文 献 综 述

1 鸟氨酸简介

L-鸟氨酸(L-ornithine)是生物体内普遍存在的氨基酸之一，不直接参与蛋白质生物合成，具有解氨毒、治疗疾病，增强营养等多种生物活性。可单独使用或与其它代谢产物组成合剂，在医药、食品、保健等领域有着广泛应用前景，其市场需求在不断增加。然而L-鸟氨酸在生物体内的含量很低，难以满足日益增长的工业生产及市场消费的需要，如何降低成本，提高 L-鸟氨酸产量成为很多研究者和生产者所关注的焦点。

L-鸟氨酸是一种非蛋白组成氨基酸，以游离的形式在生物体的多种组织和细胞中广泛存在，也是细菌细胞膜和多肽类抗生素的组成成分，在生物体代谢中起到重要作用。L-鸟氨酸是精氨酸合成途径中的一种重要的中间产物，主要参与合成尿素的鸟氨酸循环(Ornithine cycle)，因循环过程产生了终产物尿素，故又称尿素循环，Krebs-Henseleit循环，是尿素生成的中间产物，也是脯氨酸、精氨酸和多胺代谢的关键中间代谢产物，对体内集聚的氨具有解毒作用，可促进氨态氮的排出，因而对人体肝脏细胞具有重大意义。

微生物发酵法就是利用高产鸟氨酸的微生物菌种，以廉价的碳源(葡萄糖、糖蜜)、氮源(硫酸铵、氨水)为主要原料通过高密度发酵获得L-鸟氨酸的方法。该方法具有环境污染小，成本相对较低，产量提高潜力大的优点。随着基因工程技术的成熟及生物信息技术的发展，越来越多的 L-鸟氨酸高产菌株的出现，该法逐渐成为了生产L-鸟氨酸的主导方法。尽管早在1961年Kinoshita S等就申请了发酵法生产L-鸟氨酸的专利。但发酵法生产鸟氨酸目前还未大量应用于工业化生产。目前国外发酵法生产L-鸟氨酸生产率约5~7%，糖转化率30%左右。L-鸟氨酸的生产菌种很多，但高产L-鸟氨酸的菌株都是通过菌种的诱变选育、染色体融合或基因工程等手段构建而来的。谷氨酸及鸟氨酸生产一般在日本、韩国研究得较多，鸟氨酸仅在日本的市场规模就达到1400 万美元，且其需求量正在不断上升。因此在这些国家应用的菌株种属比较多。

L-鸟氨酸的生产菌种主要是棒状杆菌通过突变获得的瓜氨酸营养缺陷株或精氨酸营养缺陷株。尽管这些菌株能高产L-鸟氨酸，然而由于生长不稳定容易出现恢复突变，从而导致鸟氨酸产量大幅降低。因此，利用代谢工程等手段定向改造菌株，获得遗传稳定的高产鸟氨酸菌株尤为必要。最近已有一些生产鸟氨酸的工程菌的报道，其中以谷氨酸棒杆菌改造的高产鸟氨酸工程菌的报道较多，鸟氨酸产量相对于其它菌种而言较高。

谷氨酸棒杆菌(Corynebaererium glutamicum)是从土壤中分离得到的革兰氏阳性，短棒状杆菌，能够大量地分泌谷氨酸，因此而得名，谷氨酸棒杆菌经过适当改造，能够大量生产各种氨基酸，已经广泛研究应用于L-谷氨酸、L-赖氨酸、L-精氨酸、L-鸟氨酸、L-缬氨酸及芳香族氨基酸等多种氨基酸的工业发酵菌种。谷氨酸棒杆菌全基因组序列的公布及代谢组学与代谢流量分析技术的发展，为高产L-鸟氨酸菌株的构建提供了丰富的信息。通过增强L-鸟氨酸代谢的主流合成途径,阻断分支代谢途径或消除阻遏，有可能大幅度提高菌株生产L-鸟氨酸的能力。目前鸟氨酸工业生产菌株均为Arg-或Cit-突变株，在此基础上利用基因工程技术进一步改变其代谢途径，可大幅度提高L-鸟氨酸的生产能力。

2 代谢组学简介

随着生物科学技术的迅速发展科学研究焕发出新的光彩，系统生物学的诞生便得益于此。尽管对生物体分子水平上的理解刚刚起步，但是有证据表明综合广泛的组学研究(基因组学、蛋白组学、转录组学和代谢组学)将是未来新科学研究的重要基础，并且发挥极其核心的作用。在转录组、蛋白组和代谢组水平上整体全面分析基因或者环境的扰动影响可以更好地研究复杂系统的生化和生物机理。虽然基因组学、转录组学和蛋白组学研究取得了显著的进展，但是代谢组研究才刚刚兴起。代谢组学是组学研究的终点，其最接近表型，可以指示基因或者环境的扰动，代谢组发生变化(代谢流或者代谢物浓度)较之于蛋白组或者转录组更容易被发现。理论和实践证明酶浓度的改变对代谢通量的影响十分有限，但代谢物浓度则影响明显。代谢组是高度动态的，这体现在胞内代谢物的变化十分迅速，代谢通量(合成或消耗速率)的检测是以秒为单位，而蛋白组和转录组的检测是以小时为单位，代谢组可以最快指示环境的扰动。事实上，胞内代谢物的快速改变很大程度上依赖于代谢物作为变构作用的抑制剂或者催化剂，然而基因表达和酶共价修饰作用比较缓慢。此外，许多蛋白的共价修饰作用需要与某些代谢物可逆的共价结合，如ATP、乙酰CoA、葡萄糖和脂类，因此长期和短期的代谢生理控制可影响代谢组学。

代谢组学是以其他组学的研究思路为模板，对生物系统内所有相对分子质量1000以内的小分子代谢物进行定性及定量研究，同时分析代谢物与生理病理变化的相互关系，是组成系统生物学的重要部分。1960s已经出现关于代谢组学的研究，这些研究的成功是主要基于技术的进步，将GC和MS技术的成功结合。Horning和Pauling分别在 1968 和 1972 年使用气相色谱-质谱联用仪(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)研究了人体血液和尿液中的代谢物。相比与植物或者动物代谢组学,微生物因其生物系统简单、海量的基因组学数据支持以及有关基因调节、生理特性和代谢网络的丰富研究，因此代谢组学研究在微生物领域意义非凡，但是目前其应用受到一些限制，是由于培养基中微生物浓度较低导致代谢物难以检测以及胞内和胞外的代谢物不易分离等原因引起的。对于代谢组研究来说，整体面临的一个挑战是分析技术，需要进一步提高灵敏性和稳定性，另一个挑战是存在大量的培养基组分和灭活缓冲液(营养成分、盐和缓冲液等)，由于这些物质浓度较高会影响代谢物衍生和后续的检测过程。