欧阳平凯院士—系统生物学的原理及应用0812.pptVIP

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 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 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 例如 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 生物催化与转化已成为 发达国家的重要科技与产业发展战略 存在的问题 问题分析 问题分析 应用系统生物学原理研究生物催化反应体系 系统生物学方法 系统生物学 ——面向系统的生物学研究 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。 系统生物学与分子生物学 分子生物学 与 系统生物学 分子生物学 与 系统生物学 系统生物学——大科学工程 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。 系统生物学的中心法则？ 系统生物学将是21世纪医学和生物学的核心驱动力。 系统生物学——全球发展热点 美国能源部2002年启动了21世纪系统生物学技术平台 麻省理工学院和哈佛大学成立了系统生物学研究机构 中国科学院生命科学研究所与上海交大于2003年联合成立了上海系统生物学研究所 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 系统生物学的技术平台 组学（Omics），基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学和计算机生物学等 系统生物学——整合性的研究方法 系统生物催化的研究模式 系统生物催化研究内容之一：一种新的生物催化剂的改造方法 稳定性 活性 有机溶液中的活性 不同的底物的利用 酸碱度 蛋白质的表达 亲和性 专一性 天冬氨酸转氨酶热稳定性改造  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 引入随机引物，利用基因工程手段建立突变基因文库 采用高通量筛选的技术平台对构建的突变菌库进行筛选 天冬氨酸转氨酶热稳定性的进化 天冬氨酸转氨酶热稳定性的进化 谢 谢 大 家！ 结构分析软件Rasmol 分析酶的三维结构 序列分析软件Clustal W分析酶的一维结构 利用生物信息学平台进行蛋白质合理设计 突变基因文库的建立 突变基因文库的筛选 Compound Library Unique Compound in Each Well Assay Target Plate Reader Same Assay and Target in Each Well Mother Plate Daughter Plate Assay Plate 五轮筛选 得到12株菌株 酶的热稳定性提高 * * 光合作用产生的 生物质循环 目前世界 化石资源消耗 ＜ 仅需使用小于 10% 生物质循环，即可替代化石资源 950亿吨 C／年 65 亿吨 C／年 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 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 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 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） 构建快速高效的生物催化剂的改造方法 ？ 难点与周期太长 生物催化剂 改造的方法学 基础理论问题 新来源基因与酶 ! 可提高酶活 数倍～数万倍 提高酶活5～30％，十分困难 微生物与酶不适应工业环境 产品浓度低，分离成本高 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 生物催化剂 微生物-来源 分子设计-改造 环境 生物反应系统适应性 No Yes 高效生物 转化