第六章微生物發(fā)酵機(jī)理2ppt課件

1、第四節(jié)代謝調(diào)理的人工控制第四節(jié)代謝調(diào)理的人工控制微生物的正常代謝不會使代謝產(chǎn)物微生物的正常代謝不會使代謝產(chǎn)物過量積累，發(fā)酵目的是盡能夠多地積累過量積累，發(fā)酵目的是盡能夠多地積累代謝產(chǎn)物，以此必需突破微生物的代謝代謝產(chǎn)物，以此必需突破微生物的代謝調(diào)理機(jī)制，使代謝產(chǎn)物大量積累。調(diào)理機(jī)制，使代謝產(chǎn)物大量積累。方法方法改動(dòng)微生物的遺傳學(xué)特性改動(dòng)微生物的遺傳學(xué)特性控制發(fā)酵條件控制發(fā)酵條件一改動(dòng)微生物的遺傳學(xué)特性一改動(dòng)微生物的遺傳學(xué)特性一一.營養(yǎng)缺陷型和浸透缺陷型突變菌株的運(yùn)用營養(yǎng)缺陷型和浸透缺陷型突變菌株的運(yùn)用1.營養(yǎng)缺陷型：原菌株由于發(fā)生突變，致營養(yǎng)缺陷型：原菌株由于發(fā)生突變，致使代謝途徑中某一步驟發(fā)

2、生缺陷，從而喪使代謝途徑中某一步驟發(fā)生缺陷，從而喪失了合成某種物質(zhì)的才干，必需在培育基失了合成某種物質(zhì)的才干，必需在培育基中外源補(bǔ)加該營養(yǎng)物質(zhì)才干正常生長的突中外源補(bǔ)加該營養(yǎng)物質(zhì)才干正常生長的突變菌株。變菌株。在培育過程中我們可以控制補(bǔ)加營養(yǎng)物質(zhì)的在培育過程中我們可以控制補(bǔ)加營養(yǎng)物質(zhì)的量也不呵斥反響調(diào)理阻遏或抑制。量也不呵斥反響調(diào)理阻遏或抑制。如如ABCDE限量添加限量添加E，就會呵斥，就會呵斥C大量積累大量積累枯草芽孢桿菌的精氨酸營養(yǎng)缺陷型，鳥氨枯草芽孢桿菌的精氨酸營養(yǎng)缺陷型，鳥氨酸積累量可到到酸積累量可到到25g/L.ABCFDGEABCFDGE協(xié)同反響協(xié)同反響ABCFDGEABCFDGE

3、H賴氨酸簡介：賴氨酸簡介：谷物中不含的必需氨基酸。谷物中不含的必需氨基酸。天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸半醛天冬氨酸半醛賴氨酸賴氨酸高絲氨酸高絲氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸蘇氨酸蘇氨酸異亮異亮氨酸氨酸天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶AK)反響抑制反響抑制反響阻遏反響阻遏谷氨酸棒狀桿菌消費(fèi)賴氨酸谷氨酸棒狀桿菌消費(fèi)賴氨酸高絲氨酸脫氫酶高絲氨酸脫氫酶(HSDH)利用谷氨酸棒狀消費(fèi)賴氨酸比利用大腸桿菌利用谷氨酸棒狀消費(fèi)賴氨酸比利用大腸桿菌的優(yōu)勢：的優(yōu)勢：1不存在天冬氨酸激酶或天冬氨酸半不存在天冬氨酸激酶或天冬氨酸半醛脫氫酶受阻遏的問題；醛脫氫酶受阻遏的問題；2賴氨酸分支的第一和第二個(gè)酶雙賴氨酸分支的

4、第一和第二個(gè)酶雙氫吡啶二羧酸合成酶和雙氫吡啶二羧酸復(fù)原氫吡啶二羧酸合成酶和雙氫吡啶二羧酸復(fù)原酶不受賴氨酸的抑制或阻遏；酶不受賴氨酸的抑制或阻遏；3賴氨酸產(chǎn)生菌中短少賴氨酸產(chǎn)生菌中短少L-賴氨酸脫羧酶。賴氨酸脫羧酶。肌苷酸生成菌株肌苷酸生成菌株P(guān)RPP磷酸核糖基焦磷酸磷酸核糖基焦磷酸IMP肌苷酸肌苷酸S-AMP肌苷酸琥珀酸肌苷酸琥珀酸AMP腺嘌呤腺嘌呤5單磷酸單磷酸XMP黃苷酸黃苷酸GMP鳥嘌呤鳥嘌呤5單磷酸單磷酸PRPPIMPS-AMPAMPXMPGMPPRPP酰氨轉(zhuǎn)移酶酰氨轉(zhuǎn)移酶抑制抑制IMP脫氫酶脫氫酶S-AMP合成酶合成酶肌苷酸簡介：很好的高效調(diào)味品，也是重要肌苷酸簡介：很好的高效調(diào)味品

