全 文 ：后基因组时代的代谢工程：机遇与挑战
赵学明，王靖宇，陈 涛，陈 洵，班 睿，马红武!
（天津大学 化工学院生物工程系，天津 !"""#$） 摘 要：代谢工程的研究目的是要改进细胞性质，增加工业生物产品的收率及生产能力。现在越来越多的生物基 因测序的完成及功能基因组学研究的进展正把代谢工程研究引入一个新时代。代谢工程正面临一个极好的机遇， 同时也遇到一些严重的挑战。这是由于细胞内存在着复杂的，非线性的，在酶、调控子及代谢物之间未知的相互作 用，从而使代谢途径的优化极为困难。为了促进后基因组时代代谢工程的研究，综述了过去 %!年基于功能基因组 学的代谢工程原理与方法的国内外研究进展，功能基因组学与代谢工程之间的关系以及后基因组时代代谢工程面 临的机遇与挑战。 关键词：代谢工程；功能基因组学；后基因组时代；进展；机遇；挑战 中图分类号： &#’( 文献标识码： ) 文章编号： %*#$+!*#’（$"",）"$+"""%+"#
!"#$%&’() "*+(*"",(*+ (* #-" .&/# +"*&0() ",$：&..&,#1*(#("/ $*2 )-$’’"*+"/
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第 $卷第$期
$"",年 \月
生 物 加 工 过 程
C?; $"", · % · 万方数据 人体细胞）内代谢途径网络系统分析的基础上进行 定向的有目的地改变，以更好地理解和利用细胞代 谢进行化学转化、能量转导和超分子组装。代谢工 程可在细胞与分子水平上认识和改造细胞过程，其 不仅在解释细胞生理特性上具有重要的科学意义， 而且其潜在的应用跨越了生物技术的全部领域，主 要包括：（!）异源蛋白的生产；（"）扩大底物利用范 围；（#）生产原来不存在的新物质；（$）对环境有害
物质的降解；（%）提高菌体对环境的适应能力；（&）
阻断或降低副产物的生成；（’）代谢产品生产速率
和生产能力的提高；（(）植物代谢工程；（)）动物代
谢工程；（!*）人体和组织代谢工程—人类疾病诊断
和基因治疗。
代谢工程的原理与方法是在对基于功能基因组
信息重建的代谢网络系统分析的基础上采用 +,-
重组技术改造细胞代谢系统。主要包括关键的三个
步骤［$］：一是合成（./0123.4.）———即性能改进的重组
菌的构建；二是分析———即重组菌的代谢途径分析，
特别是其性能与原菌种性能的比较；三是设计———
即为下一步基因工程的目标进行设计。这三步构成
一个循环，实际进行时可根据具体情况从其中任一
步开始，如图 !所示。
图 ! 代谢工程原理与方法
5467! 8319:;<4= 3064033>406：?>40=4?<3. 90@ A312;@;<;643.
! 代谢工程十三年
!))!年著名生化工程专家，美国加州理工学院
化学工程系教授 B94<3/［!］在“C=430=3”上发表了一篇
重要的综述文章“D;E9>@ 9 C=430=3 ;F 8319:;<4= G064H
033>406”，表明了代谢工程新学科的诞生。!))# 年
I9A3>;0 等［"］发表了“I3< 90@ 8319:;<4= G064033>H
406”的长篇综述文章，举出了 !**多个细胞和代谢工
程的实例。!))%年 B94<3/［%］又发表了“I23A4=9< G064H
033>406 ;F I3< K>;=3..3.”的长篇文章，详细讨论了
生物网络工程及代谢工程。!))%年底，美国科学技
术政策办公室下属的生物技术分委员会发布了“"!
