代謝工程學

代謝工程學（Metabolic engineering），又稱途徑工程，一般定義為通過某些特定生化反應的修飾來定向改善細胞的特性，或是利用重組DNA技術來創造新的化合物。

目錄: 1、概述; 2、研究內容; 3、研究意義; 4、參考文獻

概述

代謝工程學(Metabolic engineering)又稱途徑工程，一般定義為通過某些特定生化反應的修飾來定向改善細胞的特性，或是利用重組DNA技術來創造新的化合物。它使指利用基因工程或是分子生物學技術，將生體內之代謝路徑改變，通常改變生體內化學反應之酶。代謝工程技術目前以微生物利用為主，改變工業微生物之代謝路徑，生產所需要的化學物質，如抗生素。

這一概念由美國學者BaileyJE于1991年首先提出。其將代謝工程定義為：用重組DNA技術來操縱細胞的酶運輸和調節功能從而改進細胞的活性。Stephanopouls等認為，代謝工程是一種提高菌體生物量或代謝物產量的理性化方法。Cameron等的定義則精煉一些，即用重組DNA技術有目的地改造中間代謝。

研究內容

與其他傳統的工程領域相比，途徑工程同樣強調解析與組合兩個特定的步驟，然而在很大程度上途徑操作過程基本上是分子生物學原理的一種技術表現形式，真正意義上的工程方面的成份并不占主導地位。嚴格地講，生化反應過程的有關內容并不能定義為途徑工程。更多更顯著的工程成份只是反映在途徑工程的分析部分，如怎樣辨認能反映細胞生理狀態的主要參數?怎樣利用這些信息組織一個代謝網絡的控制設計，并確定合理靶點以修飾構建特定的物種?怎樣進一步評估基因或酶的真實修飾效果，以實施新一輪的途徑修飾直到最佳狀態的確立?取代普通的定向靶點篩選程序，怎樣預測一個合理的過程以確定途徑操作的最有效靶點?上述問題是途徑工程分析部分應解決的問題。

途徑工程的一個嶄新觀點是關注代謝途徑的組合而非單一的反應，因此它必須考察完整的生化反應網絡，重視途徑和目標產物的熱力學可行性、代謝流及其控制。從傳統的單一酶反應分析向相互作用的生化反應系統轉移是這一組合觀點的精髓，其中代謝網絡的概念尤其重要，只有這樣，生物體代謝運動和細胞功能的圖視效果才能被強化。因此，途徑工程第一步的工作利用在廣泛而深入的研究中獲得的技術信息進行組合設計。

雖然生化代謝和細胞生理學理論為分析反應途徑提供了主要依據，但代謝流確定及其控制的研究結果具有更大的實用性。途徑工程最突出的特征也許就是強調生化反應途徑與代謝流及其體內條件下的控制相關聯。將代謝流的定量分析方法與代謝流控制的分子生物學技術完美結合在一起，系統合理地修飾生物細胞的遺傳性狀，這是途徑工程的基石。在代謝途徑和代謝流的結構體系中，途徑工程的一個基本目標是闡明代謝流控制的因素和機制，對代謝流控制的全面理解是代謝途徑修飾的基礎。系統研究代謝流及其控制機制有三大基本步驟：第一，建立一種能盡可能多地觀察途徑并測定其流量的方法。為了做到這一點，通常從測定細胞外代謝物的濃度入手進行簡單的物料平衡。這里必須強調的是，一個代謝途徑的代謝流并不等于該途徑中一個或多個酶的活性。事實上，酶法分析并不能提供途徑真正的代謝流信息，除非相應的酶在體外分析條件下存在并具有活性。在代謝分析中，酶法分析經常會錯誤地顯示相似數量級的代謝流，導致產生不正確的結論。第二，在生化代謝網絡中施加一個已知的擾動，以確定在系統松散之后達到新的穩態時的途徑代謝流。常采用的擾動方式包括啟動子的誘導、底物補加脈沖、特定碳源消除或物理因素變化等。雖然任何有效的擾動對代謝流的作用都是可以接受的，但擾動應該定位于緊鄰途徑節點的酶分子上。一種擾動往往能提供多個節點上的信息，這對于精確描述代謝網絡控制結構所必需的最小實驗量是至關重要的。第三，系統分析代謝流擾動的結果。如果某個代謝流的擾動對其下游代謝流未能造成可觀察的影響，那么就可以認為該處的節點對上游擾動的反應是剛性(Rigid)的，與之相反的情況則稱為柔性(Fluxible)。在剛性節點處，試圖通過改變上游酶活性來影響下游代謝流的做法是徒勞的。