5、，也是重要的工業(yè)原料。的工業(yè)原料。產(chǎn)量達(dá)產(chǎn)量達(dá)13g/L2. 滲漏缺陷型滲漏缺陷型(leaky mutant): 一種不完全遺傳妨礙營養(yǎng)缺陷型，一種不完全遺傳妨礙營養(yǎng)缺陷型，可以本人合成某一代謝終產(chǎn)物但達(dá)不到可以本人合成某一代謝終產(chǎn)物但達(dá)不到反響調(diào)理的濃度，所以不會呵斥反響抑反響調(diào)理的濃度，所以不會呵斥反響抑制而影響中間代謝產(chǎn)物的積累。制而影響中間代謝產(chǎn)物的積累。與營養(yǎng)缺陷型的區(qū)別？與營養(yǎng)缺陷型的區(qū)別？二抗反響調(diào)理突變菌株的運(yùn)用二抗反響調(diào)理突變菌株的運(yùn)用抗反響調(diào)理菌株：對反響抑制造用不敏感，抗反響調(diào)理菌株：對反響抑制造用不敏感，或?qū)Ψ错懽瓒粲锌剐?，或二者兼而有之的或?qū)Ψ错懽瓒粲锌剐?，或二者兼?/p>

6、有之的菌株。菌株?？狗错懸种仆蛔兙甑墨@得途徑：抗反響抑制突變菌株的獲得途徑：1.構(gòu)造類似物抗性突變菌株構(gòu)造類似物抗性突變菌株2.營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株?duì)I養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株獲得方法及其原理：獲得方法及其原理： 構(gòu)造類似物抗性突變菌株構(gòu)造類似物抗性突變菌株將接除了反響抑制的突變菌株挑選出來將接除了反響抑制的突變菌株挑選出來A某種氨基酸某種氨基酸A某種氨基酸的類似物某種氨基酸的類似物A經(jīng)過突變處置的菌株經(jīng)過突變處置的菌株極少數(shù)極少數(shù)大多大多數(shù)數(shù)目標(biāo)產(chǎn)物目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物結(jié)構(gòu)類似物賴氨酸賴氨酸S-S-（2 2氨基乙基）氨基乙基）-L-L半胱半胱氨酸氨酸-(AEC)-(AEC)蘇氨酸蘇氨酸 - -氨

7、基氨基- - - -羥基戊酸羥基戊酸（AHV)AHV)異亮氨酸異亮氨酸乙硫氨酸乙硫氨酸精氨酸精氨酸D-D-精氨酸精氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸對氟苯丙氨酸對氟苯丙氨酸營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株?duì)I養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變菌株獲得方法及其原理：獲得方法及其原理：營養(yǎng)缺陷型營養(yǎng)缺陷型出發(fā)菌株出發(fā)菌株催化亞基基因突變催化亞基基因突變催化和調(diào)理亞基均突變催化和調(diào)理亞基均突變催化亞基回復(fù)催化亞基回復(fù)催化亞基和調(diào)理回復(fù)催化亞基和調(diào)理回復(fù)催化亞基完全回復(fù)催化亞基完全回復(fù)催化亞基未完全回復(fù)催化亞基未完全回復(fù)抗反響調(diào)理突變菌株與營養(yǎng)突變菌株比較：抗反響調(diào)理突變菌株與營養(yǎng)突變菌株比較：1.不受培育基中營養(yǎng)成分的限制，消費(fèi)穩(wěn)定；不受培育

8、基中營養(yǎng)成分的限制，消費(fèi)穩(wěn)定；2. 易于挑選易于挑選3.可有效防止回復(fù)突變，易于保管可有效防止回復(fù)突變，易于保管對于分支合成途徑運(yùn)用抗性突變菌株要和營對于分支合成途徑運(yùn)用抗性突變菌株要和營養(yǎng)缺陷型結(jié)合育種，才會得到更高的產(chǎn)量。養(yǎng)缺陷型結(jié)合育種，才會得到更高的產(chǎn)量。葡萄糖葡萄糖天冬氨酸天冬氨酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸磷酸高絲氨酸高絲氨酸蘇氨酸蘇氨酸AHVr甲硫氨酸甲硫氨酸Met -賴氨酸賴氨酸Lys-HDAK反響抑制反響抑制反響阻遏反響阻遏黃色短桿菌黃色短桿菌的蘇氨酸合的蘇氨酸合成途徑成途徑抗代謝類似物的挑選方法抗代謝類似物的挑選方法不含構(gòu)造類似物不含構(gòu)造類似物含構(gòu)造類似物含構(gòu)造類似物3.抗分解阻遏