世纪的生物技术—新展望”的报告，确定了若干优先
研究领域，代谢工程是其中之一，并成立了由国家科
技专家组成的“代谢工程工作组”（8GLM），专门协
调美国各部委以促进代谢工程研究。!))& 年召开
了“N3=;A:40901 +,- B4;13=20;<;6/：5;=J. ;0 8319:;<4=
G064033>406”，这是第一次国际代谢工程会议（8G O
P），会议论文以“代谢工程专集”发表于“B4;13=20;<;6/
Q B4;3064033>406”R;<7%(（"H#），!))(。此后，国际代
谢工程会议定期两年举行一次：8G O PP，!))(；8G O
PPP，"***；8G O PR，"**"；8G—R，"**$（历次会议报 告题目及安排详见 EEE7 306=;0F401< 7 ;>6）。!))) 年 “8319:;<4= G064033>406”学术刊物由 -=9@3A4= K>3..正 式出版，每年$期（该刊已纳入 G<.3S43> C=430=3 的电
子刊物数据库）。上述代谢工程会议的主要论文均
发表于该刊。!))( 年出版了国际上第一部代谢工
程教科 书：“8319:;<4= G064033>406： K>40=4?<3. 90@
8312;@;<;643.”［#］。!)))年出版了“8319:;<4= G064033>H
406”［&］专著。“-@S90=3. 40 B4;=23A4=9< G064033>406 T
B4;13=20;<;6/”系列丛书还分别在代谢工程学科建立
%周年及 !* 周年时出版了代谢工程专集———第 %$卷［’］（!))&年）、第 ’# 卷［(］（"**! 年）。随着代谢工 程的迅速发展，这两年又出版了多部代谢工程的著 作［) U !"］。图 "是 !))!H"**$年 #月以“A319:;<4= 3064H
033>406”为主题词在 B4;83@,31 上所检索到的论文
数，从中可以看出 !#年来，特别是进入功能基因组
以来发表的代谢工程研究论文迅速增加。有关
!))(年以前的主要研究结果在 C13?290;?;J<;. 等［#］
的书中已有详细介绍，近几年的主要研究进展可参
见“IJ>>301 V?404;0 40 B4;13=20;<;6/”等综述性刊物及
其它一些刊物上的综述文章，例如：药物生产的代谢
· " · 生物加工过程 第 "卷第 "期
万方数据
图 ! "##"年 "月 $!%%&年 ’月 ()*+,-.,/收录的论文 0)12! 345,67 ,89*-),- ): ()*+,-.,/ ;6*8 <4:2"##" /* +462!%%& 工程与定向进化［"’］；可再生资源利用的代谢工 程［"&］；用代谢工程改进染料生产及使用［"=］；乳酸菌 的代谢工程［">，"?］；微生物塑料工厂的过程设计— 3@A的代谢工程［"B］；"，’C丙二醇［"#］、次生代谢物［!%］ 及类黄酮［!"］的代谢工程；通过 ’种生物（植物、酵母 和大肠杆菌）的 >个基因用代谢途径工程使 ! 2 "#$%
成为生产抗疟疾药物（青篙素）的“绿色工厂”［!!］；工
业微生物过程的代谢途径工程—进化、组合生物合
成及合理设计［!’］；利用基因组学进行反向代谢工
程［!&］；代谢通量分析进展［!=］。代谢工程 "’年的理
论与实践表明：代谢工程已经成为化学反应工程的
一个新的前沿［!>］，化学工程师在代谢工程研究中应
该大有作为［!?］。后基因组时代代谢工程的应用范
围及作用正在不断扩大［!B］，其已经成为菌种改进的
平台技术［!#］。
我国的代谢工程研究也已展开，国家基金委及
科技部资助的一些代谢工程研究项目（例如国家基
金面上项目及重点项目）或部分涉及代谢工程内容
的项目（例如国家 #?’项目）正在进行。从初步检索
结果可看出国内学者也发表了一些进展综述及研究
论文［ ’% $B’］及一些编译著作［B&$ B>］。其中杨胜利及
其同事在通过透明颤菌血红蛋白基因调控与功能的
研究改进细胞的性质（特别是对氧的需求）方面做了
大量的系统的研究工作，这对工业生物技术具有重
要意义。另外，我国在结合细胞培养及发酵过程进
行了许多代谢通量分析方面的工作，发表了不少论
文。从基因组数据出发通过代谢网络重建与分析进
而进行代谢工程系统研究已有一些好的开始。所有
这些都为我国进一步进行代谢工程的研究奠定了基
础，但总的说来，无论是政府及企业的投入、还是研
究队伍及研究水平等方面看，我国代谢工程的总体
研究水平及应用均与国际先进水平有较大差距。
! 功能基因组学与代谢工程
从上述代谢工程的定义知，代谢工程为了改进
细胞菌体的性能而定向进行遗传改变。这种活动的
核心是与功能基因组密切相关的———代谢工程工作
者承担着识别基因组变化的任务，这种变化响应于
所希望的细胞菌体生理的变化。通过对不同细胞菌
体进行遗传改变并观察识别所产生的生理响应，代
