[生物学]第八章 工业微生物代谢控制育种.ppt

代谢控制发酵大体过程如下： 微生物菌体 积累的发酵产物主要有 酶 代谢产物 （酒精、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） 第一节 概 论 一、酶合成的调节 通过调节酶合成量进而调节代谢速率，是在基因水平上（原核生物中转录水平）的代谢调节特点：间接缓慢、节约能量和原料 酶合成调节 诱导酶合成 阻遏酶合成 酶合成调节的类型 诱导：当环境中存在诱导物（底物及类似物、底物前体）时，促进酶合成，诱导方式有同时诱导、顺序诱导 阻遏：过量代谢产物阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而控制代谢，减少末端产物的合成 乳糖操纵子的调节 色氨酸操纵子的反馈阻遏 （1）同功酶调节——isoenzyme 定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。 意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。——某一产物过量仅抑制相应酶活性，对其他产物没影响。 举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节 一、组成型突变株的选育 3. 分解代谢产物的调节控制 葡萄糖效应（分解产物阻遏）：在含有葡萄糖和第二种碳源的培养基中，葡萄糖首先被利用，抑制抗生素的生物合成，只有在葡萄糖耗尽时，利用第二种碳源（如半乳糖）所需的酶开始合成，并解除对抗生素生物合成的抑制。此外，甘露糖、甘油也呈现明显的阻遏作用。 4. 磷酸盐的调节 高浓度磷酸盐对许多抗生素合成具有阻遏和抑制作用。高浓度磷酸盐只长菌体而不合成抗生素；但磷酸盐太少时，菌体生长不够，也不利于合成抗生素。因此，发酵工艺上要严格控制“亚适量”的磷酸盐浓度。 5. NH4＋的抑制作用 在抗生素发酵中，供给高浓度的容易被利用的无机氨态氮或其他迅速被利用的氮源，由于它们促进生长，而强烈抑制抗生素的合成。 6. 初级代谢调节对次级代谢的作用 许多次级代谢产物来自初级代谢的关键中间体，因此次级代谢也就受初级代谢调节的影响。 7. 次级代谢的反馈抑制（或阻遏） 许多抗生素能阻止自身的合成。 8. 次级代谢的能荷调节 能荷调节机制对次级代谢途径的控制也是有效的。 第四节 代谢调节控制育种 从工业微生物育种史来看，诱变育种曾取得了巨大的成就，使微生物有效产物成百倍、乃致成千倍的增加。但是诱变育种工作量繁重，盲目性大。 近年来由于应用生物化学和遗传学原理，深入研究了生物合成代谢途径以及代谢调节控制的基础理论： （1）可进行外因控制，通过培养条件来解除反馈调节而使生物合成的途径朝着人们所希望的方向进行，即实现代谢控制发酵； （2）还可进行内因改变，通过定向选育某种特定的突变株，以达到大量积累有益产物的目的，即所谓代谢控制育种。 内因是变化的根据，所以改变微生物的遗传型往往是控制代谢的更为有效的途径。 代谢控制育种可以大大减少传统育种的盲目性，提高了效率。 代谢控制育种很快在初级代谢产物的育种中得到广泛的应用，成就也十分显赫，几乎全部氨基酸和多种核苷酸生产菌株都被打上了抗性或缺陷型遗传标记。 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性，使代谢流向目的产物积累方向进行。 下表列出微生物代谢控制育种措施 10.营养缺陷型突变株的选育 生物素缺陷型 油酸缺陷型 甘油缺陷型 11.温敏突变株 细胞膜渗透性 3.营养缺陷型突变株的选育 4.渗漏型缺陷型突变株的选育 5.回复突变株的选育 6.耐自身代谢产物的突变株的选育 7.抗终产物结构类似物的突变株的选育 8.耐前体物突变株的选育 9.条件突变株的选育 反馈阻遏 反馈抑制 1.组成型突变株的选育 2.抗分解调节突变株的选育 解除碳源分解调节突变株的选育 解除氮源分解调节突变株的选育 解除磷酸盐调节突变株的选育 诱导 分解阻遏 分解抑制 育种措施 调节体系 组成型突变株：在没有诱导底物存在时也能产生大量诱导酶的突变株。 筛选原理：通过诱变处理，使调节基因发生突变，不产生有活性的阻遏蛋白，或者操纵基因发生突变不再能与阻遏物相结合，从而使诱导型酶变为组成型酶。 * 筛选方法及实例： 创造一种有利于组成型菌株生长而不利于诱导型菌株生长的培养条件，造成对组成型突变株的选择优势； 选择适当的鉴别培养基，直接在平板上识别两类菌落，从而把组成型突变株选择出来。 * 限量诱导物恒化培养法 控制低于诱导浓度的诱导物作碳源进行恒化连续培养。诱导型菌株生长极弱，而变异株由于能产分解底物的酶，则能分解底物而得以生长。通过连续不断加入新鲜基质，野生型就会被“洗出”