代謝控制育種【學(xué)時(shí)】

1、第七章 微生物代謝控制育種第一節(jié)第一節(jié) 概論概論第二節(jié)第二節(jié) 初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制第三節(jié)第三節(jié) 次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制第四節(jié)第四節(jié) 代謝調(diào)節(jié)控制育種代謝調(diào)節(jié)控制育種【4學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)】 p.155第第3 3個(gè)轉(zhuǎn)折期：以個(gè)轉(zhuǎn)折期：以19561956年谷氨酸發(fā)酵成功為標(biāo)志，發(fā)酵工業(yè)進(jìn)年谷氨酸發(fā)酵成功為標(biāo)志，發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入第入第3 3個(gè)轉(zhuǎn)折期個(gè)轉(zhuǎn)折期代謝控制發(fā)酵時(shí)期。代謝控制發(fā)酵時(shí)期。大體過程：大體過程：以生物化學(xué)和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑以生物化學(xué)和遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，研究代謝產(chǎn)物的生物合成途徑和代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制，選擇巧妙的技術(shù)路線，通過遺傳育種技和代謝調(diào)節(jié)的機(jī)制，選

2、擇巧妙的技術(shù)路線，通過遺傳育種技術(shù)獲得解除或繞過微生物正常代謝途徑的突變株，從而人為術(shù)獲得解除或繞過微生物正常代謝途徑的突變株，從而人為地使有用產(chǎn)物選擇性地大量合成和累積。地使有用產(chǎn)物選擇性地大量合成和累積。關(guān)鍵：關(guān)鍵：解除微生物代謝調(diào)控機(jī)制，打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)，人解除微生物代謝調(diào)控機(jī)制，打破微生物正常的代謝調(diào)節(jié)，人為地控制微生物的代謝。為地控制微生物的代謝。代謝控制育種和發(fā)酵過程的代謝控制培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩代謝控制育種和發(fā)酵過程的代謝控制培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩個(gè)手段，而其中前者是主要支柱技術(shù)。個(gè)手段，而其中前者是主要支柱技術(shù)。與個(gè)學(xué)科密不可分：生物化學(xué)、分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)、過與

3、個(gè)學(xué)科密不可分：生物化學(xué)、分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)、過程控制方法。程控制方法。第一節(jié)第一節(jié) 概論概論1、初級(jí)代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝、初級(jí)代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝2、次級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝、次級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝3、初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的關(guān)系、初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的關(guān)系1. 概念概念微生物產(chǎn)生的對(duì)自身生長(zhǎng)和繁殖必須的物質(zhì)稱為微生物產(chǎn)生的對(duì)自身生長(zhǎng)和繁殖必須的物質(zhì)稱為初級(jí)代初級(jí)代謝產(chǎn)物謝產(chǎn)物(可細(xì)分為中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物可細(xì)分為中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物)，產(chǎn)生這些物質(zhì)的，產(chǎn)生這些物質(zhì)的代謝體系稱為代謝體系稱為初級(jí)代謝初級(jí)代謝(primary metabolism)。2. 初級(jí)代謝體系的組成初級(jí)代謝體系的組成分解代謝體系分解代

4、謝體系生物合成體系生物合成體系素材性生物合成體系：小分子素材性生物合成體系：小分子結(jié)構(gòu)性生物合成體系：大分子結(jié)構(gòu)性生物合成體系：大分子1.1 初級(jí)代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝初級(jí)代謝產(chǎn)物和初級(jí)代謝次級(jí)代謝產(chǎn)物次級(jí)代謝產(chǎn)物：對(duì)產(chǎn)生它們的生物體本身不：對(duì)產(chǎn)生它們的生物體本身不需要的一種產(chǎn)物，也稱為需要的一種產(chǎn)物，也稱為次生產(chǎn)物次生產(chǎn)物。次級(jí)代謝次級(jí)代謝(secondary metabolism)：以初級(jí)代：以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，合成次生產(chǎn)物的代謝體系。謝產(chǎn)物為前體，合成次生產(chǎn)物的代謝體系。1.2 次級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝次級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝1. 從菌體生化代謝角度分析從菌體生化代謝角度分析1.3 初級(jí)代謝與

5、次級(jí)代謝的關(guān)系初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的關(guān)系2. 從遺傳代謝角度分析從遺傳代謝角度分析1.3 初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的關(guān)系初級(jí)代謝與次級(jí)代謝的關(guān)系第二節(jié)第二節(jié) 初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制初級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制1、酶合成的調(diào)節(jié)、酶合成的調(diào)節(jié)2、酶活性的調(diào)節(jié)、酶活性的調(diào)節(jié)3、反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制、反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制1、酶合成調(diào)節(jié)的類型、酶合成調(diào)節(jié)的類型 (1) 誘導(dǎo)誘導(dǎo) (induction) 根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中存在的該酶底物或其有關(guān)物的根據(jù)酶的生成是否與環(huán)境中存在的該酶底物或其有關(guān)物的關(guān)系，可分為：關(guān)系，可分為：組成酶：組成酶：細(xì)胞固有的酶，相應(yīng)基因控制合成，不受底物影響。細(xì)胞固有的酶，相應(yīng)基因控制合成，不受底物