谢工程工作者取得经验并能找出基因组 D 生理学
（或基因型 D表型）之间的关系，在此基础上进一步
进行代谢工程工作。图 ’是功能基因组学、生物信
息学与代谢工程的研究框架及相互关系。根据功能
基因组（转录物组、蛋白质组及代谢物组）信息，并利
用生物信息学工具，可以进行代谢网络重建、优化及
设计，进而通过代谢工程改进细胞菌体性能。现在，
代谢工程已被公认为细胞菌种改进的综合平台技
术［ !#］。最近国内［B?］及国际上代谢工程领域的几位
著名学者的几篇综述及研究论文［BB $#>］进一步阐明 了后基因组时代代谢工程的方向与任务：根据系统 生物学原理，充分利用不断增加的基因组（序列）数 据及生物信息学工具，有机结合转录组学、蛋白质组 学、特别是代谢物组学进行代谢工程研究，以达改造 和控制细胞性质、提高底物利用及产品收率、促进工 业生物技术发展的目的。 " 后基因组时代的代谢工程：机遇与挑战 从前述代谢工程的应用范围可以看出，代谢工 程不仅在工业发酵过程有重要应用，而且在医药、环 境、植物、动物、人体健康与疾病诊断治疗等领域有 重要应用，因此已经引起世界各国高度重视。例如， 欧盟连续在其“框架计划”中设立代谢工程大项目 ———“细胞工厂”。美国的国家代谢工程工作组 （ EEE28,/49*F)G,:1):,,6):12 1*H）通过组织多次研讨 会，以基金委牵头组织项目，由 B个部委（基金委、能 源部、农业部、国防部、国家卫生研究院、国家标准 局、国家环保局、国家航空宇航局）共同资助进行代 !%%&年 =月 赵学明等：后基因组时代的代谢工程：机遇与挑战 · ’ · 万方数据 谢工程研究，从 !""#到$%%&年分 ’次立项，资助经
费已近 $"%%万美元（()*"# + ,"：-%%万美元；()*"" + #’：&!% 万美元；()*%! + !"：.’% 万美元；()*%$ +
%&.：.-%万美元；()*%& + ’!-：.%%万美元）。研究内
容主要包括：有助于代谢途径研究的仪器、传感器、
新的分析工具，特别是有助于个体细胞检验的工具；
图 & 功能基因组学、生物信息学、代谢工程研究框架及相互关系
*/01& *23456728 39: 25;3/? 7@ @A9B综合了实验研究的定量的和概念的模型以更好地表
征复杂的相互作用的代谢途径的调控与集成；用生
物信息学研究主要代谢途径的结构、功能及调控。
与此相呼应，美国基金委生物工程学部生物化学工
程 D生物技术学科从 $%%! 年开始已经启动了 , 个 “定量系统生物技术”（EA39<3</F5 )G=<54= H/7<5B97;I 70G + E)H）项目（()*%! + &.：&!% 万美元；()*%$ +
%$-：$’% 万美元；()*%& + ’!.：,$% 万美元；()*%, +
’!-：,%%万美元）。E)H是创新性的高风险和 D或高
回报的研究项目，其将产生定量的生物系统模型、定
量的分析工具及改进了的实验技术，以便能利用基
因组、蛋白质组等“组学”数据预测表型（J>597或对设计原理的理解及单细胞重组体或非重组体的
功能进行集成。E)H的目标是将基因组、蛋白质组、
生物信息学、后遗传学（5?/0595展应用于生物过程分析、设计、控制及优化等具有高
度影响的领域。E)H特别需要擅长复杂生物系统分
析的来自不同学科的研究人员共同努力。随着后基
因组时代的到来，最近特别强调“系统生物学”（)G=I
<54= H/7;70G）这一学科的重要作用［#.，"’］。美国国家
卫生研究院面对后基因组时代的极好机遇及巨大的
挑战，于 $%%&年制定了主题为“(56 ?3<>63G= <7 :/=I B7F52G”的 路 线 图（ K>5 (LM N73:43?： ><?：D D<br9/>273:43?1 9/>1 07F），决定从$%%, 财政年度开始投
巨资启动该路线图计划。“)B/59B5”于 $%%&年 !%月 &日在“J7;/BG *72A4”专栏下对该路线图计划进行了 详细评述［"-］。该路线图的第一项任务包括：建立 “国家网络与途径技术中心”（(3793; K5B97;70G O59<52= @72 (5<6728= 39: J3<>63G=）；发展代谢组学技 术（P7<3C7;74/B= K5B>97;70G Q5F5;7?459<）；制定蛋白 质组学、代谢组学的标准及用于蛋白质组学的关键 药 剂 的 评 价（ )<39:32:= @72 J27<574/B= 39: P5<3C7;74/B= D R==5==459< 7@ O2/<574/B=）。在政府大力支持的同时，由于代谢工程潜 在的应用价值，许多公司投巨资与学校及研究机构 （例如 QAJ79< 与 S5959B72，P52B8 与 PLK，O320/;; 与 P3TG059公司下属的 O7:5/T=分公司等）合作进行代 谢工程研究改进菌种性能。由于生物科学技术的飞 · , · 生物加工过程 第$卷第 $期 万方数据 速发展、多学科的交叉、政府的高额资助及企业的积 极参与，使得代谢工程研究在学科基础及应用方面 均取得巨大进展，这集中体现在如下两篇文章： !!"［#$］以“用途径工程进行化学品的商业生产”为
