历久弥新：进化中的代谢工程

20世纪90年代,Bailey及Stephanopoulos等提出了经典代谢工程的理念,旨在利用DNA重组技术对代谢网络进行改造,以达到细胞性能改善,目标产物增加的目的。自代谢工程诞生以来的30年,生命科学蓬勃发展,基因组学、系统生物学、合成生物学等新学科不断涌现,为代谢工程的发展注入了新的内涵与活力。经典代谢工程研究已进入到前所未有的系统代谢工程阶段。组学技术、基因组代谢模型、元件组装、回路设计、动态控制、基因组编辑等合成生物学工具与策略的应用,大大提升了复杂代谢的设计与合成能力;机器学习的介入以及进化工程与代谢工程的结合,为系统代谢工程的未来开辟了新的方向。文中对过去30年代谢工程的发展趋势作了梳理,介绍了代谢工程在发展中不断创新的理论与方法及其应用。     

基因组尺度分析和代谢工程策略

代谢工程是近年来发展起来的新技术,随着各种组学技术的发展,高通量数据整合方法用于分析细胞的代谢网络,改造代谢途径,以提高目标产物的产量。本文就代谢工程的发展状况,基因组尺度的分析技术,以及代谢工程策略进行了综述。分析了生物信息学和系统生物学方法在代谢途径构建和代谢网络分析中的作用,并就存在的问题和可能的解决途径进行了阐述。     

代谢工程发展30年

代谢工程学科建立30年以来先后与分子生物学、系统生物学和合成生物学发生深度的交叉融合,并在此基础上获得了飞速发展,极大地促进了生物技术产业的进步和升级.文中首先基于SCI论文发表情况对30年来代谢工程学术研究现状和我国在该领域的地位和影响力进行了分析,随后总结了近10年来系统生物学方法和合成生物学的主要使能技术在代谢工...     

应用代谢网络模型解析工业微生物胞内代谢

为了快速、高效地理解工业微生物胞内代谢特征,寻找潜在的代谢工程改造靶点,基因组规模代谢网络模型(GSMM)作为一种系统生物学工具越来越受到人们的关注。文中在回顾GSMM 20年发展历程的基础上,分析了当前GSMM的研究现状,总结了GSMM的构建及分析方法,从预测细胞表型和指导代谢工程两个方面阐述了GSMM在解析工业微生物胞内代谢中的应用,并展望了GSMM未来的发展趋势。     

从碳代谢流角度新解代谢工程策略

代谢工程通过改造微生物代谢过程,进而利用微生物生产各种有用的医药、化学产品及工业原料.本文从细胞代谢中碳代谢流的角度入手,将代谢工程的传统与新型策略进行分类解析.其中,传统代谢工程手段主要对目标代谢路径的关键酶进行改造,通过过表达或基因敲除增大目的代谢路径碳代谢流.然而,在代谢路径改造需要进行多基因表达的情况下,传统手段在如何最佳表达多种酶使碳流通畅上会受到很大限制.本文提出利用高碳流路径,通过简单基因改造以获得高效目标产物生产的新策略.同时,随着合成生物学与系统生物学的发展,精细调控多基因表达成为可能.本文进一步举例讨论了代谢工程中粗略与精细调控基因表达水平对碳流的影响,以期对教学与前沿科研有助.     

微生物代谢工程原理与应用

代谢工程是利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络,并通过DNA重组技术和应用分析生物学相关的遗传学手段对细胞进行有精确目标的基因操作,改变微生物原有的代谢或调节系统,实现目的产物代谢活性的提高。代谢工程综合了生物化学、化学工程、数学分析等多学科内容,是当前国内外学者研究热点之一。论述了微生物代谢工程的理论基础及其应用进展和前景。     

基于图论和约束优化的异源代谢途径设计方法及应用

构建高产高附加值产品的微生物细胞工厂是代谢工程的研究目标之一,设计高效的产品合成途径是实现这一目标的重要方式.不同微生物底盘因其代谢能力有所差异,故而可以利用的底物和生产的产品范围有限.为了扩大其生产能力,需要进行代谢途径从无到有的设计.传统代谢工程基于经验进行异源途径设计的方式低效且无法确保结果的全面性,而系统生物学...     

转录组平台技术及其在代谢工程中的应用

组学技术在系统水平上对细胞代谢进行全面的分析,极大地促进了代谢工程的发展和应用。全基因组水平的转录分析可以使研究者更加精确地评估细胞表型,加深对细胞代谢的理解。而且转录组分析也有助于研究者鉴定菌种改良的目标基因,加速对微生物细胞工厂的合理设计及构建。文中介绍了3种主要转录组平台技术的原理,并总结了转录组学在代谢工程领域中应用的最新进展和未来发展趋势。     

乳酸菌生理功能的系统解析与代谢调控

作为工业化的细胞工厂,乳酸菌广泛应用于食品、农业和医药等行业。然而在乳酸菌的工业生产中以及作为益生菌在人体胃肠道系统中都会面临多种环境胁迫,这些胁迫环境严重影响乳酸菌的生理功能,从而影响食品微生物制造的效率。近年来,随着代谢工程和系统生物学的发展,为乳酸菌生理功能的改造带来了前所未有的机遇。本文综述了系统生物学和代谢工程在乳酸菌生理功能的优化和调控中的具体应用。     

药用植物次生代谢工程研究概况

植物次生代谢工程,是通过基因工程技术改变植物体内的合成和代谢途径,以满足人类对天然植物次生代谢产物不断提高的需求。随着对药用植物次生代谢合成途径日渐全面的认识,采取有效的代谢工程策略对植物次生代谢途径进行遗传改良,已经取得了诸多研究成果。但是,对代谢途径的总体调控以及次生代谢途径之间的协调等方面,仍然了解甚少,而利用系统生物学方法开展预见性代谢工程将会成为未来的研究趋势。     

