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| 內容簡介： |
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《代谢工程：方法与应用》属于生物工程理论与应用前沿丛书。该书主要内容包括代谢工程的方法策略，代谢工程改造谷氨酸棒杆菌生产氨基酸、大肠杆菌生产典型平台化合物、枯草芽孢杆菌生产营养强化剂、光滑拟球酵母生产食品添加剂、酿酒酵母生产精细化学品以及代谢工程手段改善发酵微生物胁迫抗性等；可以作为食品、生物、发酵等相关研究领域的科研工作者和研究生的参考用书，也可作为医药、化妆品等产业的科技人员的参考用书。《代谢工程：方法与应用》的编写是对国内外代谢工程改造方法、工具和应用的全面归纳和总结，对我国微生物代谢工程研究领域的发展起到很大的推动作用，具有重要的学术和应用价值。
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| 關於作者： |
刘立明，男，1976年3月出生，江南大学生物工程学院发酵工程专业毕业，获博士学位。现为江南大学食品科学与技术国家重点实验室教授，博士生导师，中国微生物学会会员，中国生物工程学会会员。
李树波，副教授，博士，任广西大学轻工与食品工程学院食品科学与工程系主任。
张丽，中共党员，博士，副教授，硕导。江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养对象，江苏省高层次创新创业人才引进计划科技副总，国家级学科竞赛指导工作“优秀指导教师”，荣获校“教学标兵”、“最受学生欢迎的教师”、“先进工作者”等。
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| 目錄：
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目录
第一章 绪 论
第一节 发酵工程技术的现状与展望
一、 发酵工程技术简介
二、 发酵工程的发展现状
三、 生物发酵技术主要产品
四、 发酵工程技术的展望
第二节 发酵微生物及菌种优化现状
一、 发酵工业微生物
二、 发酵微生物的分离筛选
三、 工业发酵微生物菌种选育
四、 工业微生物育种的研究进展
五、 发酵工业菌种保藏
第三节 代谢工程在发酵工程中的应用
一、 代谢工程简介
二、 代谢工程研究内容
三、 代谢工程的主要研究方法
四、 代谢工程策略的研究现状
五、 代谢工程在发酵工程中的应用展望
参考文献
第二章 代谢工程的方法策略
第一节 微生物代谢特征
一、 微生物的分解代谢
二、 微生物的呼吸作用
三、 自养微生物的氧化
四、 能量的转换
五、 微生物的合成代谢
六、 微生物的代谢调节
七、 微生物的初级代谢及其产物
八、 微生物的次级代谢及其产物
第二节 生物网络模型的构建及发展
一、 生物网络模型的构建流程
二、 第一代生物网络模型的发展
三、 第二代生物网络模型的发展
第三节 代谢通量优化方法与策略
一、 路径设计
二、 路径构建
三、 路径评估
四、 途径优化
五、 总结与展望
参考文献
第三章 代谢工程改造谷氨酸棒杆菌生产氨基酸
第一节 谷氨酸棒杆菌基因组规模代谢网络及其生理特性
一、 谷氨酸棒杆菌
二、 谷氨酸棒杆菌基因组特性及其基因组规模代谢网络的构建
三、 谷氨酸棒杆菌的表达调控系统
四、 谷氨酸棒杆菌的研究中存在的科学问题
第二节 代谢工程改造谷氨酸棒杆菌生产 L-赖氨酸
一、 赖氨酸概述
二、 L-赖氨酸的生产
