代谢网络和联网问题

2021/1/25 张星元：发酵原理 1 第四节 代谢网络和 联网问题 2021/1/25 张星元：发酵原理 2 代谢网络假说是从目的产物假说发展 起来的。出于寻找发酵学的“元素周期 表”，用以预测工业发酵未来产品的良好 愿望，提出目的产物假说。目的产物假说 假想代谢网络上的任何化合物都有可能开 发为工业发酵的产品。那么，不在代谢网 络上的化合物怎样与工业发酵建立关系呢？ 逆向思维激活了代谢网络延伸的思路：不 在代谢网络上的化合物也可能与工业发酵 发生关系，只要它们能与代谢网络联网。 2021/1/25 张星元：发酵原理 3 所谓联网，就是用化学或生物化学反应 把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而 使它与微生物的代谢建立联系。联网的设想 促成了代谢网络的人为延伸。对于工业发酵 来说，代谢网络的人为延伸意味着新原料和 新产品的开发，意味着工业发酵的研究和开 发的广阔空间。怎样才能实现联网呢？联网 可以用化学或生物学方法（含 DNA重组技术） 来实现。广义的联网包含生命有机体之间接 力赛式的代谢联系。 2021/1/25 张星元：发酵原理 4 总而言之，已在代谢网络 上，或者可以联网的化合物， 都可能被开发为工业发酵的产 物或原料。这一点已得到了上 个世纪末叶的发酵工程和生物 工程实践的支持。 2021/1/25 张星元：发酵原理 5 3.4.1 代谢网络 3.4.2 扩展发酵原料范围 3.4.3 扩展发酵产品范围 3.4.4 发酵新产品的开发 2021/1/25 张星元：发酵原理 6 3.4.1 代谢网络 2021/1/25 张星元：发酵原理 7 一系列按序进行的生物化学反应构成 生化反应途径，生化反应途径按生物化学 规律汇成生化反应网络；若途径在活细胞 里运行，则为代谢途径；代谢途径和输送 系统相互间的接合，加上细胞内辅酶再生 与回用的协调，形成横跨微生物活细胞内 外的、可调节的、无尺度的代谢网络。 2021/1/25 张星元：发酵原理 8 从不同角度、不同层面分析微生物代谢， 可以发现有不同的代谢网络。本课程研究的 主要是有机物（碳）酶和蛋白质层面上的代 谢网络。在研究这种代谢途径的过程中发现， 对于兼性厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧 时代谢网络有明显差异，而且在不同的培养 条件下生长与生存时，代谢网络也是有差异 的。在某特定的条件下驯养微生物也许能唤 醒“沉睡的基因”，使这些基因编码的酶或 蛋白质参与代谢网络。 2021/1/25 张星元：发酵原理 9 在有氧生长与缺氧生存的条 件下，代谢网络的差异主要表现 在代谢网络中心板块的 TCA途径 上。 2021/1/25 张星元：发酵原理 10 3.4.1.1 有氧生长的代谢网络 2021/1/25 张星元：发酵原理 11 在供氧条件下， TCA途径进行正 常的环式运行（ TCA环）。微生物依 靠有氧生长的代谢网络，合成细胞组 成物质，高速地转化生成代谢能，最 终形成整个细胞，实现正常生长。在 以 TCA环为骨架的中心板块的基础上 构件成有氧生长的代谢网络： 2021/1/25 张星元：发酵原理 12 2021/1/25 张星元：发酵原理 13 3.4.1.2 缺氧生存的代谢网络 2021/1/25 张星元：发酵原理 14 在缺氧条件下 ， TCA途径的环式运行中 断 ， TCA环变成在 OAA处发生分支的分叉 途径 ， 形成从 OAA 出发的经苹果酸 （ MLA） 、 延胡索酸 （ FMA） 到琥珀酸 （ SCA） 的 TCA途径还原支路和从 OAA出 发的经柠檬酸 （ CTA） 、 异柠檬酸 （ ICA） 到 -酮戊二酸 （ -KG） 的 TCA途径氧化支 路 。 在以 TCA分叉途径为骨架的中心板块 的基础上构建缺氧生存的代谢网络 。 下图 是兼性厌氧微生物在缺氧条件下发酵生成 能量代谢副产物的简略的示意图 。 2021/1/25 张星元：发酵原理 15 2021/1/25 张星元：发酵原理 16 3.4.2 扩展发酵原料范围 2021/1/25 张星元：发酵原理 17 对绝大多数的微生物来说，形成 细胞的代谢途径基本相同，所以底物 范围的扩展通常只要增加少量的化学 反应或酶反应步骤就可能实现。有时 这些步骤还需与下游反应相兼容和协 调。 2021/1/25 张星元：发酵原理 18 3.4.2.1 用木糖生产乙醇的代谢途径 3.4.2.2 降解淀粉的微生物 2021/1/25 张星元：发酵原理 19 3.4.3 扩展发酵产品范围 2021/1/25 张星元：发酵原理 20 这是一个具有巨大潜力的领域， 异源基因的合理表达能拓展宿主微 生物现有的代谢途径，以求过量合 成已知的和新颖的具备优良化学、 物理特性的化合物。这里主要介绍 属于微生物的初级代谢产物和能量 代谢副产物的工业发酵产品的扩展。 2021/1/25 张星元：发酵原理 21 3.4.3.1 维生素 3.4.3.2 生物聚合物 2021/1/25 张星元：发酵原理 22 3.4.4 发酵新产品的开发 2021/1/25 张星元：发酵原理 23 3.4.4.1 戊糖 : 木糖醇 3.4.4.2 从甘油合成 1,3-丙二醇的途径的 导入