Metabolic Pathway Engineering: Analysis and Applications in Life Sciences
出版：JENNY STANFORD PUBLISHING
索书号：Q493/C437/2021/Y
ISBN: 978-981-4877-39-8
藏书地点：武大外教中心
从人类第一次成功将一个外源基因导入细菌细胞，我们就意识到微生物细胞可以成为众多化工产品的微型工厂。但是很快人们发现，尽管复杂如胰岛素的分子可以通过一个基因的过表达生产，但简单如乙醇的小分子生产却涉及众多基因的调控。就在人们热衷于利用此技术生产医药分子的同时，1980年代，也有研究关注了这项技术背后的代谢复杂性及其调控问题，如代谢通路的热力动力学，代谢步骤的动力控制，遗传通路的设计等等。这些活动有两篇代表性论文，其很关键性地推动了代谢工程的建立。
代谢工程与遗传工程不同，前者关注整合的代谢通路和调控网络，后者更多的关注单一基因或酶的操纵。代谢工程从诞生时起就有显著的工业目标，因为其一开始就意在满足更加有效的催化反应用于生产感兴趣的工业品，如能源，化工品和药品。使用生物催化生产一个产品很容易，但是实现比率、产率和速率的最优化是很难的。这种困难导致代谢过程不得不努力发展代谢通路的设计、构建和最优化。
今天的代谢工程，已经不仅仅是生产贵重的稀有的化工品，而是能够放大尺度生产大宗化工品。未来的代谢过程将大幅度提升生产能力和应用范围。一方面，基因合成技术和异源表达越来越成熟，另一方面，组学的发展为更全面了解微生物的代谢地图提供了技术准备，这包括模式生物也包括稀有微生物。组学提供的地图和基因多样性信息将为代谢工程提供无限可能。
确立生产某个化合物之后，第一个问题是什么？寻找该化合物的合成通路。对合成化学家一样。该化合物必须对生物体是无害的，并且相关酶能够在异源宿主洪表达。考虑到与化合物生产有关的反应通路涉及广泛，我们必须细数通路的个数并且评估通路。1990年代人们首次完整确定了赖氨酸的可能合成通路，评估找到了最高产率的可能通路，克服了瓶颈一种更为通用的发现这些通路的算法，叫BINCE，biochemical network integrated computational explorer，在2000左右出现。该方法考虑了底物和产物的化学结构和酶学分类系统，实现了通路的从头设计。分析芳香氨基酸的合成通路表明，从底物出发可以合成众多化合物，并发现了合成苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸的新通路。通过基团贡献理论可以估算酶反应的自由能变化，这种热力学可行性评估被用于评价这些通路。
获得通路图后，工程改造生态型的下一步是分析该通路的反应速率和控制结构，在此基础上提出理性修改靶点。代谢通路分析可以提供不同条件下代谢通量偏离对照条件下的程度，然后确定动力学限速步骤。代谢图和通量分析获得的信息最终将用于选择基因调控的靶点，这些信息的核心不是通量本身，而是偏离对照的值和通路的可塑性。
最近发展的基因组尺度代谢计量比模型，主要是为了取代c13代谢通路测定方法。同位素方法虽然准确，但是价格昂贵。模型手段比实验手段优越的地方还有：实验数据需求较少，可以通过理论模型设计敲除靶点，一些组学数据已经存在，另外通量平衡分析往往不能得到产物通量，而是得到最大生物量产率。最近的一个基因组代谢图预测了大肠杆菌的2077个反应和1039个代谢产物。基因组代谢图已经有很多模式和非模式生物具备。
以一个改造酵母为例子，酵母本不能同化木糖，代谢工程改造使得其能够通过木糖生产乙醇。通过表达环糊精运输蛋白和胞内葡糖苷酶，酵母实现了二糖的直接同化。目前大部分代谢共同通路优化都是基于在联合表达组成性基因的基础上，优化部分目标步骤，通过过表达，敲除或移除抑制调控子。现在的进步主要在基因合成和操作技术，也包括生信的完善，如启动子，核糖体结合位点，终止子等等都已经有了清单。
大多数情况下，上述技术手段可以实现较好的代谢工程结果。组合技术有利于解决一些复杂的通路。早期的技术包括随机突变，如盘尼西林的生产效率可以达到50 g/liter，约是自然菌株的4000倍。2000左右诞生的逆向代谢工程，拓展了理性再造菌株的思路。该途径使用广泛，非常类似蛋白定向进化。有三个因素影响逆向代谢工程，高通量筛选，高质量表型库，快速鉴定哪个表型对应遗传突变。不断进步的工具和生物学的基础研究进展，在进一步推动着代谢工程的发展，分子生物学、合成生物学、系统生物学越来越先进，代谢工程的产品也越来越多样。那么，未来代谢工程如何发展？
《代谢通路工程：生命科学中的分析与应用》一书于2021年由JENNY STANFORD PUBLISHING出版，作者为Jean F. Challacombe。
《代谢通路工程：生命科学中的分析与应用》一书，作者展现了生命科学中的分析与应用研究领域中关于代谢通路工程的一些最新研究与应用，讨论的主题主要包括通过代谢研究了解生物体的生物学，代谢网络重建和建模的计算工具和方法，了解微生物群落，用二氧化硅鉴定针对人类、动物和植物病原体的药物和疫苗靶点，代谢工程，微生物工程和系统代谢工程的未来。
《代谢通路工程：生命科学中的分析与应用》是生物学实验室不可或缺的工具用书，适用于细胞生物学、生物化学与分子生物学等相关专业的高年级本科生、研究生，也可作为教师的教学和科研参考书，亦可供生物医学、药理学、免疫学及相关领域的研究人员参考。
《代谢通路工程：生命科学中的分析与应用》一书作为细胞生物学、生物化学与分子生物学专业研究读物，内容饱满详实、语言浅显易懂，除此之外，还包括一些其他的特点：
1.本书介绍了近年来的一个热点议题——代谢工程，介绍了如何通过代谢研究了解生物体的生物学，微生物群落相关生物学以及代谢网络重建和建模的计算工具和方法。在本书后半部分便通过基于这些知识对代谢工程和微生物工程进行了概述，此外还介绍了如何用二氧化硅鉴定针对人类、动物和植物病原体的药物和疫苗靶点。本书具有很强的应用参考性。
2.本书结尾设有索引方便读者查找。
3.本书图表丰富，读者能够结合清晰的图表更加清楚的理解相关的知识。
总的说来，《代谢通路工程：生命科学中的分析与应用》一书为想要了解代谢通路工程在生命科学中的分析与应用的人员提供了清晰的导读路径，作为生物化学和分子生物学领域的一本前沿研究图书，是一本值得为想要涉足该领域的人员推荐的专业书籍。
本书目录：
前言
第1章 通过代谢研究了解生物体的生物学
第2章
代谢网络重建和建模的计算工具和方法
第3章 了解微生物群落
第4章 用二氧化硅鉴定针对人类、动物和植物病原体的药物和疫苗靶点
第5章
代谢工程
第6章 微生物工程
第7章 系统代谢工程的未来
索引
胡萌欣 武汉大学生命科学学院 博士