9、突變體的運(yùn)用抗分解阻遏突變體的運(yùn)用例如：葡萄糖脯氨酸，挑選抗分解阻遏突變體例如：葡萄糖脯氨酸，挑選抗分解阻遏突變體利用葡萄糖類似物選育蔗糖酶、淀粉酶、利用葡萄糖類似物選育蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶纖維素酶4.選育組成型突變株和超產(chǎn)突變株選育組成型突變株和超產(chǎn)突變株假設(shè)調(diào)理基因發(fā)生突變，以致產(chǎn)生無效的阻遏物而假設(shè)調(diào)理基因發(fā)生突變，以致產(chǎn)生無效的阻遏物而不能和支配基因結(jié)合，或支配基因突變，從而呵斥不能和支配基因結(jié)合，或支配基因突變，從而呵斥構(gòu)造基因不受控制的轉(zhuǎn)錄，酶構(gòu)造基因不受控制的轉(zhuǎn)錄，酶 的生成將不再需求的生成將不再需求誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏，這樣誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝

10、物阻遏，這樣的突變株稱為的突變株稱為 組成型突變株。少數(shù)情況下，組成組成型突變株。少數(shù)情況下，組成型突變株可產(chǎn)生大量的、比親本高的多的酶，這種型突變株可產(chǎn)生大量的、比親本高的多的酶，這種突變株稱為超產(chǎn)突變株。突變株稱為超產(chǎn)突變株。組成型突變株組成型突變株 構(gòu)造基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶構(gòu)造基因不受控制地轉(zhuǎn)錄，酶的生成將不再需求誘導(dǎo)劑或不的生成將不再需求誘導(dǎo)劑或不再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻再被末端產(chǎn)物或分解代謝物阻遏。遏。 調(diào)理基因發(fā)生突變調(diào)理基因發(fā)生突變產(chǎn)生無效的阻遏物而不產(chǎn)生無效的阻遏物而不能與支配基因結(jié)合能與支配基因結(jié)合支配基因突變支配基因突變突變支配基因不突變支配基因不能與阻遏物結(jié)合能與阻遏

11、物結(jié)合組成型突變組成型突變5.條件致死條件致死 例如在抗生素和酶制劑消費(fèi)過程中的運(yùn)用。例如在抗生素和酶制劑消費(fèi)過程中的運(yùn)用。6.細(xì)胞膜通透性突變體的運(yùn)用細(xì)胞膜通透性突變體的運(yùn)用使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去使胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏出去,解除末端產(chǎn)物的反響抑制。解除末端產(chǎn)物的反響抑制。 1. 用生理學(xué)手段用生理學(xué)手段 直接抑制膜的合成或使膜受缺損直接抑制膜的合成或使膜受缺損 如如: 在在Glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量可大量分泌發(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動(dòng)細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改動(dòng)膜透性；控制生物素的含量可改動(dòng)細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改動(dòng)膜透性；當(dāng)培育液中生物素

12、含量較高時(shí)采用適量添加青霉素的方法；當(dāng)培育液中生物素含量較高時(shí)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)酵中控制要素是再如：產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制要素是Mn2+； Mn2+的作用與的作用與生物素類似。生物素類似。2. 利用膜缺損突變株利用膜缺損突變株 油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型、甘油缺陷型如如:用谷氨酸消費(fèi)菌的油酸缺陷型，培育過程中，有限制地添加油酸，用谷氨酸消費(fèi)菌的油酸缺陷型，培育過程中，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。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，易呵斥谷氨酸甘油缺

