代谢工程导读
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 2
研究 代谢工程的就是
为了能精确地处理好微生
物细胞自身的利益与人类
对微生物细胞提出的要求
之间的对立与统一的关系 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 3
代谢工程的导读
1,代谢工程的酝酿
2,代谢流及其控制的的概念
3,代谢工程的两个组成部分
4,代谢工程的含义
5,代谢工程的应用
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 4
1.1 半个多世纪生理与育种知识
的累积
1.2 基因工程理论和技术的成熟
1.3 代谢流定量分析技术的发展
1.4 生化工程在线检测和建模方
法的发展
1,代谢工程的酝酿
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 5
用代谢途径操作的手段来改造微生物以获
得期望的性质, 这确实并不是新的观念 。 在
氨基酸, 抗生素, 溶剂和维生素的发酵法生
产中, 都可以找到采用这个路子实现人类理
想的一些突出的例子 。 这些方法主要依赖于
用化学诱变剂处理微生物, 并用进行设计的
筛选技术来检出已获得优良性状的突变株 。
尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的
效果, 但人们对突变株的遗传和代谢性状的
精确变化, 知之甚少 。
1.1 半个多世纪生理与育种知识的累积
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 6
尽管在所有的菌种改良方案中都有
某种定向的含义，但传统的诱变是随机
的。“定向”与随机诱变没有直接关系。
事实上，我们早就根据随机诱变后
从突变株中筛得的高产突变株遗传标记，
及这些突变株的优良性质的实验结果，
来推测途径及其控制的机制 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 7
有人把这样的做法叫做“逆
行的代谢工程”（ reverse
metabolic engineering）,“逆行
的代谢工程” 为代谢网络的构建
和完善，以及代谢工程的进展提
供了大量的生理学和遗传学信息。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 8
二十多年来，基因工程的理论和
DNA重组的分子生物学技术已成熟。
DNA重组的分子生物学技术的开发和
应用，把代谢操作引进了一个新的层
面，人们已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。
1.2 基因工程理论和技术的成熟
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 9
1.3 代谢流定量分析技术的发展
代谢流量分析（ metabolic flux
analysis） 是一种研究胞内代谢的方法，
根据已有的代谢网络的信息建立胞内主
要反应的化学计量模型和胞内代谢产物
的质量平衡，以实际测得的分泌到胞外
的代谢中间产物的浓度，来推算代谢代
谢流量 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 10
这种分析方法的基础是拟稳态
假设，即假设在产物形成速率最大
的阶段各种代谢中间物的胞内浓度
变化速率为零。根据质量平衡，由
n 个中间代谢物即可得到 n 个关于
速率的方程，通过测定胞外代谢产
物的浓度，计算未知途径的流量。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 11
1.4 生化工程在线检测和建模方法的发展
色谱、质谱、红外等等在线检测
手段，以及生物传感技术的发展，可为发
酵在线检测和反馈提供可靠的原始数据。
建模方法也有发展。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 12
代谢流的概念本身实际上并不是新
的概念。代谢流及其控制引起生化研究
人员中的少数先知的注意，大约已有 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，尽管这些观念并不是始终被传统
的生物学家广泛地接受。
2 代谢流及其控制的的概念
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 13
代谢工程最初仅仅被设想为特定
的途径操作（在生物化学、生理学、
遗传学的领域）。后来,发酵工程师
们惊喜地发现利用代谢流控制分析这
个有效的平台，可以向工业发酵过程
导入严密性；并把它变成了发酵工程
的领域工程数据分析的输出端。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 14
尽管代谢和细胞生理学可为反应途
径的分析提供主要的背景知识；还应该
指出，代谢流量测定和控制的结果具有
广阔的适用范围和实际应用前景。因而，
除了要分析代谢途径上的物质流和能量
流，代谢工程的概念同样可以应用于将
来信号传感途径的信息流的分析（目前
对于信息流尚未很好地定义）。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 15
3 代谢工程的两个组成部分
3.1,分析” 部分
3.2,综合” 部分
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 16
因为代谢工程借助于 DNA
重组技术而作为一种启用技术而
出现，所以 一开始人们就把注意
力放在这个领域的综合方面,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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 17
这样所谓的代谢工程，
在相当程度上仅仅是应用分
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 18
与所有传统的工程领域一
样，代谢工程也包含, 分析,
和, 综合, 两个规定的步骤。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 19