苯丙氨酸生物合成的研究进展

代谢工程是利用分子生物学原理系统分析代谢途径,设计合理的遗传修饰策略从而优化细胞的生物学特性,本对代谢工程及其在氨基酸生产上的应用进行了简单的回顾,比较了苯丙氨酸的几种合成途径,重点综述了苯丙氨酸生物合成的代谢途径,相关酶及其调控方式,代谢流和转运系统的分析研究,并对苯丙氨酸生产策略的优化及未来发展进行了展望。     

代谢流量比率分析及其在代谢工程中的应用

细胞内代谢反应流量在系统理解细胞代谢特性和指导代谢工程改造等方面都起着重要的作用。由于代谢流量难以直接测量得到,在很多情况下通过跟踪稳定同位素在代谢网络中的转移并进行相应的模型计算能有效地定量代谢流量。代谢流量比率分析法能够高度体现系统的生物化学真实性、辨别细胞代谢网络的拓扑结构,并且能够相对简单快速地定量反应速率等,因此受到代谢工程研究者越来越多的重视。以下着重介绍并讨论了利用代谢物同位体分布信息分析关键代谢节点合成途径的流量比率、基于流量比率的代谢流量解析、以及应用于代谢工程等的相关原理、实验测量、数据分析、使用条件等,以期充分发挥代谢流量比率分析法的优势,并将其拓展推广至更多细胞体系的代谢特性阐明和代谢工程改造中去。     

合成生物学在生物基化学品上的应用趋势及展望

合成生物学(synthetic biology)将工程学和生物学相结合, 它不同于对自然基因模拟的基因工程和对代谢途径模拟的代谢工程,而是在以基因组解析技术和化学合成技术为核心的现代生物技术基础上,以系统生物学思想和知识为指导,综合生物化学、生物物理和生物信息技术,建立基于基因和基因组、蛋白质和蛋白质组的基本要素(模块)及其组合的工程化的资源库和技术平台,旨在设计、改造、重建或制造生物分子、生物部件、生物系统、代谢途径与发育分化过程,以及具有生命活动能力的细胞和生物个体.     

动物细胞代谢工程进展

动物细胞被越来越广泛地用于工业生产,一些现代化企业已采用分子生物学技术,将一些比较重要的基因导入动物细胞,生产具有医用价值的药物。但该技术并未成熟,主要是因为体外培养的细胞,其生长代谢及生理模式都比较复杂,而且细胞的应答机制还受外界因素的影响。因此,采用细胞代谢工程手段,提高体外培养细胞的生长率、产品产率及有效性,成为人们追求的新目标。我们从细胞代谢中心途径、抑制细胞调亡的因素、细胞生长周期的控制及其相关代谢、多基因共表达代谢工程及糖基化代谢工程等方面对代谢工程进行阐述,为动物细胞的培养提供新的思路。     

丝状真菌代谢工程研究进展

丝状真菌(Filamentous fungi)作为重要的工业发酵微生物,在有机酸、蛋白质及次级代谢产物等关键生物基产品生产方面发挥着重要作用.自20世纪90年代代谢工程理念提出以来,尤其是代谢工程使能技术的创新及发展,极大地促进了丝状真菌细胞工厂的构建及其在工业发酵领域的应用.文中将系统介绍近年来丝状真菌代谢工程技术的...     

微生物代谢工程的研究进展和展望

代谢工程技术是构建微生物细胞工厂的重要方法,其主要目标是通过基因工程等手段将目标代谢产物产量最大化。然而基因工程等操作往往会影响细胞生长速率,导致其生产强度降低。随着合成生物学及相关技术的发展,多种调控策略被应用于代谢工程领域以解决上述问题。通过这些调控可以有效地解决细胞生长与产物合成之间的竞争关系,平衡代谢途径,避免中间代谢产物的过量积累。对这些策略的研究及应用进行了概述和展望。     

合成生物学与代谢工程

随着DNA重组技术的日趋成熟,代谢工程的理论和应用已经得到了迅速发展。合成生物学是近年来蓬勃发展的一门新兴学科,在许多领域都具有重要的应用。以下从改造细胞代谢的关键因子、代谢途径的调节和宿主细胞与代谢途径构建的关系等方面详细讨论了合成生物学的最新进展和合成生物学在代谢工程领域的应用。     

《生物工程学报》2010年“代谢工程”专刊征稿通知

<正>代谢工程自1991年诞生以来,在改造植物、动物、微生物的代谢功能方面得到了广泛的应用。为了展现代谢工程科研工作者取得的最新进展,促进我国代谢工程研究的进步和发展,本刊2009年第9期设立了"代谢工程与细胞工厂"专栏,国内该领域著名学者对代谢工程的技术发展进行了总结,介绍了合成生物学等新理论和新技术,并发表了     

代谢工程

代谢工程,也称途径工程,是基因工程一个重要分支,一般是多基因的基因工程,与细胞的基因调控、代谢调控和生化工程密切相关。讨论了代谢工程的应用,包括通过改变代谢流和代谢途径提高产量,改善生产过程,构建新的代谢途径和产生新的代谢产物等。     

微生物细胞工厂的代谢调控

代谢调控是构建微生物细胞工厂的重要技术手段.随着合成生物学技术的不断突破,挖掘和人工设计的高质量调控元件大幅度提升了对细胞代谢网络的改造能力;代谢调控研究也已从单基因的静态调控发展到系统水平上的智能精确动态调控.文中简要综述了近30年来代谢途径表达调控技术在代谢工程领域的研究进展.