科学网—标签 - 代谢工程

相关帖子	版块	作者	回复/查看	最后发表

代谢工程研究的历史与现状 1962 - 2010年

xupeiyang 2010-12-3 16:27

代谢工程（Metabolic engineering）是生物工程的一个新的分支。代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述分析综合反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。　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。 http://www.gopubmed.org/web/gopubmed/1?WEB04aizwjjzt1laI29I3fI00h00100090000rl Metabolic Engineering 6,469 documents semantically analyzed 1 2 3 Top Years Publications 2010 931 2009 738 2007 637 2008 631 2006 510 2005 443 2004 388 2003 343 2001 278 2002 273 2000 205 1999 199 1998 138 1997 105 1994 80 1996 77 1995 73 1993 70 1992 67 1990 58 1 2 3 1 2 3 4 Top Countries Publications USA 2,505 China 536 Japan 461 Germany 385 South Korea 271 United Kingdom 254 Canada 192 Netherlands 179 India 144 Italy 132 Switzerland 123 Denmark 93 Spain 89 Sweden 86 France 79 Australia 76 Singapore 72 Belgium 69 Portugal 60 Taiwan 59 1 2 3 4 1 2 3 ... 37 Top Cities Publications Cambridge, USA 153 Beijing, China 136 Taej?n 133 Houston 99 Shanghai, China 92 Boston 88 Berkeley 80 Zrich, Switzerland 78 Baltimore 75 Los Angeles 74 Delft 72 Singapore, Singapore 71 Tokyo 60 London 58 Evanston 57 Atlanta 54 Ann Arbor 53 Gainesville 52 Cleveland 50 Montreal 48 1 2 3 ... 37 1 2 3 ... 60 Top Journals Publications Biotechnol Bioeng 486 Metab Eng 479 Appl Environ Microb 154 Biotechnol Progr 130 Appl Microbiol Biot 124 J Biotechnol 109 Appl Microbiol Biotechnol 84 Appl Environ Microbiol 75 Biomaterials 70 Curr Opin Biotech 68 Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao 55 Adv Biochem Eng Biotechnol 54 J Biosci Bioeng 53 Conf Proc Ieee Eng Med Biol Soc 51 J Biol Chem 51 P Natl Acad Sci Usa 50 Trends Biotechnol 47 Tissue Eng 44 Microb Cell Fact 41 Biotechnol J 40 1 2 3 ... 60 1 2 3 ... 919 Top Terms Publications Metabolism 5,847 metabolic process 5,828 Genes 1,884 Animals 1,612 Humans 1,464 Enzymes 1,367 Metabolic Networks and Pathways 1,355 Proteins 1,235 Glucose 1,092 Models, Biological 1,029 Genetic Engineering 978 Escherichia coli 975 Tissues 826 Escherichia 810 biosynthetic process 787 Kinetics 773 Evaluation Studies as Topic 745 Biotransformation 702 Oxygen 671 mannosyl-oligosaccharide 1,2-alpha-mannosidase activity 656 1 2 3 ... 919 1 2 3 ... 964 Top Authors Publications Stephanopoulos G 60 Lee S 53 Liao J 41 San K 40 Yarmush M 38 Keasling J 37 Bennett G 37 Palsson B 34 Wittmann C 30 Nielsen J 30 Heijnen J 25 Berthiaume F 24 Hugenholtz J 23 Heinzle E 22 Shanks J 22 Fussenegger M 22 Sauer U 21 Papoutsakis E 19 Pronk J 17 Wright P 16 1 2 3 ... 964