6、影響。誘導(dǎo)酶：誘導(dǎo)酶：適應(yīng)外來物臨時(shí)合成的酶，受底物影響。適應(yīng)外來物臨時(shí)合成的酶，受底物影響。2.1 2.1 酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié) (2) 阻遏阻遏 (repression)末端產(chǎn)物阻遏末端產(chǎn)物阻遏(end-product repression)：由某代謝途徑末：由某代謝途徑末端產(chǎn)物過量累積而引起的阻遏。端產(chǎn)物過量累積而引起的阻遏。對(duì)于直線式反應(yīng)途徑，情況較為簡(jiǎn)單對(duì)于直線式反應(yīng)途徑，情況較為簡(jiǎn)單對(duì)于分支代謝途徑，情況較復(fù)雜：對(duì)于分支代謝途徑，情況較復(fù)雜：每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的每種末端產(chǎn)物僅專一地阻遏合成它的那條分支途徑的酶。酶。代謝途徑分支點(diǎn)以前的公共酶受到所有分支

7、途徑末端代謝途徑分支點(diǎn)以前的公共酶受到所有分支途徑末端產(chǎn)物的阻遏，稱為產(chǎn)物的阻遏，稱為多價(jià)阻遏作用多價(jià)阻遏作用。分解代謝物阻遏分解代謝物阻遏(catabolite repression)：有兩種碳源：有兩種碳源(或氮或氮源源)分解底物同時(shí)存在時(shí)，細(xì)胞利用快的那種分解底物時(shí)分解底物同時(shí)存在時(shí)，細(xì)胞利用快的那種分解底物時(shí)會(huì)阻遏利用慢的底物有關(guān)分解酶合成的現(xiàn)象。會(huì)阻遏利用慢的底物有關(guān)分解酶合成的現(xiàn)象。2.1 2.1 酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)1 1、酶合成調(diào)節(jié)的類型、酶合成調(diào)節(jié)的類型1. 酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制(1) 誘導(dǎo)型操縱子負(fù)調(diào)控誘導(dǎo)型操縱子負(fù)調(diào)控2.1 2.1 酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)

8、節(jié) (2) 阻遏型操縱子正調(diào)控阻遏型操縱子正調(diào)控2.1 2.1 酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的調(diào)節(jié)1. 1. 酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制1、反饋抑制的類型、反饋抑制的類型 (A) 直線式代謝途徑中的反饋抑制直線式代謝途徑中的反饋抑制2.2 2.2 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)(B) 分支代謝途徑中的反饋抑制分支代謝途徑中的反饋抑制(1) 優(yōu)先合成優(yōu)先合成(2) 協(xié)同反饋抑制協(xié)同反饋抑制(concerted feedback inhibition)2.2 2.2 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)(3) 合作反饋抑制合作反饋抑制(cooperative feedback inhibition)2.2 2.2 酶活

9、性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)(B) 分支代謝途徑中的反饋抑制分支代謝途徑中的反饋抑制(4) 累積反饋抑制累積反饋抑制(cumulative feedback inhibition)2.2 2.2 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)(B) 分支代謝途徑中的反饋抑制分支代謝途徑中的反饋抑制(5) 同工酶調(diào)節(jié)同工酶調(diào)節(jié)2.2 2.2 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)(B) 分支代謝途徑中的反饋抑制分支代謝途徑中的反饋抑制(6) 順序反饋抑制順序反饋抑制2.2 2.2 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)(B) 分支代謝途徑中的反饋抑制分支代謝途徑中的反饋抑制2. 反饋抑制的機(jī)制反饋抑制的機(jī)制(1) 受反饋抑制的調(diào)節(jié)酶一般都是受反饋抑制的

10、調(diào)節(jié)酶一般都是變構(gòu)酶變構(gòu)酶(allosteric enzyme)，酶活力調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。酶活力調(diào)控的實(shí)質(zhì)就是變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。(2) 變構(gòu)酶一般由兩個(gè)以上亞基組成，有兩個(gè)和低分子物質(zhì)變構(gòu)酶一般由兩個(gè)以上亞基組成，有兩個(gè)和低分子物質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)：結(jié)合位點(diǎn)：活性中心：與底物結(jié)合的催化中心活性中心：與底物結(jié)合的催化中心變構(gòu)中心：與調(diào)節(jié)因子相結(jié)合的調(diào)節(jié)中心變構(gòu)中心：與調(diào)節(jié)因子相結(jié)合的調(diào)節(jié)中心2.2 2.2 酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)2.3 2.3 反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的比較反饋?zhàn)瓒襞c反饋抑制的比較第三節(jié)第三節(jié) 次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制抗生素的生物合成途徑中，反饋調(diào)節(jié)作用包括：抗生素

