一、名词解释：1代谢工程：应用重组DNA技术和分析生物学相关的遗传学手段进行有精确目标的遗传操作，改变酶的功能或输送体系的功能，甚至产能系统的功能，以改进细胞某些方面的代谢活性的整套操作工作（包括代谢分析、代谢设计、遗传操作、目的代谢活性的实现）。

代谢工程是生物化学反应代谢网络有目的的修饰。

它属于基因工程的一个重要的分支。

2代谢控制发酵技术：利用遗传学的方法或生物化学方法，人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢，使目的产物大量的生成、积累的发酵。

3生物技术：是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。

4代谢网络的节点（Node）：微生物代谢网络中的途径的交叉点（代谢流的集散处）称作节点。

在不同条件下，代谢流分布变化较大的节点称为主节点。

根据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、弱刚性、强刚性三种。

5柔性节点（Flexible Node）：是节点的一种类型，是流量分配容易改变并满足代谢需求的一类节点。

（指由节点流向各分支的代谢流量分割率随代谢要求发生相应的变化，去除产物的反馈抑制后，该分支的代谢流量分割率大大增加）。

6强刚性节点：若一个节点的一个或多个分支途径的流量分割率受到严格控制，那么这类节点就称为强刚性节点。

（指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。

）7弱刚性节点：若一个节点的流量分配由它的某一分支途径的分支动力学所控制，则称该节点是弱刚性节点，介于柔性节点和强刚性节点之间。

8代谢流（Flux）：定义为流入代谢物被途径加工成流出代谢物的速率。

9途径工程（Pathway Engineering）：是一门利用分子生物学原理系统分析细胞代谢网络，并通过DNA重组技术合理设计细胞代谢途径及遗传修饰，进而完成细胞特性改造的应用性学科。

10合成生物学：简单地说，合成生物学是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统来解决能源、材料、健康和环保等问题的一门新兴学科。

11底物：培养基中存在的化合物，能被细胞进一步代谢或直接构成细胞组分。

12代谢产物：由细胞合成并分泌到细胞外培养基中的化合物，可以是初级代谢产物（如二氧化碳、乙醇等），也可以是次级代谢产物或蛋白质。

13胞内代谢物（Intracellular Metabolite）：细胞内其它的化合物，包括不同代谢途径的中间代谢物和用于大分子合成的结构单元等。

14生物基质要素：构成生物基质大分子池的一类物质，包括RNA、DNA、蛋白质、脂质和碳水化合物等。

15途径：是指催化总的代谢物的转化、信息传递和其他细胞功能的酶促反应的集合。

16通量/物流：是指物质或信息通过途径被加工的速率，它与个别反应速率不同。

（名词解释不全……）二、问答题：1．代谢工程的基本原理:①涉及细胞物质代谢规律及途径组合的生物化学原理，它提供了生物体的基本代谢图谱和生化反应的分子机理；②涉及细胞代谢流及其控制分析的化学计量学、分子反应动力学、热力学和控制学原理，这是代谢途径修饰的理论依据；③涉及途径代谢流推动力的酶学原理，包括酶反应动力学、变构抑制效应、修饰激活效应等；④涉及基因操作与控制的分子生物学和分子遗传学原理，它们阐明了基因表达的基本规律，同时也提供了基因操作的一整套相关技术；⑤涉及细胞生理状态平衡的细胞生理学原理，它为细胞代谢机能提供一个全景式的描述，因此是一个代谢速率和生理状态表征研究的理想平台；⑥涉及发酵或细胞培养的工艺和工程控制的生化工程和化学工程原理，化学工程对将工程方法运用于生物系统的研究无疑是最合适的渠道。

这种方法在生物系统的研究中融入了综合、定量、相关等概念。

它为速率过程受限制的系统分析提供了独特的工具和经验，因此在途径工程领域中具有举足轻重的意义；⑦涉及生物信息收集、分析与应用的基因组学、蛋白质组学原理，随着工基因组计划的深入发展，各生物物种的基因物理信息与其生物功能信息在此交汇，并为途径设计提供了更为广阔的表演舞台，是途径工程的最大推动力。

2. 代谢工程操作过程：代谢工程操作至少应包括下列三大基本过程。

①靶点设计首先，根据化学动力学和计量学原理测定代谢网络中的代谢流分布（即代谢流分析），其中最重要的是细胞内碳和氮元素的流向比例关系；其次，在代谢流分析的基础上调查其控制状态、机制和影响因素（即代谢控制分析）；最后，根据代谢流分布和控制的分析结果确定代谢设计的合理靶点，通常包括拟修饰基因的靶点、拟导入途径的靶点或者拟阻断途径的靶点等。

②基因操作利用途径工程战略修饰改造细胞代谢网络的核心是在分子水平上对靶基因或基因簇进行遗传操作，其中最典型的形式包括基因或基因簇的克隆、表达、修饰、敲除、调控以及重组基因在目标细胞染色体DNA上的稳定整合。

基因重组是途径工程重要的特征操作技术。

③效果分析一次性的途径工程设计和操作往往不能达到实际生产所要求的产量、速率或浓度，因为大部分实验涉及到的只是与单一代谢途径有关的基因、操纵子或基因簇的改变。

因此需要对途径进行全面的效果分析。

3. 代谢工程常用技术：代谢工程的研究技术主要包括以下三类：①检测技术常规的化学和生物化学检测手段都可用于代谢工程的研究，包括同位素示踪方、酶动力学分析方法、光谱学方法等。