个人分类: 信息分析|2441 次阅读|0 个评论

整合代谢工程和合成生物学大肠杆菌合成紫杉醇重要前体

huijian26 2010-10-10 14:23

众所周知，紫杉醇是重要的抗癌药物，其作用机制是抑制癌细胞的有丝分裂。紫杉醇对包括乳腺癌在内的多种癌症有很好的治疗效果，其最高销售额曾超过10亿美元。虽然随着专利的到期，其售价有了较大幅度的降低，但是其价格仍然相当昂贵，一个疗程的价格超过1万美元。紫杉醇是植物来源的抗癌药物，最初治疗一个病人需要4-5棵太平洋红豆杉的树皮。由于太平洋红豆杉数量非常有限，生长周期很长，并且剥去红豆杉树皮后回导致红豆杉的死亡，因此使用红豆杉树皮来提取紫杉醇治疗癌症病人面临很强的伦理困境。面对此两难境地，科学家发挥科学创新精神，开发出了红豆杉植物细胞培养技术来获取紫杉醇，随着研究是深入，科学家发现可将使用decorative yew的树叶提取紫杉醇的前体，使用化学合成的方法合成紫杉醇。由于decorative yew树叶来源很广，使用树叶也不会杀死树木本身，加之后续合成的高效性，这种提取加合成的方法称为紫杉醇的主要来源。化学全合成是获得化合物的主要手段之一，科学家经过努力也成功地合成了紫杉醇，由于紫杉醇结构复杂，化学合成需要35-50步，得率很低，因此紫杉醇的化学全合成科学意义很大，实际应用的价值不大。微生物具有底物利用广泛，生长速度快，研究深入，大规模生产容易等优点，非常适合药物的生产，与紫杉醇同为萜类化合物的青蒿素已经通过精确的途径改造和优化，已经实现了工业化生产，这表明通过代谢工程和合成生物学手段在微生物中合成宿主本身不产生的复杂小分子是可行的，也为后续的相关研究提供可供借鉴的策略和经验。美国麻省理工大学和Tufts大学科学家沿着这个思路，合成紫杉醇的前体taxadiene和 taxadiene-5-alpha-ol。虽然大肠杆菌并不能够产生这两种物质，但是合成他们的前体IPP是大肠杆菌生理代谢过程中的一个中间产物，IPP能够通过两部的酶促反应合成taxadiene。催化后续两部反应的酶类已经从植物中克隆出来。美国科学家首先优化了IPP的生物合成，以大量生成IPP为后续的酶促反应提供底物。 IPP的生物合成有8个步骤，研究发现其中的四个步骤是限速步骤，通过提高限速步骤的酶量，控制整个催化的效率，大量的合成了IPP。接着讲植物的催化酶引入到工程菌株中，优化催化酶的密码子和表达水平，产生了大量的taxadiene。与只加入催化酶没有进行相关优化相比，其产量提高了1500倍，也比已有的文献报道的产量提高了1000倍。接着科学家有加入能够催化taxadiene合成 taxadiene-5-alpha-ol的酶类，将合成紫杉醇的途径有往前迈了一步。虽然离合成能够化学转化的前体浆果赤霉素（baccatin III）还有比较远的距离，但是本研究表明在弄清楚紫杉醇的合成途径后，使用大肠杆菌合成紫杉醇很有潜力。本研究中使用的平台技术和手段对合成其他化合物具有通用性，因此使用代谢工程结合合成生物学手段将开启动植物来源的活性小分子微生物表达的大门。 Source: “Isoprenoid Pathway Optimization for Taxol Precursor Overproduction in Escherichia coli” by Parayil Kumaran Ajikumar, Wen-Hai Xiao, Keith E. J. Tyo, Yong Wang, Fritz Simeon, Effendi Leonard, Oliver Mucha, Too Heng Phon, Blaine Pfeifer, Gregory Stephanopoulos. Science, 1 October, 2010. Funding: Singapore-MIT Alliance, National Institutes of Health and a Milheim Foundation Grant for Cancer Research

个人分类: 生活点滴|8417 次阅读|0 个评论

博士后招聘：Metabolic Engineering Postdoc Position

lwiaanngg 2010-7-22 09:24

Title: Yeast Metabolic Engineering Postdoc Position at Nanyang Technological University, Singapore The project is about engineering metabolic pathways in yeast to produce valuable biofuels. The postdoc position is tenable for up to 2 years and will be awarded based on previous academic and research accomplishments. The project will require you to work at Nanyang Technological University (NTU), Singapore. Detailed requirements are as follows: 1. Familiar with gene knock out and gene cloning techniques in yeast. 2. Have background in modeling of metabolic pathways of yeast 3. Ph.D. in Bio-related areas 4. Salary: SGD 3500 per month If you are interested in this position, please send your CV to Prof. Jiang Rongrong by August 30, 2011. Once you are admitted, the working permit will be applied by NTU. Thanks. E-mail: rrjiang@ntu.edu.sg School of Chemical Biomedical Engineering, Nanyang Technological University, Singapore