三、 微生物发酵法生产 L-赖氨酸的研究现状
四、 1，6-二磷酸果糖酶和果糖激酶对 L-赖氨酸合成的影响
五、 代谢调控 L-赖氨酸前体物和 NADPH 供应对 L-赖氨酸合成的影响
六、 代谢改造 L-赖氨酸终端生物合成途径对 L-赖氨酸合成的影响
第三节 代谢工程改造谷氨酸棒杆菌生产 L-甲硫氨酸
一、 L-甲硫氨酸概述
二、 L-甲硫氨酸的生产概况
三、 L-甲硫氨酸的生物合成代谢
四、 代谢工程改造 L-甲硫氨酸转运系统对 L-甲硫氨酸合成的影响
五、 强化合成途径对细胞合成 L-甲硫氨酸的影响
六、 增加胞内 NADPH 供应对细胞合成 L-甲硫氨酸的影响
第四节 代谢工程改造谷氨酸棒杆菌高产 L-异亮氨酸
一、 L-异亮氨酸概述
二、 L-异亮氨酸的生产方法及研究现状
三、 过量表达具有抗反馈抑制能力 TD 和 AHAS 对细胞合成
L-异亮氨酸的影响
四、 过量表达全局调控因子Lrp和双组分分泌系统BrnFE对细胞合成L-异亮氨酸的影响
五、 强化代谢途径和 NADPH 供应对细胞合成 L-异亮氨酸的影响
第五节 代谢工程改造谷氨酸棒杆菌生产 L-缬氨酸
一、 L-缬氨酸概述
二、 谷氨酸棒杆菌生物合成 L-缬氨酸
、 全局调控因子 Lrp 对谷氨酸棒杆菌合成 L-缬氨酸的影响
四、 代谢途径改造对细胞合成 L-缬氨酸的影响
五、 C. glutamicum ATCC13869 高产 L-缬氨酸系统的构建
参考文献
第四章 代谢工程改造大肠杆菌生产典型平台化合物
第一节 大肠杆菌基因组规模代谢网络模型及其生理特性解析
一、 大肠杆菌基因组规模代谢网络模型
二、 大肠杆菌基因组规模代谢网络模型生理特性解析
三、 基因组规模代谢网络模型展望
第二节 代谢工程改造大肠杆菌生产 D-乳酸
一、 D-乳酸概述
二、 D-乳酸的应用领域
三、 D-乳酸的生产方法
四、 D-乳酸发酵菌株
五、 代谢工程改造大肠杆菌生产 D-乳酸
六、 代谢工程改造大肠杆菌生产 D-乳酸展望
第三节 代谢工程改造大肠杆菌生产硫酸软骨素
一、 硫酸软骨素概述
二、 硫酸软骨素的生产方法
三、 大肠杆菌生产硫酸软骨素
四、 利用大肠杆菌生产硫酸软骨素的展望
第四节 代谢工程改造大肠杆菌生产 L-苹果酸
一、 L-苹果酸概述
二、 L-苹果酸的应用领域
三、 L-苹果酸的生产方法
四、 代谢工程改造大肠杆菌生产 L-苹果酸
五、 代谢工程改造大肠杆菌生产 L-苹果酸展望
第五节 代谢工程改造大肠杆菌生产 5-氨基乙酰丙酸
一、 5-氨基乙酰丙酸概述
二、 5-氨基乙酰丙酸的应用领域
三、 5-氨基乙酰丙酸的生产方法
四、 代谢工程改造大肠杆菌生产 5-氨基乙酰丙酸
五、 代谢工程改造大肠杆菌生产 5-氨基乙酰丙酸展望
第六节 代谢工程改造大肠杆菌生产异戊二烯
一、 异戊二烯概述
二、 异戊二烯的工业应用领域
三、 异戊二烯的生产工艺
四、 代谢工程改造大肠杆菌生产异戊二烯
五、 代谢工程改造大肠杆菌生产异戊二烯展望
参考文献
第五章 代谢工程改造枯草芽孢杆菌生产营养强化剂
第一节 枯草芽孢杆菌基因组规模代谢网络模型及其生理特性解析
一、 枯草芽孢杆菌基因组尺度代谢网络的重构
二、 枯草芽孢杆菌代谢工程操作系统
三、 枯草芽孢杆菌基因组的简化
第二节 代谢工程改造枯草芽孢杆菌合成核黄素
一、 核黄素概述
二、 核黄素生物合成途径及其调控机制的解析
三、 高产核黄素枯草芽孢杆菌的构建策略
四、 代谢工程改造戊糖磷酸途径对细胞合成核黄素的影响
五、 代谢工程改造核黄素代谢途径对合成核黄素的影响
第三节 代谢工程改造枯草芽孢杆菌合成 N-乙酰氨基葡萄糖
