第六章微生物發(fā)酵機(jī)理2

1、第四節(jié)代謝調(diào)節(jié)的人工控制第四節(jié)代謝調(diào)節(jié)的人工控制微生物的正常代謝不會(huì)使代謝產(chǎn)物微生物的正常代謝不會(huì)使代謝產(chǎn)物過(guò)量積累，發(fā)酵目的是盡可能多地積累過(guò)量積累，發(fā)酵目的是盡可能多地積累代謝產(chǎn)物，以此必須打破微生物的代謝代謝產(chǎn)物，以此必須打破微生物的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，使代謝產(chǎn)物大量積累。調(diào)節(jié)機(jī)制，使代謝產(chǎn)物大量積累。方法方法改變微生物的遺傳學(xué)特性改變微生物的遺傳學(xué)特性控制發(fā)酵條件控制發(fā)酵條件一改變微生物的遺傳學(xué)特性一改變微生物的遺傳學(xué)特性（一）（一）.營(yíng)養(yǎng)缺陷型和滲透缺陷型突變菌株的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型和滲透缺陷型突變菌株的應(yīng)用1.營(yíng)養(yǎng)缺陷型：原菌株由于發(fā)生突變，致?tīng)I(yíng)養(yǎng)缺陷型：原菌株由于發(fā)生突變，致使代謝途徑中某

2、一步驟發(fā)生缺陷，從而喪使代謝途徑中某一步驟發(fā)生缺陷，從而喪失了合成某種物質(zhì)的能力，必須在培養(yǎng)基失了合成某種物質(zhì)的能力，必須在培養(yǎng)基中外源補(bǔ)加該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能正常生長(zhǎng)的突中外源補(bǔ)加該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能正常生長(zhǎng)的突變菌株。變菌株。在培養(yǎng)過(guò)程中我們可以控制補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的在培養(yǎng)過(guò)程中我們可以控制補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量也不造成反饋調(diào)節(jié)（阻遏或抑制）。量也不造成反饋調(diào)節(jié)（阻遏或抑制）。如如abcde限量添加限量添加e，就會(huì)造成，就會(huì)造成c大量積累大量積累枯草芽孢桿菌的精氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型，鳥(niǎo)氨枯草芽孢桿菌的精氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型，鳥(niǎo)氨酸積累量可到到酸積累量可到到25g/l.abcfdgeabcfdge協(xié)同反饋協(xié)同反饋abcfdg

3、eabcfdgeh賴氨酸簡(jiǎn)介：賴氨酸簡(jiǎn)介：谷物中不含的必須氨基酸。谷物中不含的必須氨基酸。天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛賴氨酸賴氨酸高絲氨酸高絲氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸蘇氨酸蘇氨酸異亮異亮氨酸氨酸天冬氨酸激酶（天冬氨酸激酶（ak)反饋抑制反饋抑制反饋?zhàn)瓒舴答佔(zhàn)瓒艄劝彼岚魻顥U菌生產(chǎn)賴氨酸谷氨酸棒狀桿菌生產(chǎn)賴氨酸高絲氨酸脫氫酶高絲氨酸脫氫酶(hsdh)利用谷氨酸棒狀生產(chǎn)賴氨酸比利用大腸桿菌利用谷氨酸棒狀生產(chǎn)賴氨酸比利用大腸桿菌的優(yōu)勢(shì)：的優(yōu)勢(shì)：（1）不存在天冬氨酸激酶或天冬氨酸半）不存在天冬氨酸激酶或天冬氨酸半醛脫氫酶受阻遏的問(wèn)題；醛脫氫酶受阻遏的問(wèn)題；（2）賴氨酸分支

4、的第一和第二個(gè)酶（雙）賴氨酸分支的第一和第二個(gè)酶（雙氫吡啶二羧酸合成酶和雙氫吡啶二羧酸還原氫吡啶二羧酸合成酶和雙氫吡啶二羧酸還原酶）不受賴氨酸的抑制或阻遏；酶）不受賴氨酸的抑制或阻遏；（3）賴氨酸產(chǎn)生菌中缺少）賴氨酸產(chǎn)生菌中缺少l-賴氨酸脫羧酶。賴氨酸脫羧酶。肌苷酸生成菌株肌苷酸生成菌株prpp磷酸核糖基焦磷酸磷酸核糖基焦磷酸imp肌苷酸肌苷酸s-amp肌苷酸琥珀酸肌苷酸琥珀酸amp腺嘌呤腺嘌呤5單磷酸單磷酸xmp黃苷酸黃苷酸gmp鳥(niǎo)嘌呤鳥(niǎo)嘌呤5單磷酸單磷酸prppimps-ampampxmpgmpprpp酰氨轉(zhuǎn)移酶酰氨轉(zhuǎn)移酶抑制抑制imp脫氫酶脫氫酶s-amp合成酶合成酶肌苷酸簡(jiǎn)介：很好的高