11、的生物合成途徑中，反饋調(diào)節(jié)作用包括：抗生素本身積累起著反饋調(diào)節(jié)作用抗生素本身積累起著反饋調(diào)節(jié)作用作為抗生素合成前體的初級(jí)代謝產(chǎn)物，當(dāng)其受到反饋調(diào)節(jié)時(shí)，必然會(huì)影作為抗生素合成前體的初級(jí)代謝產(chǎn)物，當(dāng)其受到反饋調(diào)節(jié)時(shí)，必然會(huì)影響抗生素的合成。響抗生素的合成。 因此，這些代謝調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)質(zhì)上是提高抗生素發(fā)酵單位的天然因此，這些代謝調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)質(zhì)上是提高抗生素發(fā)酵單位的天然屏障，如果使調(diào)節(jié)機(jī)制脫敏，將有可能提高抗生素的產(chǎn)量。屏障，如果使調(diào)節(jié)機(jī)制脫敏，將有可能提高抗生素的產(chǎn)量。第三節(jié)第三節(jié) 次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)控制1. 次級(jí)代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)2. 次級(jí)代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)節(jié)次級(jí)

12、代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)節(jié)3. 次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié)4. 次級(jí)代謝次級(jí)代謝反饋反饋調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)5. 磷酸鹽調(diào)節(jié)磷酸鹽調(diào)節(jié)6. 細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié) 1. 兩種可能的誘導(dǎo)機(jī)制兩種可能的誘導(dǎo)機(jī)制誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物刺激影響初級(jí)代謝，造成代謝流的改變刺激影響初級(jí)代謝，造成代謝流的改變大量生成次生代謝物大量生成次生代謝物誘導(dǎo)物誘導(dǎo)物次生代謝物合成酶的合成次生代謝物合成酶的合成大量生產(chǎn)次生大量生產(chǎn)次生代謝物代謝物2. 實(shí)例實(shí)例色氨酸對(duì)麥角堿的作用色氨酸對(duì)麥角堿的作用蛋氨酸對(duì)頭孢霉素蛋氨酸對(duì)頭孢霉素C的作用的作用3. 大多數(shù)分解代謝酶屬于誘導(dǎo)酶，可以通過加大多數(shù)分解代謝酶屬于誘導(dǎo)酶，

13、可以通過加入誘導(dǎo)物使酶的產(chǎn)量提高。入誘導(dǎo)物使酶的產(chǎn)量提高。3.1 3.1 次級(jí)代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)1. 涉及對(duì)終產(chǎn)物阻遏涉及對(duì)終產(chǎn)物阻遏實(shí)例實(shí)例1：青霉素發(fā)酵過程中，葡萄糖不利于青霉素合成，而乳糖：青霉素發(fā)酵過程中，葡萄糖不利于青霉素合成，而乳糖雖利用緩慢，但能提高青霉素產(chǎn)量。雖利用緩慢，但能提高青霉素產(chǎn)量。實(shí)例實(shí)例2：頭孢霉素：頭孢霉素C的生物合成中，抗生素比產(chǎn)率遞減順序?yàn)椋旱纳锖铣芍?，抗生素比產(chǎn)率遞減順序?yàn)椋赫崽钦崽前肴樘前肴樘枪枪躯溠刻躯溠刻瞧咸烟牵渲姓崽鞘瞧咸烟堑膬杀镀咸烟?，其中蔗糖是葡萄糖的兩倍多。多?.2 次級(jí)代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)

14、節(jié)2. 抗生素受碳源分解調(diào)節(jié)的可能機(jī)制抗生素受碳源分解調(diào)節(jié)的可能機(jī)制(1) 可能與菌體生長(zhǎng)速率控制抗生素合成有關(guān)。菌體可能與菌體生長(zhǎng)速率控制抗生素合成有關(guān)。菌體生長(zhǎng)最好的碳源能抑制抗生素合成，因此，在低生生長(zhǎng)最好的碳源能抑制抗生素合成，因此，在低生長(zhǎng)率的情況下長(zhǎng)率的情況下(例如青霉素合成中緩慢補(bǔ)加葡萄糖例如青霉素合成中緩慢補(bǔ)加葡萄糖)可減少葡萄糖的干擾作用?？蓽p少葡萄糖的干擾作用。(2) 可能與分解代謝產(chǎn)物的堆積濃度有關(guān)。乳糖之所可能與分解代謝產(chǎn)物的堆積濃度有關(guān)。乳糖之所以比葡萄糖優(yōu)越，是因?yàn)榍罢弑凰鉃榭衫脝翁且员绕咸烟莾?yōu)越，是因?yàn)榍罢弑凰鉃榭衫脝翁堑乃俣日梅锨嗝顾卦谏a(chǎn)期合成抗生

