第3章 代謝控制發(fā)酵的基本思想

1、代謝控制發(fā)酵課程代謝控制發(fā)酵課程無分支途徑無分支途徑圖圖 谷氨酸棒桿菌鳥氨酸生谷氨酸棒桿菌鳥氨酸生物合成途徑物合成途徑乙酰谷氨酸合成酶乙酰谷氨酸合成酶乙酰谷氨酸激酶乙酰谷氨酸激酶 N-乙酰谷氨酸半醛脫氫乙酰谷氨酸半醛脫氫酶酶乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶乙酰鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶乙酰鳥氨酸酶乙酰鳥氨酸酶 Arg對對有反饋調(diào)有反饋調(diào)節(jié)作用。選育瓜氨酸缺節(jié)作用。選育瓜氨酸缺陷突變株（陷突變株（Cit-），亞），亞適量添加瓜氨酸，就會適量添加瓜氨酸，就會積累大量的鳥氨酸積累大量的鳥氨酸 。 1） 分支途徑分支途徑 E、G協(xié)同反饋抑制第協(xié)同反饋抑制第1個(gè)酶的活性和阻遏酶的生成。個(gè)酶的活性和阻遏酶的生成。當(dāng)菌株失去當(dāng)菌株失去C

2、D的能力即成為的能力即成為D或或E缺陷型突變株時(shí)，解缺陷型突變株時(shí)，解除了除了E、G對第對第1個(gè)酶的協(xié)同反饋調(diào)節(jié)。當(dāng)培養(yǎng)基中限量添個(gè)酶的協(xié)同反饋調(diào)節(jié)。當(dāng)培養(yǎng)基中限量添加加E，那么只剩下，那么只剩下G對對CF轉(zhuǎn)變的控制，轉(zhuǎn)變的控制，F(xiàn)、G不會過量生不會過量生成，而使成，而使C得以積累。得以積累。例 ： 利 用 枯例 ： 利 用 枯草 芽 孢 桿 菌草 芽 孢 桿 菌營 養(yǎng) 缺 陷 型營 養(yǎng) 缺 陷 型生產(chǎn)肌苷生產(chǎn)肌苷5磷酸核糖焦磷酸磷酸核糖焦磷酸PRPP谷氨酰胺谷氨酰胺PRPP轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶5磷酸核糖胺磷酸核糖胺腺嘌呤核苷琥珀酸腺嘌呤核苷琥珀酸SAMP黃嘌呤核苷酸黃嘌呤核苷酸XMP腺嘌呤核苷酸腺嘌

3、呤核苷酸AMP鳥嘌呤核苷酸鳥嘌呤核苷酸GMP5-IMP肌苷酸肌苷酸肌苷肌苷IR積累另一分支途徑的終產(chǎn)物積累另一分支途徑的終產(chǎn)物l在分支合成途徑中，由于存在著多個(gè)終產(chǎn)物單在分支合成途徑中，由于存在著多個(gè)終產(chǎn)物單獨(dú)存在時(shí)不能對其合成途徑的關(guān)鍵酶實(shí)現(xiàn)全部獨(dú)存在時(shí)不能對其合成途徑的關(guān)鍵酶實(shí)現(xiàn)全部反饋抑制或阻遏這一現(xiàn)象，因此，可以利用這反饋抑制或阻遏這一現(xiàn)象，因此，可以利用這種機(jī)制選育營養(yǎng)缺陷型菌株，造成一個(gè)或兩個(gè)種機(jī)制選育營養(yǎng)缺陷型菌株，造成一個(gè)或兩個(gè)終產(chǎn)物合成缺陷而使另外的終產(chǎn)物得以積累。終產(chǎn)物合成缺陷而使另外的終產(chǎn)物得以積累。通常通常I、E協(xié)同反饋調(diào)節(jié)途徑第一個(gè)酶，但菌株喪失協(xié)同反饋調(diào)節(jié)途徑第一個(gè)

4、酶，但菌株喪失CF的的能力，是能力，是I、G的雙缺陷突變體。若在培養(yǎng)基中亞適量添加的雙缺陷突變體。若在培養(yǎng)基中亞適量添加I、G，就解除，就解除I、E對第一個(gè)酶的協(xié)同反饋調(diào)節(jié)，使終產(chǎn)物對第一個(gè)酶的協(xié)同反饋調(diào)節(jié)，使終產(chǎn)物E大量積累，所以只要選育大量積累，所以只要選育F或或G、I雙缺陷型突變株就可雙缺陷型突變株就可以積累以積累E。n關(guān)鍵酶天冬氨酸激關(guān)鍵酶天冬氨酸激酶受賴氨酸和蘇氨酶受賴氨酸和蘇氨酸的協(xié)同反饋抑制酸的協(xié)同反饋抑制n蘇氨酸缺陷型蘇氨酸缺陷型n高絲氨酸缺陷型高絲氨酸缺陷型例：利用高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型例：利用高絲氨酸營養(yǎng)缺陷型(Hom-)或蘇氨酸營養(yǎng)缺陷或蘇氨酸營養(yǎng)缺陷型型(Thr-)菌株達(dá)到

5、賴氨酸的積累菌株達(dá)到賴氨酸的積累例：精氨酸的生物合成途徑及反饋調(diào)節(jié)例：精氨酸的生物合成途徑及反饋調(diào)節(jié) 精氨酸的合成受其本身的反饋抑制和反饋?zhàn)瓒?，精氨酸的合成受其本身的反饋抑制和反饋?zhàn)瓒簦瑸榱朔e累像精氨酸這樣為了積累像精氨酸這樣非支路代謝途徑非支路代謝途徑的終產(chǎn)物，的終產(chǎn)物，主要采用抗精氨酸類似物突變株。主要采用抗精氨酸類似物突變株。D-精氨酸抗性精氨酸抗性精氨酸氧肟酸鹽抗性精氨酸氧肟酸鹽抗性例：選育精氨酸生產(chǎn)菌例：選育精氨酸生產(chǎn)菌n在添加了在添加了乙酰賴氨酸乙酰賴氨酸和和過量精氨酸過量精氨酸的培養(yǎng)基中，接種賴氨的培養(yǎng)基中，接種賴氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株酸營養(yǎng)缺陷型菌株(Lys-)，從出現(xiàn)的生長菌落中