5、效調(diào)味品，也是重要肌苷酸簡(jiǎn)介：很好的高效調(diào)味品，也是重要的工業(yè)原料。的工業(yè)原料。產(chǎn)量達(dá)產(chǎn)量達(dá)13g/l2. 滲漏缺陷型滲漏缺陷型(leaky mutant): 一種不完全遺傳障礙營(yíng)養(yǎng)缺陷型，一種不完全遺傳障礙營(yíng)養(yǎng)缺陷型，能夠自己合成某一代謝終產(chǎn)物但達(dá)不到能夠自己合成某一代謝終產(chǎn)物但達(dá)不到反饋調(diào)節(jié)的濃度，所以不會(huì)造成反饋抑反饋調(diào)節(jié)的濃度，所以不會(huì)造成反饋抑制而影響中間代謝產(chǎn)物的積累。制而影響中間代謝產(chǎn)物的積累。與營(yíng)養(yǎng)缺陷型的區(qū)別？與營(yíng)養(yǎng)缺陷型的區(qū)別？（二）抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株的應(yīng)用（二）抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株的應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)菌株：對(duì)反饋抑制作用不敏感，抗反饋調(diào)節(jié)菌株：對(duì)反饋抑制作用不敏感，或?qū)Ψ答佔(zhàn)瓒?/p>

6、有抗性，或二者兼而有之的或?qū)Ψ答佔(zhàn)瓒粲锌剐?，或二者兼而有之的菌株。菌株?？狗答佉种仆蛔兙甑墨@得途徑：抗反饋抑制突變菌株的獲得途徑：1.結(jié)構(gòu)類似物抗性突變菌株結(jié)構(gòu)類似物抗性突變菌株2.營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株?duì)I養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株獲得方法及其原理：獲得方法及其原理： 結(jié)構(gòu)類似物抗性突變菌株結(jié)構(gòu)類似物抗性突變菌株將接除了反饋抑制的突變菌株篩選出來(lái)將接除了反饋抑制的突變菌株篩選出來(lái)a某種氨基酸某種氨基酸a某種氨基酸的類似物某種氨基酸的類似物a經(jīng)過(guò)突變處理的菌株經(jīng)過(guò)突變處理的菌株極少數(shù)極少數(shù)大多大多數(shù)數(shù)目標(biāo)產(chǎn)物目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物結(jié)構(gòu)類似物賴氨酸賴氨酸s-s-（2 2氨基乙基）氨基乙基）-l-l半胱半胱

7、氨酸氨酸-(aec)-(aec)蘇氨酸蘇氨酸 - -氨基氨基- - - -羥基戊酸羥基戊酸（ahv)ahv)異亮氨酸異亮氨酸乙硫氨酸乙硫氨酸精氨酸精氨酸d-d-精氨酸精氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸對(duì)氟苯丙氨酸對(duì)氟苯丙氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株?duì)I養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株獲得方法及其原理：獲得方法及其原理：營(yíng)養(yǎng)缺陷型營(yíng)養(yǎng)缺陷型出發(fā)菌株出發(fā)菌株催化亞基基因突變催化亞基基因突變催化和調(diào)節(jié)亞基均突變催化和調(diào)節(jié)亞基均突變催化亞基回復(fù)催化亞基回復(fù)催化亞基和調(diào)節(jié)回復(fù)催化亞基和調(diào)節(jié)回復(fù)催化亞基完全回復(fù)催化亞基完全回復(fù)催化亞基未完全回復(fù)催化亞基未完全回復(fù)抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株與營(yíng)養(yǎng)突變菌株比較：抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株與營(yíng)養(yǎng)突變菌株比

