工业微生物代谢调控育种

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1、第七章工业微生物代谢控制育种第一节概论第二节初级代谢调控第三节次级代谢调控第四节代谢调节控制育种第一节概论以生物化学和遗传学为基础。研究代谢产物的生物合成途径和代谢调节的机制，选择巧妙的技术路线，通过遗传育种技术获得解除或绕过了微生物正常代谢途径的突变株从而人为地使有用产物选择性地大量合成和累积。代谢控制发酵的关键，取决于微生物代谢调控机制是否能够被解除，能否打破微生物正常的代谢调节，人为控制微生物的代谢。一、初级代谢产物和初级代谢初级代谢产物又可分为中间产物和终产物，但这种定义往往是相对的.二、次级代谢产物和次级代谢这些物质有抗生素、生长刺激

2、素、生物碱、色素、毒素以及甾体等。通常把以初级代谢产物为前体，合成次生产物的代谢体系称为次级代谢。三、初级代谢与次级代谢的关系在生化代谢途径、酶系关系以及调控上，次级代谢与初级代谢都有着密切关系。从遗传代谢观点看，初级代谢与次级代谢同样受到核内DNA的调节控制。所不同的是，次级代谢产物还受到与初级代谢产物生物合成无关的遗传物质控制即受到核内遗传物质和核外遗传物质（质粒）的控制。因此，两者在遗传控制上，既有相同的部分，也有不同的部分。代谢调节控制育种:通过特定突变型的选育，达到改变代谢通路、降低支路代谢终产物的产生或切断支路代谢途径及提高细胞膜的透

3、性，使代谢流向目的产物积累方向进行。第二节初级代谢的调节控制它包括两个方面，一是调节酶的合成量，二是调节现成酶分子的催化活力（反馈抑制）。一、酶合成的调节（一）酶合成调节的类型1．诱导酶划分成组成酶和诱导酶两类。2．阻遏阻遏的类型主要：末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。（二）酶合成调节的机制提出的操纵子便说可能较好地解释酶合成的诱导和阻遏现象。乳糖代谢基因表达调控图解：(没有乳糖时)ＲＰＯlacZlacYlacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶信使RNA转录翻译阻抑物与操纵基因结合，结构基因转录受阻．阻抑物乳糖代谢基因表达调控图解

4、：(有乳糖时)ＲＰＯlacZlacYlacA调节基因启动子操纵基因结构基因RNA聚合酶信使RNA转录翻译阻抑物与乳糖结合后构象发生了改变，因而不能与操纵基因结合，使得结构基因进行转录。阻抑物乳糖转录半乳糖苷酶酶酶乳糖分解代谢调控过程是一个自我调控过程二、酶活性的调节（一）反馈抑制的类型1．直线式代谢途径中的反馈抑制2．分支代谢途径中的反馈抑制优先合成：分支途径中一个终产物优先被合成，浓度过量后，抑制自身合成途径，使代谢转向合成另一个终产物、例如黄色通杆菌优先合成谷氨酸，当谷氨酸过量后，使代谢转向合成天冬氨酸。协同反馈抑制合作反馈抑制积累反馈抑制同

5、工酶调节：顺序反馈抑制（二）反馈抑制的机制三、反馈抑制和反馈阻遏的比较第三节次级代谢的调节控制初级代谢和次级代谢都受到菌体代谢调节，由于它的代谢途径是相互交错的，所以在调节控制是相互影晌的。例:抗生素的生物合成途径中反馈调节作用包括：一方面，抗生素本身积累就能起反馈调节作用，另一方面，初级代谢产物作为抗生素合成的前体，当其受到反馈调节时，必然会影响抗生素的合成。一、次级代谢产物的诱导调解两种方式进行：(1)诱导物→刺激影响初级代谢造成代谢流的改变→大量生成次生代谢物；(2)诱导物→次生代谢物合成酶的合成→大量生产次生代谢物。例如色氨酸对麦角碱的作

6、用如蛋氨酸能提高头孢霉素C的产量的诱导剂二、次级代谢产物碳源分解调节20世纪40年代初期就发现，青霉素发酵过程中，虽然葡萄糖被菌体利用最快，但对青霉素合成并不适宜。而乳糖利用虽然较慢，却能提高青霉素产量。不同的碳源对次级代谢产物积累的作用是不一样的,一般认为速效碳源都比较差.例:积累头孢菌素c抗生素比产率递减顺序为蔗糖＞半乳糖＞果糖＞麦芽糖＞葡萄糖三、次级代谢产物氮源分解调节氮源分解调节是类似于碳源分解一类的分解阻遏方式。它主要指含氮底物的酶（如蛋白酶。硝酸还原酶、酰胺酶、组氨酸酶和脲酶）的合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。在次级代谢中。氮分

7、解代谢产物阻遏作用是确实存在的。例:阿维菌素的产生四、次级代谢反馈调节（一）次级代谢自身产物的反馈调节抑制特定产生菌合成抗生素所需浓度与生产水平具有相关性，一般产生菌产量高，对自身抗生素的耐受力强，反之则超敏感。（二）分支代谢中初级代谢物的反馈调节对次级代谢的影响第一方式：次级途径和初级途径具育共同的分叉中间体，由分叉中间体产生的初级代谢终产物的反馈调节可能影响次级代谢产物的形成。第二种方式：在抗生素生物合成途径中，初级代的终产物作为前体合成次生产物。由于这些终产物受初级代谢反馈调节，而也必然影响到后面的抗生素的合成，外源前体也将导致反馈调节。五

8、、磷酸盐的调节磷酸盐不但是菌体生长的主要限制性营养成分，还是调节抗生素生物合成的重要因子。已发现过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多烯大环