微生物代谢调控 (2).ppt

微生物生物合成途径的遗传控制微生物生物合成途径的遗传控制第一节第一节 切断支路代谢切断支路代谢第二节第二节 解除微生物自身反馈抑制解除微生物自身反馈抑制生物合成途径的遗传控制生物合成途径的遗传控制1 1、切断支路代、切断支路代、切断支路代、切断支路代谢谢2 2、解除、解除、解除、解除微生物微生物微生物微生物自身自身自身自身反反反反馈调节馈调节抑制抑制抑制抑制3、增加前体物的合成、增加前体物的合成4、去除去除终产物物生物生物合成途径合成途径的的遗传控制控制是通是通过诱变来来实现的；的；这种突种突变不不仅包括包括结构基构基因的突因的突变，而且包括，而且包括调节基因的突基因的突变。第一节第一节 切断支路代谢切断支路代谢要要实现切断支路代切断支路代谢，可通可通过选育育营养缺陷突养缺陷突变株或渗漏缺陷突株或渗漏缺陷突变株株而达到。而达到。渗漏缺陷型渗漏缺陷型是是由于由于这种突种突变是使它的是使它的某一种某一种酶的活性下的活性下降而不是完全降而不是完全丧失，失，能能够少量地合成某少量地合成某一种代一种代谢终产物，物，能在基本培养基上能在基本培养基上进行少量的生行少量的生长。营养缺陷型养缺陷型就是菌株就是菌株由于由于发生基因突生基因突变，致使合成途径中某一致使合成途径中某一步步骤发生缺陷，从而生缺陷，从而丧失了合成某些物失了合成某些物质的能力，必的能力，必须在培养在培养中外源中外源补加加该营养物养物质才能生才能生长的突的突变型型菌株。菌株。egeg：赖氨酸发酵：赖氨酸发酵 1956年，报道了年，报道了二步发酵法二步发酵法进行工业生产赖氨进行工业生产赖氨酸的专利，首先是培养大肠杆菌的赖氨酸营养缺酸的专利，首先是培养大肠杆菌的赖氨酸营养缺陷型，使之产生二氨基庚二酸，然后再以产期杆陷型，使之产生二氨基庚二酸，然后再以产期杆菌或不要求赖氨酸的大肠杆菌野生型所产生的二菌或不要求赖氨酸的大肠杆菌野生型所产生的二氨基庚二酸脱羧酶，将二氨基庚二酸脱去羧基形氨基庚二酸脱羧酶，将二氨基庚二酸脱去羧基形成赖氨酸。成赖氨酸。二氨基庚二酸二氨基庚二酸赖氨酸赖氨酸egeg：赖氨酸发酵：赖氨酸发酵1958年，报道了利年，报道了利用谷氨酸小球菌的高用谷氨酸小球菌的高丝氨酸或蛋氨酸与苏丝氨酸或蛋氨酸与苏氨酸氨酸营养缺陷型营养缺陷型，以，以糖质原料直接发酵产糖质原料直接发酵产生大量赖氨酸的研究；生大量赖氨酸的研究；之后出现了采用之后出现了采用谷氨酸小球菌的谷氨酸小球菌的营养缺陷型营养缺陷型直接直接发酵产生赖氨酸发酵产生赖氨酸的研究；的研究；我国我国报道了利用报道了利用北京棒状北京棒状杆菌的杆菌的营养缺陷型营养缺陷型生产生产赖氨酸的研究工赖氨酸的研究工作。作。一步发酵法一步发酵法营养缺陷型营养缺陷型谷氨酸棒状杆菌高丝氨酸缺陷型赖氨酸的发酵机制谷氨酸棒状杆菌高丝氨酸缺陷型赖氨酸的发酵机制 末端产物对生长乃是必需的，所以，应在末端产物对生长乃是必需的，所以，应在培养基中限量供给，使之足以维持菌株生长，培养基中限量供给，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。样才能有利于菌株积累中间产物。在高丝氨酸缺陷型中，在高丝氨酸缺陷型中，由于缺乏催化天冬氨酸由于缺乏催化天冬氨酸-B-B-半醛为高丝氨酸的高丝氨酸半醛为高丝氨酸的高丝氨酸脱氢酶，因而丧失了合成高脱氢酶，因而丧失了合成高丝氨酸的能力。这就一方面丝氨酸的能力。这就一方面切断了生物合成苏氨酸和蛋切断了生物合成苏氨酸和蛋氨酸的支路代谢，使天冬氨氨酸的支路代谢，使天冬氨酸半醛这一中间产物全部转酸半醛这一中间产物全部转入赖氨酸的合成。入赖氨酸的合成。另一方面通过限量添加另一方面通过限量添加高丝氨酸，可使蛋氨酸、苏高丝氨酸，可使蛋氨酸、苏氨酸生成有限，因而解除了氨酸生成有限，因而解除了苏氨酸、赖氨酸对天冬氨酸苏氨酸、赖氨酸对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制，使赖激酶的协同反馈抑制，使赖氨酸得以积累。氨酸得以积累。渗透缺陷型渗透缺陷型该突变是使酶的活性下降而不是完全丧失。该突变是使酶的活性下降而不是完全丧失。因此，因此，渗漏缺陷型能够少量地合成某一种代谢最终产物，渗漏缺陷型能够少量地合成某一种代谢最终产物，能在基本培养基上进行少量的生长。由于渗漏缺能在基本培养基上进行少量的生长。