重要的工程内容存在
于代谢工程的分析方面,
例如：
3.1,分析” 部分
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 20
①怎样推算特定代谢流量等生理状态参数？
②怎样用这些信息解释代谢网络的控制结
构（体系），进而提出达到某个目标的合
乎道理的修饰位点？
③怎样进一步估计测定这些遗传修饰和酶
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？
④能不能提出一个合理的方法以确定代谢
修饰的最有希望的靶位？
⑤？ ……
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 21
综合部分包括以分子生物
学方法进行的综合实验, 设计
育种方案的制定，新的基因的
导入和在寄主细胞中的表达，
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 。
3.2,综合” 部分
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 22
在综合方面，代谢工程的另
一个不同寻常的特征是代谢途径
的“集成”，而往往不是单个反
应的导入。这样，代谢工程研究
的是整个代谢网络，涉及到途径
分析和热动力学可能性，途径流
量及其控制。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 23
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 24
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 25
因此，代谢工程使用来自
还原论者的大量的信息和研究
技术，来进行设计和综合。而
关于整个体系的运转状态的观
察（工程数据采集），对于进
一步的合理的分析来说，又是
最好的指导。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 26
代谢工程让人们把注意力
转向代谢网络的整个体系而不
是其组成部分。这个转向说明
基因工程已在总结经验和教训
中走向成熟。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 27
代谢工程把发酵工程的两个关键的
组成部分菌种和发酵工艺控制凝聚在一
起，这正是发酵原理的基本立场。在发
酵工业的历史上菌种和发酵工艺控制的
分开，促进了发酵生产的工业化，也束
缚了高精度发酵工程的发展。代谢工程
使发酵工程返朴归真，代谢工程是强化
了生物学属性的广义的发酵工程。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 28
发酵原理（工业发酵的生物
学原理）是代谢控制发酵通向代
谢工程的桥梁，是分子生物学技
术在发酵工业上取得丰硕成果的
向导，也是我国生物工程、发酵
工程界后生超越前辈、领先世界
的“内功”。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 29
4 代谢工程的含义
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或递进的含义。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 30
几十年来我们一直是用物理
或化学诱变来改变微生物的遗传
特性。 通过传统的诱变和筛选，
成功开发了大量的生产抗生素和
氨基酸的菌种。在已知代谢途径
的基础上，采用了一些精心设计
的筛选方法，但是整体上这个方
法还仅仅是一种, 试差法, 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 31
DNA 重组技术的出现使人类
的许多美好理想有可能成为现实。
用目标明确的遗传修饰替代传统的
暗箱操作去改变代谢途径，已取得
可喜的成绩。发酵工程和微生物代
谢流的分析提供的信息，又可以校
正遗传修饰的精度，从而更进一步
逼近预定目标。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 32
代谢工程最初被定义为：
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 33
这样定义的代谢工程的基本特征是
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 34
也有人这样给代谢工程下定义：
通过使用 DNA 重组和分子生物学技
术，对代谢途径进行修饰和（或）引
进缺失，从而改变细胞的新陈代谢作
用和（或）细胞特性的生物工程的分
支。这样的定义尽管强调了代谢工程
目标的确切性，但 仍不能包容代谢工
程的工程分析方面的内容，仍不能做
到,分析”和“综合”的有机结合。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 35
应该根据代谢工程的
生物学和工程学实质来规
范代谢工程的内涵，给代
谢工程下定义。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 36
代谢工程的定义：
把量化代谢流及其控制的工程分
析方法与根据分析结果制定的遗传修
饰方案付之实施的分子生物学技术结
合起来，以反复分析、校验和修正的
方式进行实际操作，改善微生物的产
物形成的能力和微生物的细胞性能，
从而满足人类对生物的特定需求的生
物工程的分支。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 37
① 提高目的产物的产量及其对主
要原料的转化率, ② 扩大细胞可
利用基质 （ 原料 ） 的范围, ③ 扩
大细胞生物合成的范围, ④ 改善
工业生产中细胞的形态和生理性
能, ⑤ 调整细胞合成, 分泌不同
代谢产物的产量分布,
5 代谢工程的应用
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 38
⑥ 研究和完善微生物代谢及代
谢调节的知识, ⑦ 生物制药方
面的应用, ⑧ 环境净化方面的
应用, ⑨ 酶制剂, 微生物多肽
制品的进一步开发, ⑩ 用微生