15、素的需要，的速度正好符合青霉素在生產(chǎn)期合成抗生素的需要，而不會(huì)有分解代謝產(chǎn)物如丙酮酸的堆積。而不會(huì)有分解代謝產(chǎn)物如丙酮酸的堆積。3.2 3.2 次級(jí)代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物碳源分解調(diào)節(jié)1.定義：定義：氮源分解調(diào)節(jié)主要指含氮底物的酶氮源分解調(diào)節(jié)主要指含氮底物的酶(如蛋如蛋白酶、硝酸還原酶、酰胺酶、組氨酸酶和脲酶白酶、硝酸還原酶、酰胺酶、組氨酸酶和脲酶)的的合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。3.3 3.3 次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié)NH4+影響：影響：(1）pH值質(zhì)子梯度值質(zhì)子梯度 改變能量代謝改變能量代謝 細(xì)胞壁物質(zhì)和細(xì)胞壁

16、物質(zhì)和 結(jié)構(gòu)的功能；結(jié)構(gòu)的功能；(2)谷氨酰合成酶和丙谷氨酰合成酶和丙氨脫氫酶的合成；氨脫氫酶的合成；(3)高度磷酸化的核苷，高度磷酸化的核苷，如如ppGpp和和pppGpp可能通過可能通過級(jí)聯(lián)機(jī)制調(diào)節(jié)次級(jí)級(jí)聯(lián)機(jī)制調(diào)節(jié)次級(jí)代謝，而代謝，而ppGpp等等受氨基酸過量的負(fù)受氨基酸過量的負(fù)控制調(diào)節(jié)。控制調(diào)節(jié)。3.3 3.3 次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié)次級(jí)代謝產(chǎn)物氮源分解調(diào)節(jié)2. 2. 氮源分解調(diào)節(jié)的可能機(jī)制：氮源分解調(diào)節(jié)的可能機(jī)制：抗生素對(duì)自身產(chǎn)物抗生素對(duì)自身產(chǎn)物抑制的規(guī)律：抑制的規(guī)律： 抑制特定產(chǎn)生菌合成抗抑制特定產(chǎn)生菌合成抗生素所需濃度與生產(chǎn)水生素所需濃度與生產(chǎn)水平具有相關(guān)性，產(chǎn)生菌平具有相關(guān)性，

17、產(chǎn)生菌產(chǎn)量高，對(duì)自身抗生素產(chǎn)量高，對(duì)自身抗生素的耐受力強(qiáng)，反之則越的耐受力強(qiáng)，反之則越敏感。敏感。實(shí)例：氯霉素對(duì)芳基氨實(shí)例：氯霉素對(duì)芳基氨合成酶的合成酶的 反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)3.4 3.4 次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)1. 1. 次級(jí)代謝自身產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)次級(jí)代謝自身產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)2. 分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響次級(jí)途徑和初級(jí)途徑具有共同的分叉中間體，由分叉中間體產(chǎn)生的初級(jí)次級(jí)途徑和初級(jí)途徑具有共同的分叉中間體，由分叉中間體產(chǎn)生的初級(jí)代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)可能影響次級(jí)代謝產(chǎn)物的形成。代謝產(chǎn)物的反饋調(diào)節(jié)可能影響次級(jí)代謝產(chǎn)物的形成。3.4 3

18、.4 次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)實(shí)例實(shí)例1：賴氨酸對(duì)青：賴氨酸對(duì)青霉素生物合成的反霉素生物合成的反饋調(diào)節(jié)饋調(diào)節(jié)3.4 3.4 次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)2. 2. 分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響(1) (1) 次級(jí)途徑和初級(jí)途徑次級(jí)途徑和初級(jí)途徑具有共同的分叉中間體具有共同的分叉中間體實(shí)例實(shí)例2：色氨酸對(duì)殺假：色氨酸對(duì)殺假絲菌素生物合成的絲菌素生物合成的反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)3.4 3.4 次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)2. 2. 分支代謝初級(jí)代分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響級(jí)代謝的影響(1) (1) 次

19、級(jí)途徑和初級(jí)途徑次級(jí)途徑和初級(jí)途徑具有共同的分叉中間體具有共同的分叉中間體 (2) 初級(jí)代謝終產(chǎn)物作初級(jí)代謝終產(chǎn)物作為前體合成次生產(chǎn)物。為前體合成次生產(chǎn)物。實(shí)例：纈氨酸對(duì)實(shí)例：纈氨酸對(duì)青霉素生物合成青霉素生物合成的反饋調(diào)節(jié)的反饋調(diào)節(jié)3.4 3.4 次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)2. 2. 分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響在抗生素發(fā)酵中，在抗生素發(fā)酵中，加入前體可顯著加入前體可顯著增產(chǎn)，但前體加增產(chǎn)，但前體加入超過一定限度，入超過一定限度，將產(chǎn)生毒性。將產(chǎn)生毒性。3.4 3.4 次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)次級(jí)代謝反饋調(diào)節(jié)2. 2. 分支代謝初級(jí)代謝物反

