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1 绪论2

1.1 代谢工程学科的建立2

1.1.1 背景2

1.1.2 代谢工程学科的建立3

1.1.3 代谢工程的定义4

1.1.4 代谢工程的理论框架4

1.2 代谢工程发展的标志4

1.2.1 代谢工程学术会议4

1.2.2 代谢工程教科书及学术专著5

1.2.3 国际代谢工程学会5

1.2.4 代谢工程学术刊物5

1.2.5 代谢工程学术论文5

1.2.6 代谢工程研究方法的进化6

1.3 代谢工程研究进展8

2 细胞代谢反应和调节方式11

2.1 细胞生长11

2.2 细胞代谢反应的基本类型和功能12

2.2.1 运输反应12

2.2.2 供能反应与分解代谢17

2.2.3 生物合成反应与聚合反应26

2.3 酶活性的主要调节方式及酶动力学27

2.3.1 酶活性的主要调节方式27

2.3.2 酶动力学29

2.4 酶表达水平的调节36

2.4.1 底物诱导36

2.4.2 终产物阻遏38

2.4.3 基因表达的弱化机制38

2.4.4 核糖核酸开关对基因表达的调控40

2.4.5 翻译的控制44

2.4.6 酶分子降解的调节45

2.5 流通代谢物及全局调控46

2.5.1 流通代谢物46

2.5.2 全局调控47

3 生化反应质量平衡与模型51

3.1 生物量化学式51

3.2 生物反应的质量平衡方程53

3.2.1 间歇培养54

3.2.2 连续培养55

3.3 比反应速率与得率系数56

3.4 生物反应的黑箱模型57

3.4.1 黑箱模型的元素平衡和还原度平衡59

3.4.2 黑箱模型测量数据一致性的检验61

3.4.3 黑箱化学计量模型的系统分析63

3.4.4 测量数据的最优估计和h检验65

4 代谢通量分析72

4.1 代谢通量分析的原理72

4.1.1 无细胞生长时的代谢通量分析73

4.1.2 有细胞生长时的代谢通量分析75

4.2 基于测量数据的代谢通量分析77

4.2.1 正定系统77

4.2.2 超定系统80

4.3 基于线性规划的通量平衡分析84

4.4 同位素标记法测定代谢通量简介88

4.5 基元模式分析89

4.5.1 基元模式分析与极端途径分析89

4.5.2 基元模式分析的应用实例91

5 代谢控制分析97

5.1 代谢控制分析的基础97

5.1.1 通量控制系数及其加和定理100

5.1.2 浓度控制系数及其加和定理102

5.1.3 弹性系数和连接定理102

5.1.4 参数弹性系数及MCA理论的通用表达式104

5.2 通量控制系数的确定方法105

5.2.1 直接法105

5.2.2 间接法108

5.2.3 Lin-log动力学法113

5.2.4 瞬态代谢物浓度法118

5.2.5 大扰动法120

5.3 部分守恒循环途径通量控制系数的确定125

6 基于13C同位素标记信息的代谢通量分析125

6.1 13C代谢通量分析的发展129

6.2 13C标记实验和测量130

6.2.1 标记实验130

6.2.2 质谱检测131

6.2.3 核磁共振波谱检测135

6.3 代谢通量比率分析137

6.3.1 同位素标记异构体中天然同位素丰度的矫正137

6.3.2 基于质谱数据的代谢通量比率的推导139

6.3.3 基于NMR数据的代谢通量比率的推导142

6.4 基于同位素标记异构体分布模型的代谢网络通量分析144

6.4.1 原子映射矩阵和同位素标记异构体映射矩阵144

6.4.2 同位素标记异构体平衡方程145

6.4.3 代谢通量计算146

6.5 基于13C同位素标记信息代谢通量分析的应用148

6.5.1 辨别代谢途径及细胞功能149

6.5.2 阐明代谢网络结构及调控特性151

6.6 大肠杆菌代谢通量的计算举例154

6.6.1 大肠杆菌生长期相关生理学参数的测定及计算154

6.6.2 大肠杆菌代谢模型的建立155

6.6.3 代谢通量比率的计算156

6.6.4 大肠杆菌净通量的计算158

7 基因组学与基因组尺度代谢网络模型158

7.1 基因组学161

7.1.1 基因、基因组与基因组学161

7.1.2 基因组学研究内容161

7.2 基因组尺度代谢网络模型163

7.3 基因组尺度代谢网络模型的重构过程165

7.3.1 基因组尺度代谢网络数据库的建立165

7.3.2 数学模型的建立170

7.3.3 模拟运算173

7.4 基因组尺度代谢网络模型的应用184