除了上述對代謝途徑的物質流和能量流進行分析之外，途徑工程的概念同樣適用于分析信息流，如信號轉導途徑等。隨著分子生物學研究的不斷深入，生物體內各種形式的信號轉導途徑作用機制得以闡明和積累，更進一步的意義在于合理設計、修飾甚至更換受體分子、信號分子、驛站分子以及基因表達調控的順式元件，構建嶄新的信號轉導途徑，最終形成途徑工程新的分支——信號轉導途徑工程。

途徑工程中的基因操作部分已經相當成熟，基因重組、克隆和表達的成功率在很大程度上依賴于生物材料與試劑。唯一值得研究的是重組DNA分子在目標生物體染色體上的整合機制、頻率以及整合子的遺傳穩定性，而后者又涉及到細胞生理代謝途徑的綜合平衡、外源基因表達程度與時段的調控設計、以及細胞對目標產物的耐受性等相關問題，因此是途徑工程應用的限制性因素。

研究意義

生物工程的學科體系建立在微生物學、遺傳學、生物化學和化學工程學的基本原理與技術之上，但其最古老的產業化應用可追溯到公元前40~30世紀期間的釀酒技術。二十世紀四十年代，抗生素制造業的出現被認為是微生物發酵技術成熟的標志，同時也孕育了傳統生物工程的誕生。三十年之后，以分子遺傳學和分子生物學研究成果為理論基礎的基因工程技術則將生物工程引入了現代生物技術的高級發展階段。

生物工程與化學工程同屬化學產品生產技術，但兩者在基本原理、生產組織形式以及產品結構等方面均有本質的區別。在化學工業中，產品形成或者化學反應發生的基本場所是各種類型的物理反應器，在那里反應物直接轉變成產物;而在生物技術產業中，生化反應往往發生在生物細胞內，作為反應物的底物按照預先編制好的代謝途徑反應程序，在催化劑酶的作用下形成最終產物。在此過程中，反應的速度和進程不僅僅依賴于底物和產物的濃度，而且更重要的是受到酶含量的控制，后者的變化又與細胞所處的環境條件和基因的表達狀態直接相關聯。雖然在一個典型的生物工程生產模式中，同樣需要使用被稱為細菌發酵罐或細胞培養罐的物理容器，但它們僅僅用于細胞的培養和維持，真正意義上的生物反應器卻是細胞本身。因此就生產方式而言，生物工程與化學工程的顯著區別在于：(1)生物工程通常需要兩種性質完全不同的反應器進行產品的生產，細胞實質上是一種特殊的微型生物反應器(Mircobioreactor);(2)在一般生產過程中，微型反應器(細胞)的數量與質量隨物理反應器內的環境條件變化而變化，因此在物理反應器水平上施加的工藝和工程參數控制種類更多、程度更精細;(3)不僅如此，甚至每個微型反應器(細胞)內的生物催化劑的數量和質量也會增殖或跌宕，而且這種變化受制于更為復雜的機理，同時也遵循另一類代謝途徑所編制的固有程序，如酶編碼基因的表達調控程序、蛋白質的加工成熟程序、酶的活性結構轉換程序、以及蛋白質的降解程序等。如果考慮產品的結構，生物工程則不僅能生產生理活性和非活性分子，而且還能培育和制造生物活體組織。