个人分类: 未分类|4592 次阅读|0 个评论

工业发酵的五字策略的网上发表

热度 1 biozhang 2009-9-16 11:14

张星元：工业发酵的五字策略的网上发表请先阅读前文（《细胞机器的工作模式的网上发表》http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=255894 ），以便于理解本博文的内容。工业发酵的五字策略在代谢网络假说、微生物细胞机器的工作模式和微生物代谢的五段式的基础上，提出了工业发酵菌种选育和工艺控制的五字策略，简称工业发酵的五字策略。工业发酵的五字策略的示意图：这五个字的含义分别是： ①进：促进细胞对碳源等营养物质的吸收； ②通：使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物； ③节：阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物； ④堵：消除或削弱目的产物进一步代谢的途径； ⑤出：促进目的产物向胞外空间分泌。五字策略的局限性及其补救然而，五字策略毕竟是建立在人一厢情愿基础上的统筹策略，尽管它在处事方面有普遍意义，但在生物学上的应用是有局限性的。尽管按五字策略制定育种方案，是以代谢途径及其调节机制为依据的，但目前还不可能把未知的代谢刚性因素全部考虑在内，在实施时也就不可能完全达到预期目标。因此，在做育种（特别是分子生物学育种）工作前仍需用代谢流量分析、代谢网络分析来校验、补充和修正按五字策略制定的方案。对载流路径上的主要节点（产物形成时代谢流量发生明显改变的节点）的性质要做到心中有数。如果目标节点为挠性节点（ flexible node ）或者弱刚性节点（ weakly rigid node ），按五字策略制定的方案就具有可行性，因为挠性节点对代谢流的导向是最顺从的。对于刚性节点，仅仅改变下游反应的酶水平或活性，是不可能对代谢流进行顺利导向的，因此必须对该节点进行具体分析，在弄清该刚性节点形成原因，设计补救的条件，经过实验，仍有可能实现一定程度的代谢导向。借助于物理，化学或分子生物学的方法来促使微生物的基因发生突变，在DNA水平上，对代谢流进行导向，属于育种的范畴。五字策略的目的是拓宽并理顺直达目的点（目的产物）的路径，增加通往终点的流量，尽量减少分支的消耗，使碳架物质在尽可能经理想的载流路径流往目的产物。五字策略与代谢工程的分子育种有关分析是互补的，各有侧重的。采用五字策略进行常规育种，实验成本低、周期短，一般都能取得比较好的效果（五个字中只要有两三个字有效）；而且，常规育种的成果菌种往往也可作为基因供体菌，用于代谢工程育种。因此，从长计议，五字策略作为宏观指导，不论对哪一类育种方法都是有潜力的。发酵过程中，人们通过改变培养基配方、温度、pH值、供氧、搅拌速率、接种量，甚至借助于不同的发酵方式、补料、流加、产品抽出等的调控手段，将代谢导向的信息转达微生物细胞，对微生物的代谢进行导向。因此，发酵条件的优化是人类与微生物交流的一种最简便的方式。对信息流的把握能使我们与微生物之间的对话变得容易和准确，也正是对信息流的把握使我们对物质和能量流的控制成为可能，准确调动代谢流的理想也正在促进着对信息流的研究和探索。在发酵工业中，生物信息的有效应用将取代以往以利用增加投入来提高收益的陈旧思路。我们对生物体了解的越多，我们利用微生物的自由度就越大，所以细胞经济假说在发酵工业中起着举足轻重的作用。谁掌握了最先进的生物信息和细胞经济信息，谁就可能在工业发酵的竞争中占有绝对的优势。

个人分类: 生命系统|8459 次阅读|2 个评论

生物工程的一个新的分支：代谢工程

热度 1 biozhang 2008-5-4 13:23

张星元：生物工程的一个新的分支：代谢工程代谢工程（Metabolicengineering）是生物工程的一个新的分支。代谢工程把量化代谢流及其控制的工程分析方法和用以精确制订遗传修饰方案并付之实施的分子生物学综合技术结合起来，以上述分析综合反复交替操作、螺旋式逼近目标的方式，在较广范围内改善细胞性能，以满足人类对生物的特定需求的生物工程。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！ 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。遗传工程是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。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（reversemetabolicengineering）,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（criticalinformation）。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。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。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多年历史了。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。

个人分类: 代谢网络假说|6469 次阅读|2 个评论

《发酵原理（第2版）》的消息（含作者讲课录像和ppt）

biozhang 2008-4-6 07:49

张星元：发酵原理（第2版）的消息登录全国普通高等教育教材网www.tbook.com.cn查询，得知《发酵原理（第2版）》已列入普通高等教育十一五国家级教材规划补充选题。《教育部关于印发普通高等教育十一五国家级教材规划补充选题的通知》（2008-02-18发布）指出：为更好地满足教学需求,及时将2004-2005两年出版的教材中质量较高、在教学中反映较好的教材，修订后纳入普通高等教育十一五国家级教材规划，我部组织了普通高等教育十一五国家级教材规划补充申报工作。经出版社申报、专家评审、网上公示，最后确定了2049种选题补充列入十一五国家级教材规划。《发酵原理（第2版）》就是其中之一。《发酵原理》是我国第一本系统地阐述工业发酵的生物学原理的书，也是我国大学生物工程专业发酵原理课程的教科书。《发酵原理》（十五国家级规划教材），于2005年3月由科学出版社首次出版,内含电子文本的教案和相关支持文档的光盘。《发酵原理》出版前后将近十年中，作者亲自执教（讲述发酵原理绪论ppt 的录像，也可以在本博客音频栏下载观看）生物工程本科（课程名称为发酵原理）、研究生（课程名称为工业发酵的生物学原理），并指导课程讨论会（或辩论会），在此过程中，作者进行了认真的、自我批判性的思考。在突出生物学理念自成系统地解释发酵工程的基础上，推出微生物生命活动的三个基本假说，以及菌种选育和微生物代谢宏观控制的五字策略，已使《发酵原理》这本书具有原创性。在我们酝酿和使用这本教材的最近十多年中，基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学逐步形成，生物系统的自组织的复杂性逐步具备了理论和实验的基础，从而为工业发酵的生物学理论提供了不同层次的支撑，并使自然科学理论上升到哲学的水准。这些发展将在《发酵原理》这本书再版时得到体现，全书的格局也将作相应的调整。

个人分类: 发酵工程|4734 次阅读|0 个评论

帐号		自动登录	找回密码
密码			注册

关闭安全验证

标签: 代谢工程

相关帖子

相关日志

关闭 安全验证

标签: 代谢工程

相关帖子

相关日志

关闭安全验证