代谢工程在食品生物技术中的重要应用

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：然而，微生物发酵生产涉及微生物整个代谢网络中多个酶反应的协同作用。因此，代谢工程综合了基因工程、生物化学、生化工程等的最新成果，使生物学科与多门交叉学科息息相关，并被大量用于微生物发酵工业。

微生物是地球上最古老、分布最广的物种之一，其种属多样性和遗传多样性决定了其代谢多样性。与植物和动物的代谢途径相比，微生物的代谢途径虽然相对简单，但可能是最强大、最高效、与人类日常生产生活关系最密切的生物化学途径。除了参与传统的酿酒、制醋、酸乳和发酵食品生产过程，微生物或其一部分（酶）可以生产包括燃料、医药、纤维、塑料在内的几乎所有重要的工业原材料。不仅如此，微生物还能够降解毒害性化合物，修复被石油或辐射污染的场地，恢复生态。如果说工业生物技术是21世纪社会可持续发展的重要技术保障，微生物就是其灵魂所在。

早期的微生物发酵产品开发主要是筛选天然的高产菌株；而提高微生物发酵能力的研发主要集中在通过化学诱变和高效筛选技术来获得发酵能力提高的突变菌株。这些传统的菌种选育技术有着极大的局限性：微生物发酵产物种类非常有限，主要集中在乙醇、丙酮、丁醇、甘油、有机酸、氨基酸和抗生素等代谢物；另外，由于大部分微生物的发酵产物都是多种化合物的混合物，因此目标产物的产率通常比较低而下游的分离成本则非常高，这使得微生物发酵的生产成本一直居高不下。基因工程（重组DNA技术）的问世极大地推动了微生物发酵产业的发展，它使得微生物代谢途径中特定酶反应的遗传改造成为可能。然而，微生物发酵生产涉及微生物整个代谢网络中多个酶反应的协同作用。单一（或多个）酶反应的遗传改造很多时候在提高微生物发酵性能时起到的作用非常有限。

代谢工程（metabolic engineering）又称途径工程，由著名生化工程专家Bailey于1991年首先提出，他将其定义为“采用重组DNA技术，操纵细胞的酶、运输及调节功能，达到提高或改善细胞活性的目的”。同年，Stephanopoulos也在Science上论述了有关“过量生产代谢产物时的代谢工程”“代谢网络刚性、代谢流的分配、关键分叉点及速率限制步骤”等内容。随着代谢工程研究的深入，现在将其定义为利用基因工程技术，有目的地对细胞代谢途径进行精确的修饰、改造或扩展，构建新的代谢途径，以改变微生物原有代谢特性，并与微生物基因调控、代谢调控及生化工程相结合，提高目的代谢产物活性或产量或合成新的代谢产物的工程技术学科。代谢工程注重以酶学、化学计量学、分子反应动力学及现代数学的理论及技术为研究手段，在细胞水平阐明代谢途径与代谢网络之间局部与整体的关系、胞内代谢过程与胞外物质运输之间的偶联以及代谢流流向与控制的机制，并在此基础上通过工程和工艺操作达到优化细胞性能的目的。因此，代谢工程综合了基因工程、生物化学、生化工程等的最新成果，使生物学科与多门交叉学科息息相关，并被大量用于微生物发酵工业。以下将着重介绍代谢工程20多年的发展以及其如何用于提高微生物细胞发酵性能，从而推动发酵工业的进展（见图4-6）。(www.chuimin.cn)

图4-6　代谢工程发展概括图

代谢工程在食品生物技术中的重要应用

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