8、較：1.不受培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)成分的限制，生產(chǎn)穩(wěn)定；不受培養(yǎng)基中營(yíng)養(yǎng)成分的限制，生產(chǎn)穩(wěn)定；2. 易于篩選易于篩選3.可有效防止回復(fù)突變，易于保存可有效防止回復(fù)突變，易于保存對(duì)于分支合成途徑使用抗性突變菌株要和營(yíng)對(duì)于分支合成途徑使用抗性突變菌株要和營(yíng)養(yǎng)缺陷型結(jié)合育種，才會(huì)得到更高的產(chǎn)量。養(yǎng)缺陷型結(jié)合育種，才會(huì)得到更高的產(chǎn)量。葡萄糖葡萄糖天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸磷酸高絲氨酸高絲氨酸蘇氨酸蘇氨酸ahvr甲硫氨酸甲硫氨酸met -賴氨酸賴氨酸lys-hdak反饋抑制反饋抑制反饋?zhàn)瓒舴答佔(zhàn)瓒酎S色短桿菌黃色短桿菌的蘇氨酸合的蘇氨酸合成途徑成途徑抗代謝類似物的篩選方法抗代謝類似物的篩選方法不含結(jié)構(gòu)類似

9、物不含結(jié)構(gòu)類似物含結(jié)構(gòu)類似物含結(jié)構(gòu)類似物3.抗分解阻遏突變體的應(yīng)用抗分解阻遏突變體的應(yīng)用例如：葡萄糖脯氨酸，篩選抗分解阻遏突變體例如：葡萄糖脯氨酸，篩選抗分解阻遏突變體利用葡萄糖類似物選育蔗糖酶、淀粉酶、利用葡萄糖類似物選育蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶纖維素酶4.選育組成型突變株和超產(chǎn)突變株選育組成型突變株和超產(chǎn)突變株如果調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，以至產(chǎn)生無(wú)效的阻遏物而如果調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變，以至產(chǎn)生無(wú)效的阻遏物而不能和操縱基因結(jié)合，或操縱基因突變，從而造成不能和操縱基因結(jié)合，或操縱基因突變，從而造成結(jié)構(gòu)基因不受控制的轉(zhuǎn)錄，酶結(jié)構(gòu)基因不受控制的轉(zhuǎn)錄，酶 的生成將不再需要的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物

10、或分解代謝物阻遏，這樣誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏，這樣的突變株稱為的突變株稱為 組成型突變株。少數(shù)情況下，組成組成型突變株。少數(shù)情況下，組成型突變株可產(chǎn)生大量的、比親本高的多的酶，這種型突變株可產(chǎn)生大量的、比親本高的多的酶，這種突變株稱為超產(chǎn)突變株。突變株稱為超產(chǎn)突變株。組成型突變株組成型突變株 結(jié)構(gòu)基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶結(jié)構(gòu)基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不的生成將不再需要誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏。遏。 調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變產(chǎn)生無(wú)效的阻遏物而不產(chǎn)生無(wú)效的阻遏物而不能與操縱基因結(jié)合能與操縱基因結(jié)合操縱基因突變操縱基因

11、突變突變操縱基因不突變操縱基因不能與阻遏物結(jié)合能與阻遏物結(jié)合組成型突變組成型突變5.條件致死條件致死 例如在抗生素和酶制劑生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。例如在抗生素和酶制劑生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。6.細(xì)胞膜通透性突變體的應(yīng)用細(xì)胞膜通透性突變體的應(yīng)用使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去,解除末端產(chǎn)物的反饋抑制。解除末端產(chǎn)物的反饋抑制。 1. 用生理學(xué)手段用生理學(xué)手段 直接抑制膜的合成或使膜受缺損直接抑制膜的合成或使膜受缺損 如如: 在在glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量亞適量可大量分泌可大量分泌glu；控制生物素的含量可改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜透性；控制生物素的含

12、量可改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜透性；當(dāng)培養(yǎng)液中生物素含量較高時(shí)采用當(dāng)培養(yǎng)液中生物素含量較高時(shí)采用適量添加青霉素適量添加青霉素的方法；的方法；再如：產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制因素是再如：產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制因素是mn2+； mn2+的作用與的作用與生物素相似。生物素相似。2. 利用膜缺損突變株利用膜缺損突變株 油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型、甘油缺陷型如如:用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過(guò)程中，有限制地添加油酸，用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過(guò)程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。甘油缺陷型菌

13、株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸甘油缺陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量滲漏。應(yīng)用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過(guò)量的情況下，大量滲漏。應(yīng)用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過(guò)量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。也可以獲得大量谷氨酸。7.增加有關(guān)基因的數(shù)量增加有關(guān)基因的數(shù)量增加結(jié)構(gòu)基因或操縱基因的數(shù)量增加結(jié)構(gòu)基因或操縱基因的數(shù)量 例如，例如，半乳糖苷酶、青霉素酶、氯半乳糖苷酶、青霉素酶、氯霉素轉(zhuǎn)酰氨酶等可借助含有相應(yīng)結(jié)構(gòu)基因霉素轉(zhuǎn)酰氨酶等可借助含有相應(yīng)結(jié)構(gòu)基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移給受體培養(yǎng)物來(lái)增加產(chǎn)量；利的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移給受體培養(yǎng)物來(lái)增加產(chǎn)量；利用含有對(duì)苯丙氨酸的結(jié)構(gòu)