一、 N-乙酰氨基葡萄糖概述
二、 枯草芽孢杆菌中 N-乙酰氨基葡萄糖合成途径的设计与构建
三、 空间组织工程优化 N-乙酰氨基葡萄糖合成途径
四、 基于模块途径工程优化 N-乙酰氨基葡萄糖合成代谢网络
五、 基于靶向代谢组学解析 N-乙酰氨基葡萄糖合成对细胞代谢的影响
六、 基于 N-乙酰氨基葡萄糖合成途径动力学特征鉴定限速步骤
第四节 代谢工程改造枯草芽孢杆菌生产莽草酸
一、 莽草酸概述
二、 莽草酸生产方法的研究进展
三、 代谢工程改造枯草芽孢杆菌莽草酸代谢途径
四、 基于13C 同位素示踪和 GC-MS 揭示枯草芽孢杆菌胞内莽草酸代谢流分布
五、 基于代谢工程优化枯草芽孢杆菌中莽草酸代谢途径
第五节 代谢工程改造枯草芽孢杆菌生产尿苷
一、 尿苷概述
二、 微生物中嘧啶核苷的合成途径及其调节机制
三、 尿苷生产菌株的育种策略
四、 不同代谢工程改造策略对B. subtilis 合成尿苷的影响
参考文献
第六章 代谢工程改造光滑球拟酵母生产食品添加剂
第一节 光滑球拟酵母基因组规模代谢网络模型及其生理特性解析
一、 光滑球拟酵母生理特性
二、 光滑球拟酵母 CCTCC M202019 全基因组测序与特征分析
三、 光滑球拟酵母基因组规模代谢网络模型 iNX804 的构建与应用
四、 光滑球拟酵母基因组规模转录调控网络模型的构建与分析
第二节 代谢工程改造光滑球拟酵母生产丙酮酸
一、 丙酮酸概述
二、 ATP 合成酶亚基缺失对光滑球拟酵母合成丙酮酸的影响
三、 异源 NAD / H 再生系统对丙酮酸发酵的影响
四、 异源 NAD / H 再生系统对丙酮酸合成途径的影响
五、 异源 NAD / H 再生系统对丙酮酸分解途径的影响
第三节 代谢工程改造光滑球拟酵母生产富马酸
一、 富马酸概述
二、 重构胞质 TCA 还原路径生产富马酸前体苹果酸
三、 定向改造富马酸酶生产富马酸
四、 重构线粒体 TCA 氧化路径生产富马酸
五、 重构尿素循环和嘌呤核苷酸循环对富马酸合成的影响
六、 模块路径工程优化多基因合成路径生产富马酸
第四节 代谢工程改造光滑球拟酵母生产 3-羟基丁酮
一、 3-羟基丁酮概述
二、 构建胞质丙酮酸脱羧途径对 3-羟基丁酮合成的影响
三、 构建线粒体丙酮酸脱羧途径对 3-羟基丁酮合成的影响
四、 代谢工程改造丙酮酸裂解途径对 3-羟基丁酮合成的影响
第五节 代谢工程改造光滑球拟酵母生产 α-酮戊二酸
一、 α-酮戊二酸概述
二、 抑制 α-KGDH 活性对细胞合成 α-酮戊二酸的影响
三、 调控 α-KGDH 活性对细胞合成 α-酮戊二酸的影响
四、 过量表达 ACS2 提高对 α-酮戊二酸合成的影响
五、 过量表达 PDC1 对 α-酮戊二酸合成的影响
参考文献
第七章 代谢工程改造酿酒酵母生产精细化学品
第一节 酿酒酵母基因组及其生理特性解析
一、 酿酒酵母简介
二、 酿酒酵母基因组研究进展
三、 酿酒酵母表达系统
四、 后基因组时代的酿酒酵母研究策略
第二节 代谢工程改造酿酒酵母生产乙醇
一、 生物燃料
二、 酿酒酵母中原核基因表达体系的构建
三、 还原型戊糖代谢途径的构建
四、 二氧化碳对生物乙醇发酵的影响
第三节 代谢工程改造酿酒酵母生产 L-鸟氨酸
一、 鸟氨酸概述
二、 L-鸟氨酸合成途径的模块化与 L-精氨酸的反馈调节
三、 去代谢区室化及强化中心氮代谢对鸟氨酸合成的影响
四、 调控葡萄糖效应对鸟氨酸合成能力的影响
第四节 代谢工程改造酿酒酵母生产番茄红素
一、 番茄红素概述
二、 微生物发酵法合成番茄红素的研究现状
三、 敲除基因 ypl062w 强化前体物质供给
