代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用課件

4.3代謝的人工控制及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)發(fā)酵的目的：大量積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。代謝的人工控制：人為地打破微生物的代謝控制體系，使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行。人工控制代謝的手段：改變微生物遺傳特性(遺傳學(xué)方法）；控制發(fā)酵條件（生物化學(xué)方法）；改變細(xì)胞膜透性；工業(yè)發(fā)酵的目的——大量地積累人們所需要的微生物代謝產(chǎn)物。在正常生理?xiàng)l件下微生物通過其代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)吸收利用營養(yǎng)物質(zhì)用于合成細(xì)胞結(jié)構(gòu)，進(jìn)行生長和繁殖，它們通常不浪費(fèi)原料和能量，也不積累中間代謝產(chǎn)物代謝的人工控制人為地打破微生物的代謝控制體系，就有可能使代謝朝著人們希望的方向進(jìn)行（1）對于直線式代謝途徑：選育營養(yǎng)缺陷性突變株只能積累中間代謝產(chǎn)物

AaBbCcDdE

4.3.1.1營養(yǎng)缺陷型菌株的應(yīng)用

末端產(chǎn)物E對生長乃是必需的，所以，應(yīng)在培養(yǎng)基中限量供給E，使之足以維持菌株生長，但又不至于造成反饋調(diào)節(jié)（阻遏或抑制），這樣才能有利于菌株積累中間產(chǎn)物C。4.3.1.遺傳學(xué)方法各圖成立的條件：1.限量添加E；2.限量添加E；3.限量添加E和G；4.限量添加E和G；5.限量添加I“┄”表示營養(yǎng)缺陷突變位置；“≠”表示反饋調(diào)節(jié)解除要根據(jù)其不同反饋控制機(jī)制谷氨酸棒桿菌的代謝調(diào)節(jié)與賴氨酸生產(chǎn)E：表示反饋抑制；R：表示反饋?zhàn)瓒?/p>