14、基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌用含有對(duì)苯丙氨酸的結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體可使該酶產(chǎn)量增加體可使該酶產(chǎn)量增加15倍。倍。 通過(guò)操作基因與傳統(tǒng)誘變技術(shù)和代謝調(diào)通過(guò)操作基因與傳統(tǒng)誘變技術(shù)和代謝調(diào)控相結(jié)合提高產(chǎn)量?？叵嘟Y(jié)合提高產(chǎn)量。 啟動(dòng)基因的突變?cè)黾訂?dòng)基因的突變?cè)黾觬na聚合酶和聚合酶和dna的親和力，增加轉(zhuǎn)錄速率。的親和力，增加轉(zhuǎn)錄速率。（二）發(fā)酵條件的控制（二）發(fā)酵條件的控制 da b c e f(-)(-)(-)1.添加前體繞過(guò)反饋控制點(diǎn)添加前體繞過(guò)反饋控制點(diǎn)2. 添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來(lái)說(shuō)，添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來(lái)說(shuō)，最好的誘導(dǎo)劑往往不是該酶的底物，而是底最好的誘導(dǎo)劑往往不是該酶的底物，而是底

15、物的衍生物。物的衍生物。如：大腸桿菌如：大腸桿菌-半乳糖苷酶的最有效誘導(dǎo)劑半乳糖苷酶的最有效誘導(dǎo)劑是異丙酰是異丙酰-d-硫代半乳糖苷，它不被硫代半乳糖苷，它不被-半乳半乳糖苷酶分解。糖苷酶分解。 高濃度底物誘導(dǎo)劑的利用速率太快時(shí)，也高濃度底物誘導(dǎo)劑的利用速率太快時(shí)，也會(huì)引起分解代謝物的阻遏，對(duì)許多發(fā)酵生產(chǎn)會(huì)引起分解代謝物的阻遏，對(duì)許多發(fā)酵生產(chǎn)胞外酶，如果底物濃度過(guò)高，產(chǎn)量反而不高。胞外酶，如果底物濃度過(guò)高，產(chǎn)量反而不高。 有些底物類似物作為誘導(dǎo)劑，因?yàn)槔盟儆行┑孜镱愃莆镒鳛檎T導(dǎo)劑，因?yàn)槔盟俣嚷?，可以消除代謝物的阻遏，顯著提高酶度慢，可以消除代謝物的阻遏，顯著提高酶的產(chǎn)量。的產(chǎn)量。3. 發(fā)酵

16、與分離過(guò)程耦合：發(fā)酵與分離過(guò)程耦合： 在發(fā)酵過(guò)程中及時(shí)將末端代謝產(chǎn)物移在發(fā)酵過(guò)程中及時(shí)將末端代謝產(chǎn)物移走，末端代謝產(chǎn)物保持較低水平，解除反走，末端代謝產(chǎn)物保持較低水平，解除反饋調(diào)節(jié)。饋調(diào)節(jié)。 耦合手段較多，有膜分離、離子交換耦合手段較多，有膜分離、離子交換分離和萃取等。這些分離裝置應(yīng)該具有分分離和萃取等。這些分離裝置應(yīng)該具有分離效率高、抗污染、易于重復(fù)使用等特定。離效率高、抗污染、易于重復(fù)使用等特定。4. 控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分： 通過(guò)各種加料方法來(lái)限制生長(zhǎng)速率，通過(guò)各種加料方法來(lái)限制生長(zhǎng)速率，使酶生產(chǎn)去阻遏。使酶生產(chǎn)去阻遏。 通過(guò)控制生物素來(lái)增加谷氨酸產(chǎn)生菌通過(guò)控制生物素來(lái)增加谷氨酸產(chǎn)生菌細(xì)胞膜的通透性；添加青霉素抑制細(xì)胞壁細(xì)胞膜的通透性；添加青霉素抑制細(xì)胞壁后期合成，細(xì)胞壁不能形成完整的網(wǎng)狀結(jié)后期合成，細(xì)胞壁不能形成完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，引起磷脂和細(xì)胞壁成分的構(gòu)，引起磷脂和細(xì)胞壁成分的udp-n-乙乙酰己糖向外分泌使細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜酰己糖向外分泌