四、 敲除 ypl062w 对萜类产物合成转录水平的影响研究
五、 番茄红素合成路径与酿酒酵母底盘细胞的适配性研究
第五节 代谢工程改造酿酒酵母生产多不饱和脂肪酸
一、 多不饱和脂肪酸概述
二、 脂肪酸脱氢酶的研究进展
三、 脂肪酸延长酶的研究进展
四、 代谢工程改造微生物生产 PUFAs 的研究进展
五、 多不饱和脂肪酸合成途径中关键酶的克隆及其功能鉴定
六、 酿酒酵母中 Δ8 合成途径的构建
参考文献
第八章 代谢工程手段改善发酵微生物胁迫抗性
第一节 代谢工程策略改善工业微生物胁迫抗性
一、 前言
二、 工业微生物面临的胁迫压力及其应答机制
三、 提高微生物抵御环境胁迫的耐受性策略
第二节 代谢工程改造光滑球拟酵母抵御环境胁迫
一、 前言
二、 代谢工程改造光滑球拟酵母抵御渗透压胁迫
三、 代谢工程改造光滑球拟酵母抵御高盐胁迫
四、 代谢工程策略改善光滑球拟酵母抵御酸胁迫的能力及其机制解析
第三节 代谢工程改造乳酸菌抵御环境胁迫
一、 前言
二、 代谢工程策略改善乳酸乳球菌抵御环境胁迫的能力
三、 缺失 CcpA 基因对保加利亚乳杆菌抵御环境胁迫的影响
四、 过量表达过氧化氢酶对嗜热链球菌抵御环境胁迫的影响
第四节 代谢工程改造酿酒酵母抵御环境胁迫
一、 前言
二、 酿酒酵母抵御各种环境胁迫的生理机制解析
三、 海藻糖代谢途径与酿酒酵母抗逆性的生理机制解析
四、 基于胞内蛋白质平衡改善酿酒酵母耐热性
五、 过量表达关键酶基因对酿酒酵母胁迫耐性的影响
第五节 代谢工程改造大肠杆菌抵御环境胁迫
一、 前言
二、 大肠杆菌应对环境胁迫的响应机制
三、 转录调节蛋白 IrrE 对大肠杆菌抵御盐胁迫的生理机制解析
四、 微生物耐热元件的挖掘及其对细胞鲁棒性的影响
参考文献
缩略语
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前言
经过 30 多年的发展， 代谢工程已经成为对细胞代谢途径进行修饰、 改造， 改变细胞特性， 并与细胞基因调控、 代谢调控及生化工程相结合， 为实现构建新的代谢途径生产特定目标代谢产物而发展起来的一个新的学科领域。 因此， 迫切需要总结国内外代谢工程领域的研究进展和应用情况， 为我国微生物代谢工程学科发展提供借鉴。本书围绕微生物代谢工程改造、 优化微生物生长性能和合成能力所面临的三大挑战:
①如何鉴定相关生物合成途径? ②如何发展高效的遗传工具以调控酶、 生物合成途径和整个基因组? ③如何应用有针对性的全局系统的生物学工具， 以最大限度地提高对所改造微生物的系统理解? 结合笔者团队十余年的一系列研究成果， 围绕代谢工程工具、 方法和应用研究进行系统的介绍与讨论， 并在国内外研究进展的基础上， 以工业菌株为分章依据，全面介绍相关工业生产菌株的生产目标产品过程的代谢工程改造的最新进展， 从而便于读者系统理解并掌握代谢工程改造中所使用的思路和方法。 本书共分八章， 包括绪论、 代谢工程的方法策略、 代谢工程改造谷氨酸棒杆菌生产氨基酸、 代谢工程改造大肠杆菌生产典型平台化合物、 代谢工程改造枯草芽孢杆菌生产营养强化剂、 代谢工程改造光滑球拟酵母生产食品添加剂、 代谢工程改造酿酒酵母生产精细化学品以及代谢工程手段改善发酵微生物胁迫抗性。 本书的编写是对国内外代谢工程改造方法、 工具和应用的全面归纳和总结，对我国微生物代谢工程研究领域的发展起到很大的推动作用， 具有重要的学术和应用价值。