20、饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響分支代謝初級(jí)代謝物反饋調(diào)節(jié)對(duì)次級(jí)代謝的影響(2) 初級(jí)代謝終產(chǎn)物作為前體合成次生產(chǎn)物。初級(jí)代謝終產(chǎn)物作為前體合成次生產(chǎn)物。1.磷酸鹽的亞適量磷酸鹽的亞適量: 已發(fā)現(xiàn)過量磷酸鹽對(duì)四環(huán)素、氨基糖苷類和多已發(fā)現(xiàn)過量磷酸鹽對(duì)四環(huán)素、氨基糖苷類和多烯大環(huán)內(nèi)酯類等烯大環(huán)內(nèi)酯類等32種抗生素的生物合成產(chǎn)生阻種抗生素的生物合成產(chǎn)生阻抑作用。所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，磷酸鹽常常被抑作用。所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，磷酸鹽常常被控制在適合菌體生長(zhǎng)的濃度以下，即所謂的亞控制在適合菌體生長(zhǎng)的濃度以下，即所謂的亞適量。適量。2. 磷酸鹽調(diào)節(jié)抗生素的生物合成的機(jī)制磷酸鹽調(diào)節(jié)抗生素的生物合成的機(jī)制按效應(yīng)來說，有直接

21、作用和間接效應(yīng)；按效應(yīng)來說，有直接作用和間接效應(yīng)；具體而言，磷酸鹽能影響抗生素合成中磷酸酯酶和前具體而言，磷酸鹽能影響抗生素合成中磷酸酯酶和前體形成過程中某種酶的活性；體形成過程中某種酶的活性；ATP直接影響某些抗生直接影響某些抗生素合成和糖代謝中某些酶的活性。素合成和糖代謝中某些酶的活性。3.5 3.5 磷酸鹽調(diào)節(jié)磷酸鹽調(diào)節(jié)如果細(xì)胞膜對(duì)某種物質(zhì)不能運(yùn)輸或者運(yùn)輸如果細(xì)胞膜對(duì)某種物質(zhì)不能運(yùn)輸或者運(yùn)輸功能發(fā)生障礙，其結(jié)果是：功能發(fā)生障礙，其結(jié)果是：一方面，細(xì)胞內(nèi)合成代謝的產(chǎn)物不能分泌到胞一方面，細(xì)胞內(nèi)合成代謝的產(chǎn)物不能分泌到胞外，必然會(huì)產(chǎn)生反饋調(diào)節(jié)作用，影響發(fā)酵產(chǎn)物外，必然會(huì)產(chǎn)生反饋調(diào)節(jié)作用，影響

22、發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)量；的生產(chǎn)量；另一方面，細(xì)胞外的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，另一方面，細(xì)胞外的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，從而影響產(chǎn)物的合成，造成產(chǎn)量下降。從而影響產(chǎn)物的合成，造成產(chǎn)量下降。3.6 3.6 細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)細(xì)胞膜透性的調(diào)節(jié)第四節(jié)第四節(jié) 代謝調(diào)節(jié)控制育種代謝調(diào)節(jié)控制育種 p.171 代謝調(diào)節(jié)控制育種代謝調(diào)節(jié)控制育種通過特定突變型的選育，達(dá)到改通過特定突變型的選育，達(dá)到改變代謝通路、降低支路代謝終產(chǎn)物的產(chǎn)生或切斷支變代謝通路、降低支路代謝終產(chǎn)物的產(chǎn)生或切斷支路代謝途徑及提高細(xì)胞膜的透性，使代謝流向目的路代謝途徑及提高細(xì)胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進(jìn)行。產(chǎn)物積累方向進(jìn)行。代謝控制發(fā)酵

23、：將微生物通過人工誘變，獲得代謝發(fā)生改變的突變株，在控制條件下，選擇性地大量生產(chǎn)某種人們所需要的產(chǎn)品?？狗答佌{(diào)節(jié)抗反饋調(diào)節(jié)突變株選育突變株選育1. 概念：指操縱基因或調(diào)節(jié)基因突變引起酶合成誘導(dǎo)機(jī)制概念：指操縱基因或調(diào)節(jié)基因突變引起酶合成誘導(dǎo)機(jī)制失靈，菌株不經(jīng)誘導(dǎo)也能合成酶、或不受終產(chǎn)物阻遏的調(diào)失靈，菌株不經(jīng)誘導(dǎo)也能合成酶、或不受終產(chǎn)物阻遏的調(diào)節(jié)突變型。節(jié)突變型。調(diào)節(jié)基因突變，致使不能形成活性化的阻抑物；調(diào)節(jié)基因突變，致使不能形成活性化的阻抑物；操縱基因突變，喪失和阻抑物結(jié)合的親和力。操縱基因突變，喪失和阻抑物結(jié)合的親和力。 因此，可以利用一些易同化碳源或價(jià)廉易得的碳源作為因此，可以利用一些易同