7.4.1 基因敲除研究184

7.4.2 发现药物靶点186

7.4.3 指导菌体改进和代谢工程186

8 转录物组学技术与代谢工程186

8.1 转录物组与转录物组学191

8.1.1 转录、转录物组与转录物组学191

8.1.2 转录组学平台技术192

8.2 基于基因芯片技术的转录物组分析192

8.2.1 cDNA基因芯片技术193

8.2.2 寡核苷酸基因芯片技术195

8.2.3 芯片数据分析197

8.3 基于RNA-Seq技术的转录物组分析206

8.3.1 RNA-Seq的原理及实验步骤206

8.3.2 RNA-Seq的技术优势208

8.4 两种转录物组分析平台技术的比较208

8.5 转录物组数据的存储及交流209

8.6 转录物组学技术在微生物代谢工程中的应用211

8.6.1 减少副产物及提高产物耐受性211

8.6.2 提高蛋白质的产量211

8.6.3 扩大底物利用范围212

8.6.4 提高氨基酸的产量212

8.6.5 提高抗生素的产量213

8.6.6 提高大宗化学品的生产能力214

9 蛋白质组学技术与代谢工程214

9.1 蛋白质组与蛋白质组学217

9.1.1 蛋白质组217

9.1.2 蛋白质组学217

9.1.3 蛋白质组学研究平台技术分类218

9.2 蛋白质组学研究步骤220

9.3 蛋白质组学研究核心技术221

9.3.1 大规模蛋白质分离221

9.3.2 蛋白质组学研究中的质谱分析技术222

9.3.3 基于质谱的定量蛋白质组学技术224

9.3.4 基于选择反应检测的靶向蛋白质组学技术229

9.4 海量蛋白质数据分析处理技术231

9.5 蛋白质组学在微生物学研究中的应用232

9.5.1 蛋白质组学研究工业酵母对胁迫环境的响应232

9.5.2 蛋白质组学研究细菌膜蛋白与多重抗性233

9.5.3 蛋白质组学研究拜耳接合酵母耐酸性机制233

9.6 蛋白质组学在菌种构建中的应用234

9.6.1 提高次级代谢产物的基本策略234

9.6.2 蛋白质组学技术改进青霉素生产菌的应用举例235

9.6.3 靶向蛋白质组学在萜类代谢工程菌种改进中的应用举例237

10 代谢物组学技术与代谢工程237

10.1 代谢物组与代谢物组学242

10.2 微生物代谢物组学的研究方法243

10.2.1 菌株培养243

10.2.2 样品处理244

10.2.3 代谢物组数据的采集247

10.2.4 数据挖掘253

10.3 代谢物组学在代谢工程菌种改进中的应用260

11 进化工程技术与代谢工程267

11.1 进化工程的定义267

11.2 进化工程的原理与方法268

11.2.1 进化工程的原理与过程268

11.2.2 进化过程中的基因型变异269

11.3 进化工程的步骤与方法270

11.3.1 变异270

11.3.2 选择271

11.3.3 筛选273

11.4 进化工程与代谢工程273

11.5 进化工程的应用275

11.5.1 激活细胞潜在代谢途径，提高底物利用效率275

11.5.2 提高微生物的环境耐受性276

11.5.3 改进细胞的生物基产品合成能力277

11.5.4 创造新型催化活性蛋白酶280

11.6 基于高通量测序技术的进化工程研究和逆向代谢工程281

11.6.1 基因组尺度的进化工程菌株突变规律分析281

11.6.2 基于比较基因组学的逆向代谢工程282

12 合成生物学工具与代谢工程282

12.1 合成生物学的研究背景291

12.2 合成生物学的定义292

12.3 合成生物学的研究策略293

12.3.1 生物系统的层次结构293

12.3.2 合成生物学的研究策略294

12.4 DNA合成与组装294

12.5 基本的生物零件与基因线路295

12.6 基因组工程297

12.6.1 多元自动化基因组工程技术297

12.6.2 基因组编辑技术299

12.6.3 生物底盘300

12.6.4 基因组简化300

12.7 合成基因组（合成细胞）301

12.8 酵母人工基因组的合成303

12.8.1 SynⅢ的设计304

12.8.2 SynⅢ的构建304

12.8.3 含SynⅢ酵母菌株的表征与检验304

12.9 合成生物学与代谢工程305

12.10 合成生物学与代谢工程应用举例308

12.10.1 生物能源308

12.10.2 生物医药308

12.10.3 化学品311

12.10.4 合成生物学产业发展312