高絲氨酸脫氫酶（HSDH）天冬氨酸激酶（AK)賴氨酸生產(chǎn)菌:高絲氨酸缺陷型分支途徑——①

賴氨酸發(fā)酵:谷氨酸棒桿菌的Hom–4.3.1.2抗反饋控制突變株的應(yīng)用★抗反饋控制突變株——是指對反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐?，或兩者兼有之的菌株。★抗反饋控制突變株可以從終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株和營養(yǎng)缺陷性回復(fù)突變株中獲得?！铽@得方法及其原理：目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物賴氨酸S-（2氨基乙基）-L半胱氨酸-(AEC)蘇氨酸-氨基--羥基戊酸（AHV)異亮氨酸乙硫氨酸精氨酸D-精氨酸苯丙氨酸對氟苯丙氨酸營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株調(diào)節(jié)酶的變構(gòu)特性是由其結(jié)構(gòu)基因決定的，如果調(diào)節(jié)酶的基因發(fā)生突變而失活，則有兩種可能性：一是催化亞基和調(diào)節(jié)亞基的基因均發(fā)生突變；另一種可能僅僅是催化亞基發(fā)生突變。一是催化亞基和調(diào)節(jié)亞基恢復(fù)到第一次突變前的活性水平。如果前者發(fā)生回復(fù)突變，則又有兩種可能性另一種是催化亞基得以恢復(fù)，而調(diào)節(jié)亞基喪失了調(diào)節(jié)的功能。營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變組成型突變株結(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)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏。調(diào)節(jié)基因發(fā)生突變產(chǎn)生無效的阻遏物而不能與操縱基因結(jié)合操縱基因突變突變操縱基因不能與阻遏物結(jié)合組成型突變DABCEF4.3.2生物化學(xué)方法1.添加前體繞過反饋控制點(diǎn)：亦能使某種代謝產(chǎn)物大量產(chǎn)生(-)(-)(-)2.添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來說，最好的誘導(dǎo)劑往往不是該酶的底物，而是底物的衍生物，3.發(fā)酵與分離過程耦合：4.控制發(fā)酵的培養(yǎng)基成分：4.3.2控制細(xì)胞膜滲透性使胞內(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。(1).用生理學(xué)手段——直接抑制膜的合成或使膜受缺損如:在Glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌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；當(dāng)培養(yǎng)液中生物素含量較高時采用適量添加青霉素的方法；再如：產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制因素是Mn2+；Mn2+的作用與生物素相似。(2).利用膜缺損突變株——油酸缺陷型、甘油缺陷型如:用谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過程中，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。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量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。5、微生物次級代謝與次級代謝產(chǎn)物5.1、次級代謝與次級代謝產(chǎn)物一類與生物生存有關(guān)的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。初級代謝：微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級代謝。某些生物為了避免在初級代謝過程某種中間產(chǎn)物積累所造成的不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型?？梢哉J(rèn)為是某些生物在一定條件下通過突變獲得的一種適應(yīng)生存的方式。通過次級代謝合成的產(chǎn)物通常稱為次級代謝產(chǎn)物，大多是分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物。根據(jù)其作用，可將其分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。次級代謝：初級代謝與初級代謝的關(guān)系：初級代謝系統(tǒng)、代謝途徑和初級代謝產(chǎn)物在各類生物中基本相同。它是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。(1)存在范圍及產(chǎn)物類型不同象病毒這類非細(xì)胞生物雖然不具備完整的初級代謝系統(tǒng)，但它們?nèi)跃哂胁糠值某跫壌x系統(tǒng)和具有利用宿主代謝系統(tǒng)完成本身的初級代謝過程的能力。次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，就是同種生物也會由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。例如某些青霉、芽孢桿菌和黑曲霉在一定的條件下可以分別合成青霉素、桿菌肽和檸檬酸等次級代謝產(chǎn)物。不同的微生物可產(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物相同的微生物在不同條件下產(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物用于青霉菌的二種培養(yǎng)基：Raulin培養(yǎng)基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸銨0.27%、磷酸氫二銨0.04%、硫酸鎂0.027%硫酸銨0.017%、硫酸鋅0.005%、硫酸亞鐵0.005%Czapek——Dox培養(yǎng)基：葡萄糖5%、硝酸納0.2%、磷酸氫二鉀0.1%、氯化鉀0.05%、硫酸鎂0.05%、硫酸亞鐵0.001%灰黃青素在Czapek——Dox培養(yǎng)基上培養(yǎng)時可以合成灰黃霉素，在Raulin培養(yǎng)基上培養(yǎng)時則合成褐菌素（fulvicacid）；Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M的鋅離子的Czapek——Dox培養(yǎng)基里培養(yǎng)時合成的主要次級代謝產(chǎn)物是6-氨基水楊酸，但在含0.5×10-6M的鋅離子的Czapek——Dox培養(yǎng)基里培養(yǎng)時不合成6-氨基水楊酸，但可以合成大量的龍膽醇、甲基醌醇和棒曲霉素。產(chǎn)黃青霉在在Raulin中培養(yǎng)時可以合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。次級代謝產(chǎn)物雖然也是從少數(shù)幾種初級代謝過程中產(chǎn)生的中間體或代謝產(chǎn)物衍生而來，但它的骨架碳原子的數(shù)量和排列上的微小變化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導(dǎo)致產(chǎn)生各種各樣的次級代謝產(chǎn)物，并且每種類型的次級代謝產(chǎn)物往往是一群化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有4種，桿菌肽、多粘菌素分別有有10多種，而放線菌素有20多種等。初級代謝與初級代謝的關(guān)系：(1)、存在范圍及產(chǎn)物類型不同(2)、對產(chǎn)生者自身的重要性不同(3)、同微生物生長過程的關(guān)系明顯不同初級代謝自始至終存在于一切生活的機(jī)體中，同機(jī)體的生長過程呈平行關(guān)系；次級代謝則是在機(jī)體生長的一定時期內(nèi)（通常是微生物的對數(shù)生長期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機(jī)體的生長不呈平行關(guān)系，一般可明顯地表現(xiàn)為機(jī)體的生長期和次級代謝產(chǎn)物形成期二個不同的時期。初級代謝與初級代謝的關(guān)系：(1)、存在范圍及產(chǎn)物類型不同(2)、對產(chǎn)生者自身的重要性不同(3)、同微生物生長過程的關(guān)系明顯不同(4)、對環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性上明顯不同初級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件的變化敏感性小（即遺傳穩(wěn)定性大），而次級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件變化很敏感，其產(chǎn)物的合成往往因環(huán)境條件變化而停止。初級代謝與初級代謝的關(guān)系：1、存在范圍及產(chǎn)物類型不同2、對產(chǎn)生者自身的重要性不同3、同微生物生長過程的關(guān)系明顯不同4、對環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性上明顯不同(5)、相關(guān)酶的專一性不同相對來說催化初級代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強(qiáng)，催化次級代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強(qiáng)，因此在某種次級代謝產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基中加入不同的前體物時，往往可以導(dǎo)致機(jī)體合成不同類型的次級代謝產(chǎn)物，另外，催化次級代謝產(chǎn)物合成的酶往往是一些誘導(dǎo)酶，