24、化碳源或價(jià)廉易得的碳源作為基質(zhì)生產(chǎn)所需的誘導(dǎo)酶類?；|(zhì)生產(chǎn)所需的誘導(dǎo)酶類。2. 篩選方法及實(shí)例篩選方法及實(shí)例(1) 限量誘導(dǎo)物恒化培養(yǎng)限量誘導(dǎo)物恒化培養(yǎng)(2) 循環(huán)培養(yǎng)循環(huán)培養(yǎng)(3) 鑒別性培養(yǎng)基的利用鑒別性培養(yǎng)基的利用(4) 篩選篩選4.1 4.1 組成型突變株的選育組成型突變株的選育 (1) 限量誘導(dǎo)物恒化培養(yǎng)限量誘導(dǎo)物恒化培養(yǎng)將野生型菌種經(jīng)誘變后移接到低將野生型菌種經(jīng)誘變后移接到低濃度誘導(dǎo)物的恒化器中連續(xù)培養(yǎng)濃度誘導(dǎo)物的恒化器中連續(xù)培養(yǎng)由于底物濃度低到對(duì)由于底物濃度低到對(duì)野生型不發(fā)生誘導(dǎo)作野生型不發(fā)生誘導(dǎo)作用，所以誘導(dǎo)型的野用，所以誘導(dǎo)型的野生菌不能生長(zhǎng)生菌不能生長(zhǎng)突變株由于不經(jīng)誘導(dǎo)突變

25、株由于不經(jīng)誘導(dǎo)即可產(chǎn)生誘導(dǎo)酶而利即可產(chǎn)生誘導(dǎo)酶而利用底物，因而得以生用底物，因而得以生長(zhǎng)成為組成型菌株長(zhǎng)成為組成型菌株4.1 4.1 組成型突變株的選育組成型突變株的選育2. 2. 篩選方法及實(shí)例篩選方法及實(shí)例 (2) 循環(huán)培養(yǎng)循環(huán)培養(yǎng)含有誘導(dǎo)物含有誘導(dǎo)物的培養(yǎng)基的培養(yǎng)基不含誘導(dǎo)物不含誘導(dǎo)物的培養(yǎng)基的培養(yǎng)基交替連續(xù)循環(huán)培養(yǎng)交替連續(xù)循環(huán)培養(yǎng)由于組成型突變株在兩種培養(yǎng)基由于組成型突變株在兩種培養(yǎng)基上都能產(chǎn)酶，生長(zhǎng)逐漸占優(yōu)勢(shì)上都能產(chǎn)酶，生長(zhǎng)逐漸占優(yōu)勢(shì)4.1 4.1 組成型突變株的選育組成型突變株的選育2. 2. 篩選方法及實(shí)例篩選方法及實(shí)例(3) 鑒別性培養(yǎng)基的利用鑒別性培養(yǎng)基的利用甘油作惟甘油作惟

26、一碳源一碳源涂布誘涂布誘變孢子變孢子懸液懸液噴上噴上O-O-硝基苯酚硝基苯酚-D-D-半乳糖苷半乳糖苷(ONPG)(ONPG)組成型組成型誘導(dǎo)型誘導(dǎo)型4.1 4.1 組成型突變株的選育組成型突變株的選育2. 2. 篩選方法及實(shí)例篩選方法及實(shí)例 (4) 篩選篩選經(jīng)誘變劑處理后的菌體移接到含有誘導(dǎo)能力低，經(jīng)誘變劑處理后的菌體移接到含有誘導(dǎo)能力低，但能作為良好碳源的誘導(dǎo)物的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，但能作為良好碳源的誘導(dǎo)物的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，突變體能良好生長(zhǎng)，野生型不能生長(zhǎng)。突變體能良好生長(zhǎng)，野生型不能生長(zhǎng)。例如：利用苯例如：利用苯-半乳糖半乳糖(PG)篩選篩選-半乳糖苷酶組成半乳糖苷酶組成型突變株。型突變株。4.

