代謝工程

為了滿足人類對生物的特定需求而對微生物進行代謝途徑操作，已有將近半個世紀的歷史了。在氨基酸、抗生素、溶劑和維生素的發酵法生產中，都可以找到一些典型實例。操作的主要方法是，用化學誘變劑處理微生物，並用創造性的篩選技術來檢出已獲得優良性狀的突變菌株。儘管這種方法已被廣泛地接受並已取得好的效果，但對突變株的遺傳和代謝性狀的鑒定是很不夠的，更何況誘變是隨機的，科學不足技巧補！

DNA重組的分子生物學技術的開發把代謝操作引進了一個新的層面。遺傳工程使我們有可能對代謝途徑的指定酶反應進行精確的修飾，因此，有可能構建精心設計的遺傳背景。DNA重組技術剛進入可行階段不久，就出現了不少可用來說明這種技術在定向的途徑修飾方面的潛在應用的術語。如分子育種（1981年），體外進化（1988年），微生物工程或代謝途徑工程（1988~1991年），細胞工程（1991年）和代謝工程（1991年）。儘管不同的作者提出不完全相同的定義，這些定義均傳達了與代謝工程的總目標和手段相似的含義。

我們曾經把代謝工程定義為，代謝工程就是用DNA重組技術修飾特定的生化反應或引進新的生化反應，直接改善產物的形成和細胞的性能的學科。這樣定義代謝工程強調了代謝工程工作目標的確切性。也就是說，先要找到要進行修飾或要引進的目標生化反應，一旦找准了目標，就用已建立的分子生物學技術去擴增、去抑制或刪除、去傳遞相應的基因或酶，或者解除對相應的基因或酶調節，而廣義的DNA重組只是常規地應用於不同步驟中，以便於達到這些目標。

儘管在所有的菌種改良方案中都有某種定向的含義，但與隨機誘變育種相比較，在代謝工程中工作計劃的定向性更加集中更加有針對性。這定向性在酶的目標的選擇，實驗的設計，數據的分析上起著支配的作用。不能把細胞改良中的所謂“定向”解釋為合理的途徑設計和修飾，因為“定向選擇”與隨機誘變之間沒有直接關係。相反地我們可藉助於“逆行的代謝工程”（reverse metabolic engineering）, 從隨機誘變而獲得的突變株及其性狀的實驗結果，來提取途徑及其控制的判斷信息（critical information）。

與所有傳統的工程領域一樣，代謝工程也包含“分析”和“綜合”兩個基本步驟。因為代謝工程藉助於DNA重組技術作為一種啟用技術而出現，所以一開始人們的注意力僅僅放在這個領域的綜合方面，譬如：新的基因在不同寄主中的表達，內酶的擴增，基因的刪除，酶活力修飾，轉錄的解調或酶的解調等。這樣前面定義的代謝工程，在相當程度上似乎是應用分子生物學技術表現形式，幾乎沒有工程的內容，因此從生物過程的角度來衡量，並不是夠格的代謝工程。而更加重要的工程內容存在於代謝工程的分析方面。譬如，怎樣確定定義生理狀態的參數？怎樣用這信息解釋代謝網路控制的結構體系，進而提出達到某個目標的合乎道理的修飾位點？怎樣進一步評估這些遺傳修飾和酶的修飾的真實的生化效果，以便進行下一輪的途徑修飾，直到達到目的？能不能提出一個可用來確定代謝修飾的最有希望的靶位的合理的步驟？在綜合方面，代謝工程的另一個不同尋常的方面是它關注的是代謝途徑集成的整體，而不是單個反應。這樣，代謝工程研究的是整個生化反應網路，涉及到其自身的途徑合成和熱動力學可行性，還有途徑流量及其控制。我們研究的出發點正在經歷從單個酶反應向相互影響的生化反應體系轉變。因此，通過對整個反應體系而不是一個個孤立的反應的考察就有可能獲得關於代謝和細胞功能的更全面的認識，在這個的意義上“代謝網路”的觀念是最為重要的。代謝工程讓人們把注意力轉向整個體系而不是其組成部分。因此，代謝工程使用來自還原論者的大量的研究的技術和信息來設法進行綜合和設計；而關於整個體系的運轉狀態的觀察，對於進一步的合理的分解和分析其自身來說，又是最好的指導。

儘管代謝和細胞生理學可以為某組反應途徑的分析提供主要的背景知識，應該指出流量及其控制的測定結果具有更廣闊的應用範圍。因而，代謝工程的概念除了可用來分析流經某組代謝途徑的物質流和能量流，同樣可以應用於在信號感測途徑的信息流量的分析。對於信息流量尚未很好地定義，一旦信號途徑的概念得到具體化，以上觀念和方法將會在信號感測途徑的相互作用的研究，以及胞外刺激控制基因表達的複雜機制的解釋方面發揮作用。

也許代謝工程最重要的貢獻在於對活體條件下代謝流及其控制的強調。代謝流的概念本身實際上並不是新的。代謝流及其控制引起生化研究人員中的少數先知的注意，已有大約30年歷史了。作為他們工作的結果，代謝控制的觀念成熟了，並且被嚴格的定義了，儘管這些觀念曾經沒有得到傳統的生物學家廣泛地接受。代謝工程最初被設想為特定的途徑操作，很快又變成工程師們的分析技能的預期的輸出端。發酵工程師們建立了量化代謝流及其控制的工程分析方法，從而看到了利用代謝控制分析這個有效的平台向這個過程導入嚴密性的機會，以及生化工程與發酵工程在生物學領域的交叉和互補。

代謝工程注重以酶學、化學計量學、分子反應動力學以及現代數學的理論和技術為研究手段，在細胞水平上闡明代謝途徑與代謝網路之間局部與整體的關係、胞內代謝過程與胞外物質傳輸之間的偶聯以及代謝流流向與控制的機制，並在此基礎上通過工程和工藝操作達到優化細胞性能的目的；而途徑工程則側重於利用分子生物學和遺傳學原理分析代謝途徑各所屬反應在基因水平上的表達與調控性質，並藉助於DNA重組技術擴增、刪除、植入、轉移、調控編碼途徑反應的相關基因，進而篩選出具有優良遺傳特性的工程菌或細胞。

代謝工程是利用基因工程技術改造細胞的代謝，以改善細胞的性能的一門新興學科。2003年美國貝克萊大學J.Keasling，採用酵母細胞表達天然植物葯箐篙素分子，實現工程微生物代謝工程製藥。採用系統生物學原理和轉基因生物技術、計算機軟體輔助設計技術，將細胞內次生代謝反應鏈重新設計、人工合成基因與基因調控網路，從而進入了代謝工程、基因工程的合成生物學 - 系統生物學基礎的遺傳工程時代。

最近的發展表明，它在植物、動物代謝工程及至人體組織細胞的基因治療及代謝分析方面有重要應用。該領域的新穎性在於分子生物技術與數學分析工具的集成，這有助於闡明基因修飾的代謝通量控制及靶標的合理選擇。通過提供對細胞生物學的準確嚴密的描述，代謝工程也可大大促進功能基因組學研究的深入發展。

代謝工程的主要目標是識別特定的遺傳操作和環境條件的控制，以增強生物技術過程的產率及生產能力，或對細胞性質進行總體改性。本書最主要的內容包括途徑集成和把代謝通量作為細胞生理學的基本決定因素來考慮的重要性。代謝工程把數學的複雜性減到最小，並同時提供一些必要的補充說明作為不同數學運算的背景材料。