代謝工程理論與色氨酸操縱子的調節

1991年，貝利利用代謝工程，通過DNA重組技術，描述了細胞的酶反應、物質運輸和調節功能的遺傳操作，進而提高了細胞的生物活性，標誌著代謝工程向壹門系統學科的轉折。代謝工程又稱途徑工程，不同於傳統的單基因表達(第壹代基因工程)和基因定向突變(第二代基因工程)。它是壹種有目的的技術，可以修改細胞生化反應的代謝網絡，在多基因水平上設計和修改細胞固有的代謝途徑和遺傳性狀，賦予細胞優越甚至全新的產品生產品質。代謝工程在提高宿主細胞中原有代謝產物的產量、生產新物質、拓展和構建新的代謝途徑、生產氨基酸、抗生素、維生素等代謝產物以及降解環境汙染物等諸多方面顯示出廣闊的應用前景。從理論上講，提高Trp的產量是代謝工程的首要任務，這需要很好地理解Trp的生物合成和細胞中控制Trp代謝的異化途徑，以及在更廣泛的微生物代謝網絡中描述這些途徑的有效數學模型。早期的模型主要考慮trp操縱子動力學的某壹方面，只有少數研究模型綜合考慮了trp操縱子的三種機制。修誌龍等人將代謝工程理論引入trp代謝分析領域，建立了合適的數學模型，發現在代謝穩定的條件下，阻遏水平和酶反饋抑制的強度嚴重影響目標變量，即trp濃度。桑提蘭等人提出的動力學模型用第二李亞普諾夫方法進行了分析。通過對比驗證野生菌株和幾個改良菌株的性能(分別解除了對氨基苯甲酸合成酶的反饋抑制和弱化)，得出酶的反饋抑制對體系的穩定性起重要作用，但弱化作用較小，主要發生在Trp營養發生變化時。這兩個模型具有代表性，它們考慮了酶的反饋抑制，對Trp生物合成具有壹定的指導意義；但其不足之處也很明顯，只考慮了鄰氨基苯甲酸合成酶的反饋抑制，沒有考慮其他酶。另壹個缺陷是缺乏色氨酸生產菌株來驗證這壹點。