6、，從出現(xiàn)的生長菌落中(Lys+)，能夠獲得精氨酸生物合成酶系的去阻遏突變株。能夠獲得精氨酸生物合成酶系的去阻遏突變株。例：賴氨酸發(fā)酵育種上，在解除了賴氨酸反例：賴氨酸發(fā)酵育種上，在解除了賴氨酸反饋調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加饋調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加丙氨酸營養(yǎng)缺陷丙氨酸營養(yǎng)缺陷等標(biāo)等標(biāo)記可以進(jìn)一步提高賴氨酸產(chǎn)量。記可以進(jìn)一步提高賴氨酸產(chǎn)量。2、解除前體物合成的調(diào)節(jié)、解除前體物合成的調(diào)節(jié)n目的產(chǎn)物的生物合成從別的終產(chǎn)物開始時(shí)，除設(shè)法解目的產(chǎn)物的生物合成從別的終產(chǎn)物開始時(shí)，除設(shè)法解除目的產(chǎn)物自身合成的反饋調(diào)節(jié)外，也應(yīng)設(shè)法解除對除目的產(chǎn)物自身合成的反饋調(diào)節(jié)外，也應(yīng)設(shè)法解除對其前體物合成的調(diào)節(jié)。其前體物合成的調(diào)節(jié)。例

7、：異亮氨酸育種例：異亮氨酸育種蘇氨酸是異亮氨酸的前體蘇氨酸是異亮氨酸的前體物。解除蘇氨酸的反饋調(diào)物。解除蘇氨酸的反饋調(diào)節(jié)，可以獲得異亮氨酸的節(jié)，可以獲得異亮氨酸的高產(chǎn)菌株。高產(chǎn)菌株。三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物是谷氨酸生物合成的前體三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物是谷氨酸生物合成的前體增加乙酰增加乙酰CoA的合成量，就能增大的合成量，就能增大C4二羧酸的消二羧酸的消耗，從而增加谷氨酸前體物的生成，提高了谷氨耗，從而增加谷氨酸前體物的生成，提高了谷氨酸的積累。酸的積累。n在發(fā)酵培養(yǎng)基中積累谷氨酸。其方法有：限量供給生物素。在發(fā)酵培養(yǎng)基中積累谷氨酸。其方法有：限量供給生物素。AK-Lys-Met-Thr-天冬氨酸發(fā)酵

8、天冬氨酸發(fā)酵l2、存在有目的產(chǎn)物分解途徑時(shí)，應(yīng)選育喪失、存在有目的產(chǎn)物分解途徑時(shí)，應(yīng)選育喪失目的產(chǎn)物分解酶的突變株。目的產(chǎn)物分解酶的突變株。例：選育例：選育Thr高產(chǎn)菌高產(chǎn)菌PC：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶：磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶AK：天冬氨酸激酶：天冬氨酸激酶HD：高絲氨酸脫氫酶：高絲氨酸脫氫酶TD：蘇氨酸脫氨酶：蘇氨酸脫氨酶第三節(jié)第三節(jié) 菌種改造的策略菌種改造的策略菌種改造的目的是：菌種改造的目的是：l要把出發(fā)菌種改造成能在特定條件下進(jìn)行異常代謝，要把出發(fā)菌種改造成能在特定條件下進(jìn)行異常代謝，以實(shí)現(xiàn)從原料到目的產(chǎn)物的高效轉(zhuǎn)化的高產(chǎn)菌種。以實(shí)現(xiàn)從原料到目的產(chǎn)物的高效轉(zhuǎn)化的高產(chǎn)菌種。要達(dá)到上述目的

9、，可采用要達(dá)到上述目的，可采用“進(jìn)、通、節(jié)、進(jìn)、通、節(jié)、堵、出堵、出”五字策略。五字策略。1、進(jìn)：促進(jìn)細(xì)胞對碳源等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。、進(jìn)：促進(jìn)細(xì)胞對碳源等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。2、通：解除途徑中某些酶的反饋調(diào)節(jié)，或者誘導(dǎo)（激、通：解除途徑中某些酶的反饋調(diào)節(jié)，或者誘導(dǎo)（激活）這些酶，從而使來自各個(gè)分支的碳架物質(zhì)能暢活）這些酶，從而使來自各個(gè)分支的碳架物質(zhì)能暢通地流向目的產(chǎn)物。通地流向目的產(chǎn)物。3、節(jié)：阻塞與目的產(chǎn)物的形成無關(guān)或關(guān)系不大的代、節(jié)：阻塞與目的產(chǎn)物的形成無關(guān)或關(guān)系不大的代謝支流，使碳架物質(zhì)相對集中地流向目的產(chǎn)物。謝支流，使碳架物質(zhì)相對集中地流向目的產(chǎn)物。4、堵：消除或消弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑。、堵：消除或消弱目的產(chǎn)物進(jìn)一步代謝的途徑。5、出：促進(jìn)目的產(chǎn)物向胞外空間分泌。、出：促進(jìn)目的產(chǎn)物向胞外空間分泌。 例：在肌苷發(fā)酵過程中，枯草芽孢桿菌在供氧不足例：在肌苷發(fā)酵過程中，枯草芽孢桿菌在供氧不足的