物生产动植物异源蛋白 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 2
研究 代谢工程的就是
为了能精确地处理好微生
物细胞自身的利益与人类
对微生物细胞提出的要求
之间的对立与统一的关系 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 3
代谢工程的导读
1,代谢工程的酝酿
2,代谢流及其控制的的概念
3,代谢工程的两个组成部分
4,代谢工程的含义
5,代谢工程的应用
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 4
1.1 半个多世纪生理与育种知识
的累积
1.2 基因工程理论和技术的成熟
1.3 代谢流定量分析技术的发展
1.4 生化工程在线检测和建模方
法的发展
1,代谢工程的酝酿
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 5
用代谢途径操作的手段来改造微生物以获
得期望的性质, 这确实并不是新的观念 。 在
氨基酸, 抗生素, 溶剂和维生素的发酵法生
产中, 都可以找到采用这个路子实现人类理
想的一些突出的例子 。 这些方法主要依赖于
用化学诱变剂处理微生物, 并用进行设计的
筛选技术来检出已获得优良性状的突变株 。
尽管这种方法已被广泛地接受并已取得好的
效果, 但人们对突变株的遗传和代谢性状的
精确变化, 知之甚少 。
1.1 半个多世纪生理与育种知识的累积
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 6
尽管在所有的菌种改良方案中都有
某种定向的含义，但传统的诱变是随机
的。“定向”与随机诱变没有直接关系。
事实上，我们早就根据随机诱变后
从突变株中筛得的高产突变株遗传标记，
及这些突变株的优良性质的实验结果，
来推测途径及其控制的机制 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 7
有人把这样的做法叫做“逆
行的代谢工程”（ reverse
metabolic engineering）,“逆行
的代谢工程” 为代谢网络的构建
和完善，以及代谢工程的进展提
供了大量的生理学和遗传学信息。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 8
二十多年来，基因工程的理论和
DNA重组的分子生物学技术已成熟。
DNA重组的分子生物学技术的开发和
应用，把代谢操作引进了一个新的层
面，人们已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。
1.2 基因工程理论和技术的成熟
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 9
1.3 代谢流定量分析技术的发展
代谢流量分析（ metabolic flux
analysis） 是一种研究胞内代谢的方法，
根据已有的代谢网络的信息建立胞内主
要反应的化学计量模型和胞内代谢产物
的质量平衡，以实际测得的分泌到胞外
的代谢中间产物的浓度，来推算代谢代
谢流量 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 10
这种分析方法的基础是拟稳态
假设，即假设在产物形成速率最大
的阶段各种代谢中间物的胞内浓度
变化速率为零。根据质量平衡，由
n 个中间代谢物即可得到 n 个关于
速率的方程，通过测定胞外代谢产
物的浓度，计算未知途径的流量。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 11
1.4 生化工程在线检测和建模方法的发展
色谱、质谱、红外等等在线检测
手段，以及生物传感技术的发展，可为发
酵在线检测和反馈提供可靠的原始数据。
建模方法也有发展。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 12
代谢流的概念本身实际上并不是新
的概念。代谢流及其控制引起生化研究
人员中的少数先知的注意，大约已有 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，尽管这些观念并不是始终被传统
的生物学家广泛地接受。
2 代谢流及其控制的的概念
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 13
代谢工程最初仅仅被设想为特定
的途径操作（在生物化学、生理学、
遗传学的领域）。后来,发酵工程师
们惊喜地发现利用代谢流控制分析这
个有效的平台，可以向工业发酵过程
导入严密性；并把它变成了发酵工程
的领域工程数据分析的输出端。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 14
尽管代谢和细胞生理学可为反应途
径的分析提供主要的背景知识；还应该
指出，代谢流量测定和控制的结果具有
广阔的适用范围和实际应用前景。因而，
除了要分析代谢途径上的物质流和能量
流，代谢工程的概念同样可以应用于将
来信号传感途径的信息流的分析（目前
对于信息流尚未很好地定义）。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 15
3 代谢工程的两个组成部分
3.1,分析” 部分
3.2,综合” 部分
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 16
因为代谢工程借助于 DNA
重组技术而作为一种启用技术而
出现，所以 一开始人们就把注意
力放在这个领域的综合方面,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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 17
这样所谓的代谢工程，
在相当程度上仅仅是应用分
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 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 18
与所有传统的工程领域一
样，代谢工程也包含, 分析,
和, 综合, 两个规定的步骤。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 19
