代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用

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1、4.3代谢的人工控制及其在发酵工业中的应用工业发酵的目的：大量积累人们所需要的微生物代谢产物。代谢的人工控制：人为地打破微生物的代谢控制体系，使代谢朝着人们希望的方向进行。人工控制代谢的手段：改变微生物遗传特性(遗传学方法）；控制发酵条件（生物化学方法）；改变细胞膜透性；工业发酵的目的——大量地积累人们所需要的微生物代谢产物。在正常生理条件下微生物通过其代谢调节系统吸收利用营养物质用于合成细胞结构，进行生长和繁殖，它们通常不浪费原料和能量，也不积累中间代谢产物代谢的人工控制人为地打破微生物的代谢控制体系，就有可

2、能使代谢朝着人们希望的方向进行（1）对于直线式代谢途径：选育营养缺陷性突变株只能积累中间代谢产物AaBbCcDdE4.3.1.1营养缺陷型菌株的应用末端产物E对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给E，使之足以维持菌株生长，但又不至于造成反馈调节（阻遏或抑制），这样才能有利于菌株积累中间产物C。4.3.1.遗传学方法(2)分支代谢途径：情况较复杂，可利用营养缺陷性克服协同或累加反馈抑制积累末端产物，亦可利用双重缺陷发酵生产中间产物ABCDEFG各图成立的条件：1.限量添加E；2.限量添加E；3.限量添加E和

3、G；4.限量添加E和G；5.限量添加I“┄”表示营养缺陷突变位置；“≠”表示反馈调节解除要根据其不同反馈控制机制谷氨酸棒杆菌的代谢调节与赖氨酸生产E：表示反馈抑制；R：表示反馈阻遏高丝氨酸脱氢酶（HSDH）天冬氨酸激酶（AK)赖氨酸生产菌:高丝氨酸缺陷型分支途径——①赖氨酸发酵:谷氨酸棒杆菌的Hom–分支途径——②肌苷酸发酵（IMP合成途径的代谢调控）调控理论的实践应用4.3.1.2抗反馈控制突变株的应用★抗反馈控制突变株——是指对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性，或两者兼有之的菌株。★抗反馈控制突变株可以从终产

4、物结构类似物抗性突变株和营养缺陷性回复突变株中获得。★获得方法及其原理：目标产物结构类似物赖氨酸S-（2氨基乙基）-L半胱氨酸-(AEC)苏氨酸-氨基--羟基戊酸（AHV)异亮氨酸乙硫氨酸精氨酸D-精氨酸苯丙氨酸对氟苯丙氨酸营养缺陷型回复突变株调节酶的变构特性是由其结构基因决定的，如果调节酶的基因发生突变而失活，则有两种可能性：一是催化亚基和调节亚基的基因均发生突变；另一种可能仅仅是催化亚基发生突变。一是催化亚基和调节亚基恢复到第一次突变前的活性水平。如果前者发生回复突变，则又有两种可能性另一种是催化亚基得

5、以恢复，而调节亚基丧失了调节的功能。营养缺陷型回复突变4.3.1.3选育组成型突变株和超产突变株如果调节基因发生突变，以至产生无效的阻遏物而不能和操纵基因结合，或操纵基因突变，从而造成结构基因不受控制的转录，酶的生成将不再需要诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏，这样的突变株称为组成型突变株。少数情况下，组成型突变株可产生大量的、比亲本高的多的酶，这种突变株称为超产突变株。组成型突变株结构基因不受控制地转录，酶的生成将不再需要诱导剂或不再被末端产物或分解代谢物阻遏。调节基因发生突变产生无效的阻遏物而不能与操纵

6、基因结合操纵基因突变突变操纵基因不能与阻遏物结合组成型突变DABCEF4.3.2生物化学方法1.添加前体绕过反馈控制点：亦能使某种代谢产物大量产生(-)(-)(-)2.添加诱导剂：从提高诱导酶合成量来说，最好的诱导剂往往不是该酶的底物，而是底物的衍生物，3.发酵与分离过程耦合：4.控制发酵的培养基成分：4.3.2控制细胞膜渗透性使胞内的代谢产物迅速渗漏出去,解除末端产物的反馈抑制。(1).用生理学手段——直接抑制膜的合成或使膜受缺损如:在Glu发酵中把生物素浓度控制在亚适量可大量分泌Glu；控制生物素的含量可改

7、变细胞膜的成分，进而改变膜透性；当培养液中生物素含量较高时采用适量添加青霉素的方法；再如：产氨短杆菌的核苷酸发酵中控制因素是Mn2+；Mn2+的作用与生物素相似。(2).利用膜缺损突变株——油酸缺陷型、甘油缺陷型如:用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型，培养过程中，有限制地添加油酸，合成有缺损的膜，使细胞膜发生渗漏而提高谷氨酸产量。甘油缺陷型菌株的细胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易造成谷氨酸大量渗漏。应用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸过量的情况下，也可以获得大量谷氨酸。控制细胞膜的通透性生物素是脂肪酸生物合成中乙酰C

8、oA羧化酶的辅基，该酶催化乙酰CoA的羧化生成丙二酸单酰CoA，进而合成细胞膜磷脂的主要成分脂肪酸只要控制生物素的含量就可以改变细胞膜的成分，进而改变膜的通透性，影响到代谢产物的分泌。甘油缺陷型菌株添加适量的青霉素油酸缺陷型菌株5、微生物次级代谢与次级代谢产物5.1、次级代谢与次级代谢产物一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。初级代谢：微生物从