第五章 代谢调控育种ppt课件.ppt

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1、第五章   微生物代谢控制育种第一节代谢控制育种的基础代谢控制发酵理论的建立代谢控制发酵理论最开始是应用于氨基酸高产菌株的选育中；随后，核苷类物质发酵生产菌也以代谢控制理论去选育，并奋起直追成为后起之秀。随着研究的深入，代谢控制发酵理论的作用，已由野生型菌株的发酵向高度人为控制的发酵转移，由依赖于微生物分解代谢的发酵向依赖于生物合成代谢的发酵，即向代谢产物大量积累的发酵转移。代谢控制发酵（Metaboliccontrolfermentation），就是利用遗传学的方法或其他生物化学方法，人为地在脱氧核糖核酸（DNA）的分子水平上，改变和控制微生物的代谢，使有用目的产物大量生成、积累的发酵。代

2、谢控制发酵的出现与发展，与以下几方面是密不可分的：⑴生物化学的发展确立了代谢图，随着代谢途径研究的不断深入，发现了反馈调节机制，特别是酶的别构动力学指出了许多酶活性调节的基本类型；微生物遗传学的发展，发现了分解代谢途径操纵子（如乳糖操纵子、组氨酸操纵子、麦芽糖调节子等）和合成代谢途径操纵子（如色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子等）的调控机制，从而阐明了微生物代谢的调节机制。⑵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，多方面利用微生物代谢活性，使微生物的酶学性质按人为目的变化。一般是通过诱变选育各种突变株；通过转导、转化、杂交、原生质体融合等细胞内基因重组方法获得目的

3、重组子；通过重组DNA技术构建工程菌等。⑶合理控制环境条件，可以采用过程控制方法来完善受控参数，对发酵过程进行最优化控制，使目的产物大量积累。如图可以看出，利用微生物进行发酵经历了天然发酵、纯培养、通气培养、代谢控制发酵、发酵原料转变等过程，最终使微生物发酵能广泛应用于生物化学工业中。利用微生物进行发酵的沿革随着代谢控制发酵理论的日臻完善，代谢工程应运而生。总之，代谢控制发酵的原理是工业微生物育种工作的理论基础，它产生于生物化学、微生物遗传学的基础研究，又促进了分子生物学的发展，并早已在发酵工业中得到了广泛应用。第二节微生物细胞的调节机制代谢控制机制的研究证明，酶的生物合成是受到基因和代谢物的

4、双重控制：一方面，酶的合成像普通蛋白质的合成一样，受基因的控制，由基因决定形成酶分子的化学结构；另一方面，仅仅有基因，并不能保证大量产生某种酶，酶的合成还受代谢物（酶反应的底物、产物及其类似物）的控制和调节，当有诱导物存在时，酶的生成量可以几倍乃至几百倍的增加。此外，在微生物中，通过细胞膜的渗透性控制代谢也是非常重要的。主要内容包括：⑴酶生物合成的控制机制①诱导——促进酶的合成②阻遏——抑制酶的合成，包括：终产物阻遏、分解代谢物阻遏⑵酶活性的控制机制①终产物抑制或激活②通过辅酶水平的活性调节③酶原的活化④潜在酶的活化⑶通过细胞渗透性控制代谢按各种酶在代谢调节中作用的不同，可将酶分为调节酶、静态

5、酶和潜在酶，其中调节酶常称为关键酶，又包括变构酶、同工酶和多功能酶。关键酶（Keyenzymeorswitchingenzyme）是参与代谢调节的酶的总称。作为一个反应链的限速因子，对整个反应起限速作用。这些酶在代谢流的枢纽之处形成支柱，对代谢流的质和量都起着制约作用。因此，想要选育出某种目的产物生产菌，首先要了解这种物质的生物合成途径、关键酶以及关键酶受怎样的反馈调节，再考虑如何解除，随之设计出正确的育种方案来。一.酶活力调节类型1.在单功能途径（unifunctionalpathway）中酶活性的调节类型I型在氨基酸生物合成代谢作用中多见；II-A型在分解代谢中较常见；II-B性型具有重要

6、生理作用，可以理解为终产物抑制的补偿性拮抗现象。II-B的关键在于H→I必须供给定量的E，所以H能激活A→B的反应。2.多功能途径（multifunctionalpathway）中的酶活性调节类型也称增效反馈抑制，单独抑制部分抑制作用累积单独无抑制作用例如大肠杆菌谷氨酰胺合成酶共受8个最终产物的积累反馈抑制。每种终产物发挥一部分抑制作用，8个产物同时存在时，酶活力就被完全抑制。16%（84%）13%（37.4%）41%（50%）14%（43%）F积累，抑制D→E的反应，减少F的进一步合成，更多的D转到G，再由G合成I或K；I积累，抑制G→H的反应；K积累，抑制G→J的反应，结果造成G的积累，引

7、起G对A→B的反馈抑制，使整个途径停止。同功酶的反馈抑制酶I和酶II都是催化A→B的同工酶。G过量时，酶II停止活动，C也不能经过F到G；而与此同时，酶I活力不受影响，A可以顺利到E，从而G过量不干扰E的合成。EⅠEⅡ二.酶合成的调控微生物合成体系中，常通过代谢产物抑制酶的生物合成或诱导酶的生物合成，来调节生物合成的代谢过程。由代谢终点产物抑制酶合成的负反馈作用称为反馈阻遏(feedbackrep