代謝控制發(fā)酵技術(shù)原理與應(yīng)用呂利華微生物有著一整套可塑性極強(qiáng)和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無(wú)誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。從細(xì)胞水平上來(lái)看，微生物的代謝調(diào)節(jié)能力要超過(guò)復(fù)雜的高等動(dòng)植物。這是因?yàn)?，微生物?xì)胞的體積極小，而所處的環(huán)境條件卻十分多變。代謝調(diào)節(jié)的方式：調(diào)節(jié)代謝流調(diào)節(jié)細(xì)胞膜對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的透性調(diào)節(jié)酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接觸

（一）營(yíng)養(yǎng)缺陷突變株的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷突變株：指原菌株發(fā)生基因突變，致使合成途徑中某一步驟發(fā)生缺陷，喪失合成某些物質(zhì)的能力，必須在培養(yǎng)中外援補(bǔ)充該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)才能生長(zhǎng)的突變型菌株。原理：由于合成途徑中某一步驟缺陷，致使終產(chǎn)物不能積累，故遺傳性地解除了終產(chǎn)物的反饋抑制，使得中間代謝物或另一分支途徑的終產(chǎn)物可以積累。反饋抑制——主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物過(guò)量時(shí)可反過(guò)來(lái)直接抑制該途徑中第一個(gè)酶的活性。主要表現(xiàn)在氨基酸、核苷酸合成途徑中。營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株的工業(yè)應(yīng)用

1．賴氨酸發(fā)酵

2．肌苷酸（IMP）的生產(chǎn)1．賴氨酸發(fā)酵

天冬氨酸甲硫氨酸蘇氨酸賴氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ天冬氨酸激酶中間產(chǎn)物Ⅱ抑制高絲氨酸高絲氨酸脫氫酶人工控制黃色短桿菌的代謝過(guò)程生產(chǎn)賴氨酸天冬氨酸中間產(chǎn)物Ⅰ天冬氨酸激酶中間產(chǎn)物Ⅱ甲硫氨酸蘇氨酸高絲氨酸高絲氨酸脫氫酶不能合成可以大量積累賴氨酸人工誘變的菌種不能產(chǎn)生2．肌苷酸（IMP）的生產(chǎn)（二）抗類似物突變株的選育代謝拮抗物的作用機(jī)制：與代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似，故能夠與阻遏物及變構(gòu)酶相結(jié)合，且結(jié)合不可逆，導(dǎo)致有關(guān)酶不可逆地停止合成，或酶活不可逆地被抑制。方法：將誘變以后的菌懸液涂布在特定的培養(yǎng)基上（加入過(guò)量的與代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)、同時(shí)培養(yǎng)基中沒(méi)有代謝產(chǎn)物），在此平板上長(zhǎng)出的菌落即為抗類似物突變菌株。驗(yàn)證長(zhǎng)出的突變株是否真正解除的反饋調(diào)節(jié)。幾乎所有的氨基酸和核苷可通過(guò)抗類似物突變株發(fā)酵生產(chǎn)。反饋調(diào)節(jié)作用1、終產(chǎn)物反饋?zhàn)瓒艉头答佉种埔吧途辍癆”氨基酸合成操縱子模型ARPOA結(jié)構(gòu)基因無(wú)活性repressorARNA聚合酶反饋?zhàn)瓒艋钚訟合成酶系（E1,E2…）A反饋抑制超過(guò)生理需要量野生型菌株酶合成水平的反饋?zhàn)瓒?/p>

野生型菌株酶活性水平的反饋抑制過(guò)量A作用效應(yīng)物位點(diǎn)，酶構(gòu)型變化，影響酶活性中心而失活Gene編碼酶效應(yīng)物位點(diǎn)過(guò)量A酶活中心篩選突變株中常用的幾種結(jié)構(gòu)類似物積累的物質(zhì)結(jié)構(gòu)類似物

Arg刀豆氨酸

Phe對(duì)-氟苯丙氨酸、噻恩基丙氨酸

Try5-甲基色氨酸、6-甲基色氨酸

Valα-氨基丁酸鹽

IleValMetα-氨基-4-乙硫基丁酸腺嘌呤2,6-乙氨基嘌呤尿嘌呤5-氟尿嘌呤（三）營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株的應(yīng)用當(dāng)難以找到合適類似物或者反饋調(diào)節(jié)非常復(fù)雜的時(shí)候，可采用營(yíng)養(yǎng)缺陷型選育回復(fù)突變株的方法育種。原理：當(dāng)一個(gè)菌株由于突變而失去某一遺傳性狀后，經(jīng)回復(fù)突變可再回復(fù)到其原有的遺傳性狀。經(jīng)過(guò)二次突變后，原發(fā)生突變的基因所編碼的酶活性中心結(jié)構(gòu)恢復(fù)，但調(diào)節(jié)中心常常會(huì)無(wú)法恢復(fù)。因此，酶既恢復(fù)了活性，且反饋抑制不再嚴(yán)重或者已經(jīng)解除。由此可以提高發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量。如金霉素生產(chǎn)菌可使用其蛋氨酸缺陷型的回復(fù)突變株，產(chǎn)量提高1.2~1.3倍。（四）控制細(xì)胞膜的滲透性

微生物的細(xì)胞膜對(duì)于細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的運(yùn)輸具有高度選擇性。細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物常常以很高的濃度累積著，并自然地通過(guò)反饋?zhàn)瓒粝拗屏怂鼈兊倪M(jìn)一步合成。采取生理學(xué)或遺傳學(xué)方法，可以改變細(xì)胞膜的透性，使細(xì)胞內(nèi)的代謝產(chǎn)物迅速滲漏到細(xì)胞外。這種解除末端產(chǎn)物反饋抑制作用的菌株，可以提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。1．通過(guò)生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜的滲透性

原理：影響細(xì)胞膜通透性的主要因素是細(xì)胞膜中的磷脂含量。故常從控制磷脂的合成或使細(xì)胞膜受損傷入手。膜合成不完全或受損，但菌體不死亡，從而積累發(fā)酵產(chǎn)物。如Glu發(fā)酵中把生物素濃度控制在亞適量，可改變細(xì)胞膜透性，從而可大量分泌Glu。生物素影響細(xì)胞膜滲透性的原因，是由于它是脂肪酸生物合成中乙酰CoA羧化酶的輔基，此酶可催化乙酰CoA的羧化并生成丙二酸單酰輔酶A，進(jìn)而合成細(xì)胞膜磷脂的主要成分——脂肪酸。因此，控制生物素的含量就可以改變細(xì)胞膜的成分，進(jìn)而改變膜的透性和影響谷氨酸的分泌。

青霉素抑制肽聚糖中肽鏈交聯(lián)；吐溫80或陽(yáng)離子表面活性劑使壁中脂類流出；產(chǎn)氨短桿菌的核苷酸發(fā)酵中控制因素是Mn2+，

Mn2+的作用與生物素相似。2．通過(guò)細(xì)胞膜缺損突變而控制其滲透性（1）谷氨酸生產(chǎn)菌的油酸缺陷型，培養(yǎng)過(guò)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。原理：油酸是一種含有一個(gè)雙鍵的不飽和脂肪酸（十八碳烯酸），它是細(xì)菌細(xì)胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型突變株因其不能合成油酸而使細(xì)胞膜缺損。（2）利用石油發(fā)酵產(chǎn)生谷氨酸（解烴棒桿菌）的甘油缺陷型突變株

如：溶烷棒桿菌GL-21（甘油缺陷型）生產(chǎn)谷氨酸

PGDH

磷酸二羥丙