笔者编写此书， 主要得益于笔者所工作的江南大学生物工程学院拥有发酵工程国家重点学科， 本学科可追溯至 1952 年， 并在发展过程中积累了工业微生物菌种代谢工程改造与工程应用的丰富经验。 同时受助于笔者所在研究室许多年轻的博士研究生和硕士研究生， 他们和笔者一起完成了与本书相关的 8 项国家级和省部级科研项目， 包括 “863” 计划、 国家科技支撑计划、 国家重点研发计划、 国家自然科学基金项目和江苏省社会发展项目。 此外， 本书在编写过程中也参考了近年来在国内外学术期刊、 行业期刊、 相关专著以及互联网新媒体上发表的相关研究论文、 综述文章和市场分析等， 在此一并致谢。
参与本书编写的有: 刘立明、 李树波、 张丽、 胡贵鹏、 叶超、 郭亮、 齐艳利、 吴静、林小宝、 殷楠楠、 朱国星、 刘泉、 陈城虎。 笔者特别感谢中国工程院院士、 江南大学生物
工程学院陈坚教授的栽培和指导， 感谢所在研究室的博士生和硕士生给予的帮助。本书不仅可以作为微生物学行业的基础书籍， 也可供相关专业的研究生、 科研人员及生命科学专业的师生参考。笔者力图在本书中注重理论性和实践性， 突出系统性和科学性， 体现前沿性和创新性。 但限于笔者的学术功底、 研究经验和写作能力， 书中定有不少错误， 若蒙赐教， 不胜感激!
编者
2024 年 12 月
第一节 发酵工程技术的现状与展望
一、 发酵工程技术简介
随着自然科学的发展， 生物工程技术的发展也日新月异。 生物工程包含发酵工程、 细胞工程、 酶工程和基因工程， 四大领域相互联系、 相互促进， 其中发酵工程占据重要地位。 发酵工程也称微生物工程， 该技术体系主要包括菌种选育和保藏、 菌种的扩大生产、微生物代谢产物的发酵生产和分离纯化制备， 同时也包括微生物代谢产物的工业化利用等。
现代微生物发酵工程主要包括以下内容: ①利用高通量筛选技术、 基因编辑组装与表达调控技术、 系统改造与精准调控技术对微生物进行筛选和改造， 以培育符合工业生产需求的新菌种; ②微生物菌体的生产， 通过设计和优化菌种培养条件， 利用先进的生产工艺实现微生物的高效纯培养; ③从低价值产品中分离出有用物质， 利用微生物将低成本原料转化为高附加值产品; ④微生物初级和次级代谢产物的发酵生产， 如生产氨基酸、 有机酸、 抗生素等生理活性物质; ⑤发酵产物的分离、 纯化、 精制及后续加工处理; ⑥新型发酵装置的研发， 如微型生物反应器、 生物传感器和计算机控制的自动化连续发酵技术等;⑦新型发酵流程的技术研究， 通过多参数检测分析与组学分析实现发酵过程的动态优化与自动控制、 发酵产品的联产等。
发酵工业的前沿进展聚焦在以分子生物学为核心的现代生物技术的应用上， 不仅促进了基因工程菌的构建， 还极大地提升了传统微生物发酵的效率， 甚至催生了全新的发酵工业领域。 基因工程技术能够跨越物种界限， 精确地操纵生物基因组， 实现生物性状与功能的定向改造， 从而创造出具备高效生产特定化合物能力的新型微生物 “物种”。 由此形成的发酵产业， 不仅拓宽了工业微生物所能产生的化合物范围， 使其超越了自然界原有微生物的界限， 还极大地丰富了发酵工业的内容， 推动了该领域的革新性变化。 基因编辑工具如 CRISPR-Cas 系统， 使得对微生物基因组的精确改造变得更加高效和便捷， 为发酵工业的定制化生产提供了强有力的技术支持。 随着合成生物学、 代谢工程等前沿领域的不断发展， 发酵工程技术正逐步迈向更加智能化、 高效化和可持续化的未来。 这些技术不仅有助于提升发酵产品的产量和质量， 还能降低生产成本， 减少对环境的负面影响， 为发酵工业的可持续发展开辟广阔的前景。
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