系统生物催化的原理及应用欧阳平凯南京工业大学2005.08.13现代化学工业面临重大的挑战n 以石油等化石资源为源头的化学工业所面临的挑战在于化石资源日益枯竭n化石资源的市场价格上涨迅速，现代化学工业的原料成本猛增生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m现代化学工业面临的机遇随着生物技术的发展，生物质资源的生产不断提高例如n 乙烯的生产石化路线：以1吨原油加工0.6吨乙烯计算6430元原料＝1吨乙烯＋副产品生物路线：以5吨玉米加工1吨乙烯计算6000元原料＝1吨乙烯＋副产品生物秀-专心做生物w ww .b b io o .c o m生物催化与转化已成为发达国家的重要科技与产业发展战略新的生物催化剂是21世纪可持续发展的化学加工业的必需工具。
2020年，通过生物催化技术，使化学加工业的原料、水资源、能量的消耗各降低30％，污染物的排放和扩散也减少30％。
20世纪80年代20世纪90年代21世纪生物医药转基因植物生物催化生物技术的三次浪潮生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m存在的问题自发、分散、Case-by-case 的研究模式（周期平均20年），效率低、周期长品种繁多的大量的酶，催化体系矛盾？传统模式工业化需要传统研究方式与工业化需要的矛盾生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m问题分析一些重要而急需的人工转化体系还没有合适的菌种和酶。
(酶活太低）？难点与周期太长生物催化剂改造的方法学基础理论问题提高酶活5～30％，十分困难生物秀-专心ww w .b问题分析建立高效率的高浓度生物催化反应体系!应用的成本问题生物催化剂适应性原理生物系统催化的理论和方法系统生物催化的基础理论问题必须从生物催化体系的全局进行研究应用系统生物学原理研究生物催化反应体系生物秀-专心做生物 系统生物学方法生物秀-专心做生物w ww.b bi o o.c om系统生物学——面向系统的生物学研究n 系统生物学从系统水平来理解生物学系统，利用一系列的原理与方法学来研究分子行为与系统特性与功能的关系，通过计算生物学来定量阐明和预测生物的功能、表型和行为。
生物秀-专心做生物w ww .b b i o o .c o m1948年，控制论之父Norbert Wiener提出生物系统和控制系统可以用同样的科学方法进行研究近几十年来发展最为迅速的生物科学21世纪的生物学系统生物学与分-专心o o分子生物学与系统生物学研究对象是生物系统的组成部分（个别基因、个别蛋白质）还原主义将生物学还原到分子水平研究对象是组成部分的相互作用或部分之间关系——本质上就是信息整体主义从系统层次上理解生物系统生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m获得深层次成果，理论创新实验的深层次成果往往被忽视实验数据的挖掘（data mining ）侧重从实验中获取数据分子生物学与系统生物学生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m系统生物学——大科学工程n 系统生物学，是把孤立的在基因水平、蛋白水平的各种相互作用、各种代谢途径、调控途径等融合起来，用以说明生物整体，高通量的组学实验平台构成了系统生物学的大科学工程。
生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m系统生物学的中心法则？基因组学转录组学蛋白质组学系统整合的法则分子生物学理论分析与实验筛选的综合法则环境调控代谢组学生物系统学行为或生物催化系统的功能从系统生物学的角度来看，信息流是以遗传网络为基础，通过调控网络影响代谢网络；外部信息通过调控网络影响遗传网络，调控在其中起着承上启下的作用。
生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m系统生物学将是21世纪医学和生物学的核心驱动力。
Leroy Hood ，人类基因组计划的发起人之一生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m世界上第一个系统生物学研究所Institute for Systems Biologyfounded by Leroy Hood in 1999生物秀-专心做生物w ww .b b i o o .c o m生物秀-专心做生物系统生物学——全球发展热点nnn成立了上海系统生物学研究所n物 生 做 om 心 .c 麻省理工学院和哈佛大学成立了系统生物学研究机构 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww 中国科学院生命科学研究所与上海交大于2003年联合美国能源部2002年启动了21世纪系统生物学技术平台德国、日本、韩国、新加坡、菲律宾等国成立了系统 生物学研究机构生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 生物秀-专心做生物系统生物学的技术平台物 生 组学（Omics），基因组学、转录组学、 做 om 心 .c 专 ioo 蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、 - b 秀 .b 表型组学和计算机生物学等 物 w 生 wwn生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物基因组学物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww转录组学蛋白质组学代谢组学生化反应Citrate Cycle生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区产品系统生物学——整合性的研究方法模型模拟预测数据实验建立/修改模型比较生物系统生物学知识系统生物催化的研究模式生物催化体系网络系统 实验数据群 • • 全局 量化 • • • 结构 功能 系统调控生物秀-专心做生物物 生 做 om 系统生物催化研究内容之一： 心 .c 专 ioo - b 一种新的生物催化剂的改造方法 秀 .b 物 w 生 ww生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物生 物 催 化 剂 理 性 分 子 设 计 示 意 图特定基因序列因特网生物信息数据库结构与催化功能信息生 做 om 定点突变 心 .c 专循ioo - 环 表达纯化 秀 .b b 物 w 生 ww 结构和活性表征稳定性、适应性信息 yes 所需要的生物催化剂分 子 设 计 物生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物生 物 催 化 剂 快 速 定 向 进 化 示 意 图特定基因物 生 做 om 丰富的变种DNA文库 循 心 .c 环 专 ioo - b 秀 （生物质谱）高通量筛选技术 .b 物 w 生 ww 正向突变基因高效生物催化剂反转录酶/易错PCR技术生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物理性分子设计和定向进化的结合 高效人工进化酶的构效关系定向进化与理性分子 设计的结合策略物 稳定性 生 做 om 活性 心 .c 专 ioo 有机溶液中的活性 - b 秀 .b 底 不同的底物的利用 物物 w 生 ww 酸碱度辅 酶蛋白质的表达 亲和性 专一性生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物实际应用举例物 生 做 om 天冬氨酸转氨酶热稳定性改造 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物物 生 做 om 心 .c 酶与热稳定性有关功能区的确定 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物利用生物信息学平台进行蛋白质合理设计物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww序列分析软件Clustal W 分析酶的一维结构生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区结构分析软件Rasmol 分析酶的三维结构生物秀-专心做生物物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww应用DeepView（蛋白质结构预测软件） 确立天冬氨酸转氨酶的热稳定性有关的功能区域生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 生物秀-专心做生物物 生 做 om 心 .c 突变基因文库的建立 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物引入随机引物，利用基因工程手段建立 突变基因文库物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物物 生 做 om 心 .c 突变基因文库的筛选 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物采用高通量筛选的技术平台 对构建的突变菌库进行筛选Compound LibraryMother Plate物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 wwAssay TargetAssay PlatePlate ReaderDaughter PlateUnique Compound in Each WellSame Assay and Target in Each Well生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区生物秀-专心做生物天冬氨酸转氨酶热稳定性的进化物 生 做 om 心 .c 五轮筛选 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww得到12株菌株 酶的热稳定性提高生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 生物秀-专心做生物天冬氨酸转氨酶热稳定性的进化1.4 1.2 1.0 0.8 R 0.6 0.4未突变前 酶的热稳定性物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12R0.2 0.0* 热稳定性定义为55℃下放置10min后酶活性与放置前酶活性的比值生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区 生物秀-专心做生物物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区。