②分析技术采用化学计量学、分子反应动力学和化学工程学的研究方法并结合计算机技术，可以进一步阐明细胞代谢途径和代谢网络的动态特征与控制机理，同时确定关键靶点。

③操作技术可以归结为基因水平上的操作，涉及到几乎所有的分子生物学和分子遗传学专门实验技术, 如基因和基因簇的克隆、表达、调控；DNA的杂交检测与序列分析；外源DNA的转化；基因的体内同源重组与敲除；整合型重组DNA在细胞内的稳定维持等。

4.反应类型：根据参与细胞内生化代谢系统的反应特点，可将生物体内名目繁多的各类反应过程分成下列四大类。

①装配反应（Assembly Reaction）装配反应完成大分子的修饰，将其运输到细胞内的特定区域，最终使其参与细胞结构元件的合成，如参与细胞壁、细胞膜、核仁等细胞器的形成。

这类反应在工程应用中涉及较少。

②聚合反应（Polymerization Reaction）聚合反应完成的是从细胞内的构建单体（BuildingBlocks）向生物大分子的聚合过程。

特点是聚合过程均为长链式的，中间并伴有分支反应的参与。

③生物合成反应（Biosynthesis Reaction）生物合成反应的最终产物是参与聚合反应的构建单体，同时也合成一些辅酶及相关代谢因子（包括信号分子）。

④产能反应（Fueling Reaction）产能反应通过分解代谢途径产生12种用于生物合成反应的前体物质，并且伴随着反应的进程会释放大量的自由能，用于能量物质ATP的合成。

（5. 已知在现存途径中改变目的产物的代谢流可以增加目的产物的积累,试述其实现策略。

）生物化学工程与生物技术上中下游关系:1、生物技术的上、中、下游过程生物反应器---作为生物反应过程的中心即中游加工---反应前与后的工序称为上游加工和下游加工l 上游加工----最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂即应用常规选育、基因工程、细胞工程和酶工程手段获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等下游加工-----从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品l中游加工-------生物反应器为中心生物化学工程------包括中下游两部分三、论述：1．定量分析涉及的理论和应用工具：①代谢的化学原理（如化学计量学、代谢动力学、化学反应工程等）；②生物学原理（如代谢调控机制、酶促反应动力学等）；③功能基因组学、结构基因组学、蛋白质组学、生物信息学；④分析化学工具（如GC/LC-MS、紫外光谱学、荧光光谱学等）⑤数学和计算机技术（如数学建模、图论基础、应用计算机软件求解等）2．代谢流量调控机制（代谢流及其控制机制的三大基本步骤）：①建立一种能尽可能多的观察代谢网络并测定其流量的方法。

为了做到这一点，通常从测定细胞外代谢产物的浓度入手进行简单的物料平衡。

由于一个代谢途径的代谢流并不等于该途径中一个或多个酶的活性，所以酶法分析并不能提供代谢网络真正的代谢流信息，除非相应的酶在体外分析条件下存在并具有活性。

②在代谢网络中施加一个已知的扰动，以确定在系统松散之后达到新的稳态时的代谢流。

常用的扰动方式包括启动子的诱导、底物增加、特定碳源消除或物理因素变化等。

一种扰动往往能提供多个节点上的相关信息，具有重要意义。

③要系统分析代谢流扰动的结果。

如果某个代谢流的扰动对下游代谢流并未能造成可观察的影响，那么就可以认为该处的节点（对上游的扰动）是刚性的，相反则成为柔性的。

3．代谢流平衡分析的作用：（1）胞内代谢流分布的定量测定（2）代谢网络节点（分支点）性质的鉴定（3）确定胞内代谢途径（4）非测量性胞外物流的计算（5）考察另一些途径对物流分布的影响（6）最大理论得率的计算4．保证实验数据可靠性和重现性的策略：1）建立简单的代谢模型，即所谓的黑箱模型，将胞内反应看成是单一反应或者是整个细胞生物基质的变化，以保证细胞内外各元素之间的平衡（物料衡算）。

在此模型中，所涉及到的信息不外乎底物、代谢产物和生物基质的元素组成及其一系列进出细胞的流量。

2）借助于生物化学研究手段和分子反应动力学原理，精细调查底物转化为生物基质或代谢产物的反应机制，以求对生物化学反应直至代谢过程进行更微观的描述。

这种策略提供的数据要比黑箱模型更真实更形象，但对参数测量范围和方式的要求也更高，同时还需要完备的数学知识对数据进行有效的分析与利用。

5．网络节点（类型、特点、评估策略）：在细胞代谢网络中，两个或多个不同途径的分支汇合点称为节点。

根据节点下游分支的可变程度，节点分为柔性、强刚性及弱刚性节点三类。

柔性节点是节点的一种类型，是流量分配容易改变并满足代谢需求的一类节点。

强刚性节点是节点的一种类型，是流量分配不容易改变的一类节点。

指由节点流向某一分支或某些分支的代谢流量分割率是难以改变的，这是由产物的反馈抑制及对另一分支酶的反式激活的相互作用所致。

弱刚性节点指介于前两者之间，由该节点流向各分支的代谢流中有一个是占主导地位的，其酶活较高或对节点代谢的亲和力较大，且无反馈抑制，通过削弱主导分支的酶量或酶活可增加产物的产率。

主要节点刚性的评估:一旦代谢网络中与目标产物生物合成有关的主要节点被识别，就必须对它们的刚性程度进行评估。

若能获得细胞生物化学代谢网络图表中全部详细的酶动力学表达式，便可建立一个相关的代谢数学模型。

借助该模型并结合代谢网络或亚网络的概念，可以对主要节点的刚性进行分析判断。

节点评估：首先测定网络主要节点在稳定状态下的流量分配，然后对该系统施加一个有效的扰动，再以相同的程序测定新稳定态下达到的流量分配，仔细比较两者即可获得节点刚柔性的有关信息。