有的公司组建细胞膜和细胞壁；有的公司则用激活细胞所需要的基本分子来填充细胞壁。”