题介绍了代谢途径工程与发酵技术的集成在芳香族
化合物、有机酸（琥珀酸、乳酸、维生素 %）、醇（乙醇、
甘油、&，’(丙二醇）和次生代谢物（类异戊二烯、聚
酮、非核糖体肽）等生产中的成功例子；“)*+,-*,”［#.］
以“如何制造性能优良的细胞”为题介绍了用大肠杆
菌制造靛蓝、合成!(胡萝卜素的金色水稻、用链霉菌
制造优良的聚酮分子、通过导入一个编码红细胞葡
萄糖传递蛋白的人类基因（/0120）把专性硅藻菌转化
为一个异养菌，从而改变了其代谢途径而能在没有
光的情况下代谢葡萄糖。所有这些均是在对细胞代
谢网络及调控机理深入研究基础上的重要发现，具
有划时代的科学意义及工业和医用价值。
代谢工程有着巨大的应用潜力，生命科学的飞
速发展及功能基因组学的成果使我们面临着极好的
机遇。但由于代谢调控系统的极端复杂性，我们也
面临着很大的困难及挑战。代谢工程要与系统生物
学、定量系统生物技术等学科相互促进，我国政府有
关部门及企业要加大投资与支持力度，企业、学校及
研究机构等应紧密结合共同促进我国的代谢工程研
究迅速发展。代谢工程将在生物技术的第三次浪潮
—工业生物技术中发挥关键的作用。
参考文献：
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［.］ L+,0=,- 5A M,23@90+* 6-/+-,,;+-/（"+-/ U !+92,*I-909/4，V90A $’）［M］7 K,;?3-4：)H;+-/,; V,;03/，BJJ&A ［#］ %9;23==3 )，"9- M "，G/0,=+3= " "A "- G-2;9<1*2+9- 29 M,23@90+* 3-< %,00103; 6-/+-,,;+-/［M］A S9;0< )*+,-2+>+* N1@0+=I+-/ %9，G-*，BJJBA ［&J］ V,;H99;2, W，"0>,;?3-- " SA（6<+29;=）M,23@90+* 6-/+-,,;+-/ 9> N03-2 ),*9-<3;4 M,23@90+=?［M］A X01:,; "*3<,?+* N1@0+=I,;=，BJJBA ［&&］89;;,= L V，V9+2 6 YA N32I:34 "-304=+= 3-< YH2+?+Z32+9- +- M,23@90+* 6-/+-,,;+-/［M］A %3?@;+,：%3?@;+</, [-+T,;=+24 N;,==，BJJ’A<br［&B］XI909<,-Q9 ! L，S,=2,;I9>> R VA（6<+29;=）M,23@90+* 6-/+-,,;+-/ +- 2I, N9=2 K,-9?+* 6;3［M］A !+9 )*+,-2+>+* N1@ O2<，BJJE A ［&’］%I3;2;3+- M，)30?9- N M，W9@+-=9- F X，,2 30A M,23@90+* ,-/+-,,;( +-/ 3-< <+;,*2,< ,T9012+9- >9; 2I, H;9<1*2+9- 9> HI3;?3*,12+*30=［5］A %1;;,-2 YH+-+9- +- !+92,*I-909/4，BJJJ，&&：BJ#(B&E A ［&E］";+=2+<91 "，N,-22+03 MA M,23@90+* ,-/+-,,;+-/ 3HH0+*32+9-= 29 ;,-,:( 3@0, ;,=91;*, 12+0+Z32+9-［5］A %1;;,-2 YH+-+9- +- !+92,*I-909/4，BJJJ， &&：&.$(&#.A
［&C］!,;;4 "，F9 ?,23@90+* ,-/+(
-,,;+-/ 29 +?H;9T, @92I 2I, H;9<1*2+9- 3-< 1=, 9> @+92,*I +-<+/9［5］A
591;-30 9> G-<1=2;+30 M+*9@+909/4 3-< !+92,*I-909/4，BJJB，B.：&B$( &’’A ［&D］<, V9= S M，R1/,-I902Z 5A 6-/+-,,;+-/ ?,23@90+* I+/I:34= +- O3*29( *9**+ 3-< 92I,; 03*2+* 3*+< @3*2,;+3［ 5］A 8;,-<= +- !+92,*I-909/4， BJJE，BB：$’($#A ［&$］X0,,;,@,Z,? M，R1/,-I902Z 5A M,23@90+* H32I:34 ,-/+-,,;+-/ +- 03*2+*
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