工业微生物代谢控制育种

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1、第八章工业微生物代谢控制育种主要内容：概论初级代谢的调节控制次级代谢的调节控制代谢控制育种代谢控制发酵大体过程如下：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，人为地控制微生物的代谢。实现代谢控制目标的手段：代谢控制育种和发酵过程的代谢控制培养，而代谢控制育种则为主要支柱技术。微生物菌体积累的发酵产物主要有酶代谢产物（酒

2、精、甘油、乳酸、丙酮、丁醇、有机酸、氨基酸、核苷酸、蛋白质、抗生素、维生素、脂肪、多糖等）这些产物中有些是某种微生物在一定的环境条件下生成的，如酒精、乳酸等；也有许多产物是生理正常的微生物不能过量积累的，必须是具有特异生理特征的微生物才能积累。人为地改变微生物的代谢调控机制，使有用的中间代谢产物过量积累，这种发酵称为代谢控制发酵。考察工业微生物发展史，可以看到经典的诱变育种具有一定盲目性，而代谢控制育种将微生物遗传学的理论与育种实践密切结合，先研究目的产物的生物合成途径、遗传控制及代谢调节机制，然后进行定向控制育种。代谢控制发酵的出现与发展，与以下几方面是密不

3、可分的：生物化学的发展，确立了代谢图谱，同时发现了代谢过程中的各种调节机制；分子生物学和分子遗传学的发展，可以人为地在DNA分子水平上改变微生物的代谢，多方面利用微生物的代谢活性；合理控制环境，采用过程控制方法，对发酵过程进行最优化控制，使目的产物大量积累。第一节概论一、初级代谢产物和初级代谢初级代谢产物——微生物产生的对自身生长和繁殖必须的物质初级代谢——产生这些物质的代谢系称为初级代谢。初级代谢体系分解代谢体系：包括糖、脂、蛋白质等物质的降解，获取能量素材性生物合成体系：合成某些小分子材料结构性生物合成体系：用小分子合成产物装配大分子。二、次级代谢产物和次

4、级代谢根据Demain的定义：“次级代谢产物是对产生它们的生物体本身不需要的一种产物”。这些物质有抗生素、生长刺激素、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1.菌体代谢方面抗生素是微生物的次级代谢产物中的一大类。微生物的初级代谢与次级代谢既有区别，又有联系。许多抗生素的基本结构是由少数几种初级代谢产物构成的，所以次级代谢产物是以初级代谢产物为母体衍生出来的，次级代谢途径并不是独立的，而是与初级代谢途径有密切关系的。糖代谢中间体，既可用来合成初级代谢产物，又可用来合成次级代谢产物

5、，这种中间体叫做分支(叉)中间体。分叉中间体初级代谢产物次级代谢产物α-氨基己二糖丙二酰CoA乙酰CoA赖氨酸脂肪酸青霉素、头孢菌素利福霉素族、四环素族大环内酯族、多烯族抗生素、灰黄霉素、橘霉素、环己酰亚胺、棒曲霉素莽草酸对氨基苯丙氨酸苯丙氨酸酪氨酸、对氨基苯甲酸、色氨酸氯霉素绿脓菌素新生霉素次级代谢产物的合成，至少有一部分取决于与初级代谢产物无关的遗传物质，并和由这类遗传物质形成的酶所催化的代谢途径有关，它们多数是特异菌株。从代谢途径来看，次级代谢产物是以初级代谢产物为前体衍生出来的，见下图。脂肪酸（nC3、nC2）葡萄糖（C6）丙糖—P丙酮酸（C3）（C3

6、）乙酰CoA（C2）柠檬酸（C6）草酰乙酸α-酮戊二酸（C5）CO2CO2谷氨酸（C5N）次级代谢产物戊糖（C5）氨基糖苷类抗生素糖苷类多糖核苷核苷类抗生素丝氨酸（C3N）甘氨酸（C2N）半胱氨酸次级代谢物丁糖（C4）莽草酸（C7）芳香族氨基酸次级代谢产物芳香族次级代谢产物缬氨酸（C5N）生物甲基化次级代谢产物C1丙氨酸（C3N）甲羟戊酸（C3）焦磷酸异戊酯（C3）CO2萜甾体甾体（6C5）丙二酸（C3）CO2CO2CO2聚酮体次级代谢产物天冬氨酸（C4N）（nC2）葡萄糖分解代谢的主要途径初级代谢的合成过程图—从碳代谢流看初级代谢与次级代谢由初级代谢产物衍生

7、的次级代谢产物的生物合成途径有七种。在这些次级代谢途径中所涉及的酶有的是初级代谢酶，有的是次级代谢所特有的酶。初级代谢与次级代谢都受菌体的代谢调节，在调节控制上是相互影响的，当与抗生素合成有关的初级代谢途径受到控制时，抗生素的生物合成必然受阻。葡萄糖碳架参入途径莽草酸途径与核苷有关的途径聚酮糖和聚丙酸途径由氨基酸衍生的途径甲羟戊酸途径其他复合途径综上所述，在代谢途径、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。因此，在研究次级代谢时，必须与初级代谢联系起来考虑。2.遗传代谢方面初级代谢与次级代谢同样都受到核内DNA的调节控制,而次级代谢产物还受到与初

8、级代谢产物合成无关的遗传物质的控制,即