由于渗漏缺陷型不能合成过量的最终产物，所以不会造成反陷型不能合成过量的最终产物，所以不会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。馈抑制而影响中间代谢产物的积累。第二节第二节 解除微生物自身反馈抑制解除微生物自身反馈抑制一、选育拮抗类似物突变株一、选育拮抗类似物突变株 拮抗类似物突变株也称为代谢拮抗物抗性突拮抗类似物突变株也称为代谢拮抗物抗性突变株。选育抗类似物突变株，是目前微生物代谢变株。选育抗类似物突变株，是目前微生物代谢控制育种的主流。因为代谢调节可被遗传性地解控制育种的主流。因为代谢调节可被遗传性地解除，在发酵时可不再受培养基成分的影响，生产除，在发酵时可不再受培养基成分的影响，生产较为稳定。较为稳定。另外，拮抗类似突变株不易发生回复突另外，拮抗类似突变株不易发生回复突变，因此在发酵生产上被广泛采用。变，因此在发酵生产上被广泛采用。我们知道正常的合成代谢的最终产物能与我们知道正常的合成代谢的最终产物能与阻遏蛋白以及变构酶相结合，对于有关酶的合成具阻遏蛋白以及变构酶相结合，对于有关酶的合成具有阻遏作用，对于合成途径的第一个酶具有反馈抑有阻遏作用，对于合成途径的第一个酶具有反馈抑制作用。制作用。由于这种结合是可逆的，所以当代谢最终产物由于这种结合是可逆的，所以当代谢最终产物例如某一氨基酸渗入蛋白质而在细胞中浓度降低时，例如某一氨基酸渗入蛋白质而在细胞中浓度降低时，它就不再与阻遏物以及变构酶相结合，这时有关的它就不再与阻遏物以及变构酶相结合，这时有关的酶合成以及它们的催化作用便又可继续进行。酶合成以及它们的催化作用便又可继续进行。代谢拮抗物的作用机制是代谢拮抗物由于与代代谢拮抗物的作用机制是代谢拮抗物由于与代谢产物结构相似，所以同样能与阻遏物以及变构酶谢产物结构相似，所以同样能与阻遏物以及变构酶相结合，可是它们往往不能代替正常的氨基酸而合相结合，可是它们往往不能代替正常的氨基酸而合成为蛋白质，也就是说它们在细胞中的浓度不会降成为蛋白质，也就是说它们在细胞中的浓度不会降低，因此与阻遏物以及变构酶的结合是不可逆的。低，因此与阻遏物以及变构酶的结合是不可逆的。这就使得有关的酶不可逆地停止了合成，或是酶的这就使得有关的酶不可逆地停止了合成，或是酶的催化作用不可逆地被抑制。催化作用不可逆地被抑制。一个菌株是怎样会成为代谢拮抗物的抗性菌一个菌株是怎样会成为代谢拮抗物的抗性菌株的。一个可能的途径是变构酶株的。一个可能的途径是变构酶结构基因结构基因发生突变，发生突变，使变构酶调节部位不再能与代谢拮抗物相结合。这使变构酶调节部位不再能与代谢拮抗物相结合。这种突变型就是一个抗反馈突变型。正常代谢最终产种突变型就是一个抗反馈突变型。正常代谢最终产物由于与代谢拮抗物的结构相类似，所以在这一突物由于与代谢拮抗物的结构相类似，所以在这一突变型中也不与结构发生改变的变构酶相结合。这样，变型中也不与结构发生改变的变构酶相结合。这样，该突变型细胞中已经有大量最终产物，但仍能继续该突变型细胞中已经有大量最终产物，但仍能继续不断地合成。不断地合成。另一可能的途径是另一可能的途径是调节基因调节基因发生突变，使阻遏发生突变，使阻遏物不能再与代谢拮抗物结合，这种突变型也将是一物不能再与代谢拮抗物结合，这种突变型也将是一个代谢拮抗物的抗性突变株，同时也是一个抗阻遏个代谢拮抗物的抗性突变株，同时也是一个抗阻遏突变型。在这一突变型中，由于正常代谢的最终产突变型。在这一突变型中，由于正常代谢的最终产物不与结构发生改变的阻遏蛋白相结合，所以在细物不与结构发生改变的阻遏蛋白相结合，所以在细胞尽管已经有大量最终产物，仍能不断地合成有关胞尽管已经有大量最终产物，仍能不断地合成有关的酶。的酶。选用抗代谢拮抗物突变株是应用代谢调节控制选用抗代谢拮抗物突变株是应用代谢调节控制理论于育种及发酵生产的另一条途径。在多数情况理论于育种及发酵生产的另一条途径。在多数情况下，与营养缺陷型的筛选相配合，是定向选育高产下，与营养缺陷型的筛选相配合，是定向选育高产菌株的有效方法。一般来说，在分支合成途径中使菌株的有效方法。一般来说，在分支合成途径中使用抗性突变株育高产菌株往往难于达到产量提高之用抗性突变株育高产菌株往往难于达到产量提高之目的。目的。故首先必须选取合适的营养缺陷型，同时又故首先必须选取合适的营养缺陷型，同时又选取具有一定抗性突变的菌株，产量才会大幅度提选取具有一定抗性突变的菌株，产量才会大幅度提高。高。谢谢谢谢