微生物代謝控制和分析方法
微生物代謝工程是綜合利用現(xiàn)代生物技術(shù)手段改變模式菌株代謝途徑，以實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)的整個(gè)過程。一般自然條件下，細(xì)胞生產(chǎn)目的物質(zhì) (細(xì)胞或代謝產(chǎn)物)的能力是有限的。為了獲得更多所需的目標(biāo)產(chǎn)物，通常采用各種手段改變分支代謝途徑中的碳流通量或者改變碳架物質(zhì)流的分布，將更多碳流導(dǎo)入目標(biāo)產(chǎn)物的合成途徑以獲得最大的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率。這就是代謝工程所要解決的基本問題。
微生物代謝調(diào)控可以從三個(gè)方面理解：1）信息途徑：外源基因的的引入或切除，影響 DNA、RNA 的復(fù)制或轉(zhuǎn)錄，激活或者抑制酶的活性；2）物質(zhì)途徑：包括利用新底物、添加前體，中間產(chǎn)物等。如丙酸被廣泛用作若干大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的前體；3）能量途徑：包括改變溫度、增加或減少能量物質(zhì)的濃度。比如提高細(xì)胞內(nèi)的 ATP 水平，有利于脂肪酸的合成。后兩者雖然也涉及到基因工程對(duì)菌株的改造，但主要依靠使用不同的方法來控制發(fā)酵過程得以實(shí)現(xiàn)。
一些代謝調(diào)控手段早在代謝工程概念提出之前就已經(jīng)廣泛運(yùn)用于畜牧生產(chǎn)實(shí)踐中?，F(xiàn)如今，其在實(shí)踐操作和理論研究方面都有較大突破。在理論分析方面，如轉(zhuǎn)錄水平、能量水平、酶水平、代謝通量水平等都有著大量的研究。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，優(yōu)化培養(yǎng)基的組成、添加促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物合成或分泌的增效劑、增加培養(yǎng)基滲透壓、改變好養(yǎng)菌的耗氧特性和改變發(fā)酵工藝等可有效改善發(fā)酵性能。同時(shí)衡量其發(fā)酵工藝優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)往往就是目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)量。
傳統(tǒng)代謝通量分析方法大多建立在一個(gè)假設(shè)上—細(xì)胞始終處于物質(zhì)和能量穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)物質(zhì)守恒和能量平衡原理，并結(jié)合測(cè)定胞外代謝產(chǎn)物參數(shù)（濃度等）可以計(jì)算胞內(nèi)代謝流。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以精確的對(duì)代謝流向進(jìn)行計(jì)算，缺點(diǎn)則是只能揭示代謝物質(zhì)的靜態(tài)分布。而對(duì)于具有高敏感性的生化反應(yīng)系統(tǒng)而言，運(yùn)用代謝控制分析(Metabolic Control Analysis，MCA) 的方法則更為可靠，這種研究方法認(rèn)為代謝過程的不同控制手段可以改變酶促反應(yīng)，從而影響整體的代謝過程?？梢栽诶斫獯x結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算，對(duì)整個(gè)代謝模型求解。