13、陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易呵斥谷氨酸大量滲漏。運(yùn)用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過量的情況下，大量滲漏。運(yùn)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。也可以獲得大量谷氨酸。7.添加有關(guān)基因的數(shù)量添加有關(guān)基因的數(shù)量添加構(gòu)造基因或支配基因的數(shù)量添加構(gòu)造基因或支配基因的數(shù)量 例如，例如，半乳糖苷酶、青霉素酶、氯半乳糖苷酶、青霉素酶、氯霉素轉(zhuǎn)酰氨酶等可借助含有相應(yīng)構(gòu)造基因霉素轉(zhuǎn)酰氨酶等可借助含有相應(yīng)構(gòu)造基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移給受體培育物來添加產(chǎn)量；利的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移給受體培育物來添加產(chǎn)量；利用含有對苯丙氨酸的構(gòu)造基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌用含有對苯丙氨酸的構(gòu)造基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體可

14、使該酶產(chǎn)量添加體可使該酶產(chǎn)量添加15倍。倍。 經(jīng)過操作基因與傳統(tǒng)誘變技術(shù)和代謝調(diào)經(jīng)過操作基因與傳統(tǒng)誘變技術(shù)和代謝調(diào)控相結(jié)合提高產(chǎn)量。控相結(jié)合提高產(chǎn)量。 啟動(dòng)基因的突變添加啟動(dòng)基因的突變添加RNA聚合酶和聚合酶和DNA的親和力，添加轉(zhuǎn)錄速率。的親和力，添加轉(zhuǎn)錄速率。二發(fā)酵條件的控制二發(fā)酵條件的控制 DA B C E F(-)(-)(-)1.添加前體繞過反響控制點(diǎn)添加前體繞過反響控制點(diǎn)2. 添加誘導(dǎo)劑：從提高誘導(dǎo)酶合成量來說，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，而是底最好的誘導(dǎo)劑往往不是該酶的底物，而是底物的衍生物。物的衍生物。如：大腸桿菌如：大腸桿菌-半乳糖苷酶的

15、最有效誘導(dǎo)劑半乳糖苷酶的最有效誘導(dǎo)劑是異丙酰是異丙酰-D-硫代半乳糖苷，它不被硫代半乳糖苷，它不被-半乳半乳糖苷酶分解。糖苷酶分解。 高濃度底物誘導(dǎo)劑的利用速率太快時(shí)，也高濃度底物誘導(dǎo)劑的利用速率太快時(shí)，也會引起分解代謝物的阻遏，對許多發(fā)酵消費(fèi)會引起分解代謝物的阻遏，對許多發(fā)酵消費(fèi)胞外酶，假設(shè)底物濃度過高，產(chǎn)量反而不高。胞外酶，假設(shè)底物濃度過高，產(chǎn)量反而不高。 有些底物類似物作為誘導(dǎo)劑，由于利用速有些底物類似物作為誘導(dǎo)劑，由于利用速度慢，可以消除代謝物的阻遏，顯著提高酶度慢，可以消除代謝物的阻遏，顯著提高酶的產(chǎn)量。的產(chǎn)量。3. 發(fā)酵與分別過程耦合：發(fā)酵與分別過程耦合： 在發(fā)酵過程中及時(shí)將末端代

16、謝產(chǎn)物移在發(fā)酵過程中及時(shí)將末端代謝產(chǎn)物移走，末端代謝產(chǎn)物堅(jiān)持較低程度，解除反走，末端代謝產(chǎn)物堅(jiān)持較低程度，解除反響調(diào)理。響調(diào)理。 耦合手段較多，有膜分別、離子交換耦合手段較多，有膜分別、離子交換分別和萃取等。這些分別安裝應(yīng)該具有分分別和萃取等。這些分別安裝應(yīng)該具有分別效率高、抗污染、易于反復(fù)運(yùn)用等特定。別效率高、抗污染、易于反復(fù)運(yùn)用等特定。4. 控制發(fā)酵的培育基成分：控制發(fā)酵的培育基成分： 經(jīng)過各種加料方法來限制生長速率，經(jīng)過各種加料方法來限制生長速率，使酶消費(fèi)去阻遏。使酶消費(fèi)去阻遏。 經(jīng)過控制生物素來添加谷氨酸產(chǎn)生菌經(jīng)過控制生物素來添加谷氨酸產(chǎn)生菌細(xì)胞膜的通透性；添加青霉素抑制細(xì)胞壁細(xì)胞膜的通透性；添加青霉素抑制細(xì)胞壁后期合成，細(xì)胞壁不能構(gòu)成完好的網(wǎng)狀構(gòu)后期合成，細(xì)胞壁不能構(gòu)成完好的網(wǎng)狀構(gòu)造，引起磷脂和細(xì)胞壁成分的造，引起磷脂和細(xì)胞壁成分的UDP-N-乙乙酰己糖向外分泌使細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜酰己糖向外分泌使細(xì)