重要的工程内容存在
于代谢工程的分析方面,
例如：
3.1,分析” 部分
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 20
①怎样推算特定代谢流量等生理状态参数？
②怎样用这些信息解释代谢网络的控制结
构（体系），进而提出达到某个目标的合
乎道理的修饰位点？
③怎样进一步估计测定这些遗传修饰和酶
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？
④能不能提出一个合理的方法以确定代谢
修饰的最有希望的靶位？
⑤？ ……
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 21
综合部分包括以分子生物
学方法进行的综合实验, 设计
育种方案的制定，新的基因的
导入和在寄主细胞中的表达，
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 。
3.2,综合” 部分
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 22
在综合方面，代谢工程的另
一个不同寻常的特征是代谢途径
的“集成”，而往往不是单个反
应的导入。这样，代谢工程研究
的是整个代谢网络，涉及到途径
分析和热动力学可能性，途径流
量及其控制。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 23
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 24
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 25
因此，代谢工程使用来自
还原论者的大量的信息和研究
技术，来进行设计和综合。而
关于整个体系的运转状态的观
察（工程数据采集），对于进
一步的合理的分析来说，又是
最好的指导。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 26
代谢工程让人们把注意力
转向代谢网络的整个体系而不
是其组成部分。这个转向说明
基因工程已在总结经验和教训
中走向成熟。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 27
代谢工程把发酵工程的两个关键的
组成部分菌种和发酵工艺控制凝聚在一
起，这正是发酵原理的基本立场。在发
酵工业的历史上菌种和发酵工艺控制的
分开，促进了发酵生产的工业化，也束
缚了高精度发酵工程的发展。代谢工程
使发酵工程返朴归真，代谢工程是强化
了生物学属性的广义的发酵工程。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 28
发酵原理（工业发酵的生物
学原理）是代谢控制发酵通向代
谢工程的桥梁，是分子生物学技
术在发酵工业上取得丰硕成果的
向导，也是我国生物工程、发酵
工程界后生超越前辈、领先世界
的“内功”。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 29
4 代谢工程的含义
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或递进的含义。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 30
几十年来我们一直是用物理
或化学诱变来改变微生物的遗传
特性。 通过传统的诱变和筛选，
成功开发了大量的生产抗生素和
氨基酸的菌种。在已知代谢途径
的基础上，采用了一些精心设计
的筛选方法，但是整体上这个方
法还仅仅是一种, 试差法, 。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 31
DNA 重组技术的出现使人类
的许多美好理想有可能成为现实。
用目标明确的遗传修饰替代传统的
暗箱操作去改变代谢途径，已取得
可喜的成绩。发酵工程和微生物代
谢流的分析提供的信息，又可以校
正遗传修饰的精度，从而更进一步
逼近预定目标。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 32
代谢工程最初被定义为：
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 33
这样定义的代谢工程的基本特征是
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。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 34
也有人这样给代谢工程下定义：
通过使用 DNA 重组和分子生物学技
术，对代谢途径进行修饰和（或）引
进缺失，从而改变细胞的新陈代谢作
用和（或）细胞特性的生物工程的分
支。这样的定义尽管强调了代谢工程
目标的确切性，但 仍不能包容代谢工
程的工程分析方面的内容，仍不能做
到,分析”和“综合”的有机结合。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 35
应该根据代谢工程的
生物学和工程学实质来规
范代谢工程的内涵，给代
谢工程下定义。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 36
代谢工程的定义：
把量化代谢流及其控制的工程分
析方法与根据分析结果制定的遗传修
饰方案付之实施的分子生物学技术结
合起来，以反复分析、校验和修正的
方式进行实际操作，改善微生物的产
物形成的能力和微生物的细胞性能，
从而满足人类对生物的特定需求的生
物工程的分支。
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 37
① 提高目的产物的产量及其对主
要原料的转化率, ② 扩大细胞可
利用基质 （ 原料 ） 的范围, ③ 扩
大细胞生物合成的范围, ④ 改善
工业生产中细胞的形态和生理性
能, ⑤ 调整细胞合成, 分泌不同
代谢产物的产量分布,
5 代谢工程的应用
2010-5-14 张星元：发酵原理（讲座） 38
⑥ 研究和完善微生物代谢及代
谢调节的知识, ⑦ 生物制药方
面的应用, ⑧ 环境净化方面的
应用, ⑨ 酶制剂, 微生物多肽
制品的进一步开发, ⑩ 用微生
物生产动植物异源蛋白 。