27、1 4.1 組成型突變株的選育組成型突變株的選育2. 2. 篩選方法及實(shí)例篩選方法及實(shí)例概念：抗分解阻遏和抗分解抑制的突變株。概念：抗分解阻遏和抗分解抑制的突變株。分解代謝阻遏現(xiàn)象：在初級(jí)或次級(jí)代謝中都存在，其含分解代謝阻遏現(xiàn)象：在初級(jí)或次級(jí)代謝中都存在，其含義是指代謝過程中酶的合成往往受高濃度的葡萄糖或其義是指代謝過程中酶的合成往往受高濃度的葡萄糖或其他易分解利用的碳源或氮源所抑制。他易分解利用的碳源或氮源所抑制。選育抗分解調(diào)節(jié)突變株選育抗分解調(diào)節(jié)突變株(如碳源、氮源或磷酸鹽分解調(diào)節(jié)如碳源、氮源或磷酸鹽分解調(diào)節(jié))，其實(shí)就是篩選合成酶的產(chǎn)生不受碳、氮、磷的代謝阻遏其實(shí)就是篩選合成酶的產(chǎn)生不受碳

28、、氮、磷的代謝阻遏或抑制的突變株，使抗生素提前到菌體生長(zhǎng)期開始合成，或抑制的突變株，使抗生素提前到菌體生長(zhǎng)期開始合成，延長(zhǎng)產(chǎn)抗期以提高產(chǎn)量。延長(zhǎng)產(chǎn)抗期以提高產(chǎn)量。4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育 篩選此類突變株的目的篩選此類突變株的目的由于葡萄糖分解產(chǎn)物的積累，阻遏抗生素合成的關(guān)鍵酶，由于葡萄糖分解產(chǎn)物的積累，阻遏抗生素合成的關(guān)鍵酶，從而抑制抗生素的合成。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用流加葡萄從而抑制抗生素的合成。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用流加葡萄糖或應(yīng)用混合碳源可以控制分解中間產(chǎn)物的累積來減少糖或應(yīng)用混合碳源可以控制分解中間產(chǎn)物的累積來減少不利影響，但最根本的辦法則是篩選抗碳源分解調(diào)

29、節(jié)突不利影響，但最根本的辦法則是篩選抗碳源分解調(diào)節(jié)突變株，以解除上述調(diào)節(jié)機(jī)制，達(dá)到增產(chǎn)的目的。變株，以解除上述調(diào)節(jié)機(jī)制，達(dá)到增產(chǎn)的目的。 篩選方法與實(shí)例篩選方法與實(shí)例(1) 循環(huán)培養(yǎng)法循環(huán)培養(yǎng)法(2) 鑒別性培養(yǎng)基鑒別性培養(yǎng)基(3) 特殊氮源特殊氮源(4) 葡萄糖結(jié)構(gòu)類似物葡萄糖結(jié)構(gòu)類似物4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育1. 1. 解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育(1) 循環(huán)培養(yǎng)法循環(huán)培養(yǎng)法快速利用的快速利用的碳源培養(yǎng)基碳源培養(yǎng)基慢速利用的慢速利用的碳源培養(yǎng)基碳源培養(yǎng)基交替培養(yǎng)交替培養(yǎng)突變型解除了阻遏現(xiàn)象，在乳糖突變型解除了阻遏現(xiàn)象，在乳糖的培養(yǎng)基上

30、比野生型生長(zhǎng)速度快，的培養(yǎng)基上比野生型生長(zhǎng)速度快，4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育1. 1. 解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育(2) 鑒別性培養(yǎng)基鑒別性培養(yǎng)基含有葡萄含有葡萄糖的瓊脂糖的瓊脂平板平板涂布誘涂布誘變后的變后的菌體菌體噴上噴上O-O-硝基苯酚硝基苯酚- -D-D-半乳糖苷半乳糖苷(ONPG)(ONPG)突變型突變型野生型野生型4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育1. 1. 解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育(3) 特殊氮源特殊氮源用葡萄糖為碳源，受阻遏酶的底物作為惟一氮源用葡萄糖為碳源，受阻遏酶的底物

31、作為惟一氮源配制成培養(yǎng)基，連續(xù)移接誘變后的產(chǎn)氣桿菌配制成培養(yǎng)基，連續(xù)移接誘變后的產(chǎn)氣桿菌(Aerobacters aerogenes)，可以篩選出不受葡萄糖，可以篩選出不受葡萄糖阻遏的組氨酸酶突變株。阻遏的組氨酸酶突變株。4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育1. 1. 解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育(4) 葡萄糖結(jié)構(gòu)類似物葡萄糖結(jié)構(gòu)類似物 特性：特性：2-dG和和3-mG既不被微生物代謝又具有分解既不被微生物代謝又具有分解阻遏作用，因此可用來篩選抗分解阻遏的突變株。阻遏作用，因此可用來篩選抗分解阻遏的突變株。2-dG3-mG4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突

32、變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育1. 1. 解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育 篩選方法篩選方法培養(yǎng)基要求含低濃度培養(yǎng)基要求含低濃度2-dG或或3-mG及一種生長(zhǎng)碳源，該及一種生長(zhǎng)碳源，該碳源必須經(jīng)相應(yīng)的誘導(dǎo)酶水解才能被微生物同化利用。碳源必須經(jīng)相應(yīng)的誘導(dǎo)酶水解才能被微生物同化利用。 抗性突變株的性質(zhì)抗性突變株的性質(zhì)應(yīng)用應(yīng)用2-dG或或3-mG不僅可以定向選育分解阻遏脫敏突變不僅可以定向選育分解阻遏脫敏突變株，也可有效地分離到高產(chǎn)菌株。株，也可有效地分離到高產(chǎn)菌株。4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育1. 1. 解除碳源調(diào)節(jié)突變株的選育解除碳源調(diào)節(jié)突變株的

33、選育(4) (4) 葡萄糖結(jié)構(gòu)類似物葡萄糖結(jié)構(gòu)類似物2. 解除氮源分解調(diào)節(jié)突變株的選育解除氮源分解調(diào)節(jié)突變株的選育氮源分解調(diào)節(jié)：指含氮產(chǎn)物的酶受快速利用的氮源阻遏。氮源分解調(diào)節(jié)：指含氮產(chǎn)物的酶受快速利用的氮源阻遏。類型：細(xì)菌、酵母、霉菌等微生物對(duì)初級(jí)代謝產(chǎn)物的氮類型：細(xì)菌、酵母、霉菌等微生物對(duì)初級(jí)代謝產(chǎn)物的氮降解物具有調(diào)節(jié)作用。次級(jí)代謝的氮降解物的阻遏主要降解物具有調(diào)節(jié)作用。次級(jí)代謝的氮降解物的阻遏主要指銨鹽和其他快速利用的氮源對(duì)抗生素生物合成具有分指銨鹽和其他快速利用的氮源對(duì)抗生素生物合成具有分解調(diào)節(jié)作用。解調(diào)節(jié)作用。實(shí)例：篩選芽孢桿菌中耐氨基酸菌株，是提高蛋白酶產(chǎn)實(shí)例：篩選芽孢桿菌中耐氨基

34、酸菌株，是提高蛋白酶產(chǎn)量的一種有效方法。量的一種有效方法。4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育3. 解除磷酸鹽調(diào)節(jié)突變株的選育解除磷酸鹽調(diào)節(jié)突變株的選育（A）磷酸鹽對(duì)次生產(chǎn)物的調(diào)節(jié)機(jī)制）磷酸鹽對(duì)次生產(chǎn)物的調(diào)節(jié)機(jī)制(1) 通過初級(jí)代謝的變化影響次級(jí)代謝通過初級(jí)代謝的變化影響次級(jí)代謝 加強(qiáng)初級(jí)代謝，推遲抗生素合成的起始；加強(qiáng)初級(jí)代謝，推遲抗生素合成的起始； 改變糖類分解代謝途徑，磷酸鹽有利于糖酵解，改變糖類分解代謝途徑，磷酸鹽有利于糖酵解，從而降低戊糖途徑的活力，導(dǎo)致某些以戊糖途徑為從而降低戊糖途徑的活力，導(dǎo)致某些以戊糖途徑為先導(dǎo)的抗生素合成受抑制；先導(dǎo)的抗生素合成受抑制；

35、 限制抗生素合成的誘導(dǎo)物；限制抗生素合成的誘導(dǎo)物； 抑制或阻遏磷酸脂酶類的合成。抑制或阻遏磷酸脂酶類的合成。(2) 磷酸鹽對(duì)磷酸鹽對(duì)ATP調(diào)節(jié)：磷酸鹽可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)：磷酸鹽可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的效應(yīng)物的效應(yīng)物cAMP、ATP等來控制抗生素的基因表達(dá)。等來控制抗生素的基因表達(dá)。4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育（B） 發(fā)酵過程中對(duì)磷酸鹽的控制發(fā)酵過程中對(duì)磷酸鹽的控制其添加濃度要嚴(yán)格限制在亞適量的水平，但最主要的目其添加濃度要嚴(yán)格限制在亞適量的水平，但最主要的目標(biāo)是選育解除磷酸鹽調(diào)節(jié)突變株。標(biāo)是選育解除磷酸鹽調(diào)節(jié)突變株。4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)

36、節(jié)突變株的選育3. 3. 解除磷酸鹽調(diào)節(jié)突變株的選育解除磷酸鹽調(diào)節(jié)突變株的選育 （C）抗磷酸突變）抗磷酸突變株的篩選方法株的篩選方法4.2 4.2 抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育抗分解調(diào)節(jié)突變株的選育3. 3. 解除磷酸解除磷酸 鹽鹽調(diào)節(jié)突變株的調(diào)節(jié)突變株的選育選育 營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株的特性：營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變株的特性： （1）代謝障礙突變株，由結(jié)構(gòu)基因突變引起合成代謝中一個(gè)）代謝障礙突變株，由結(jié)構(gòu)基因突變引起合成代謝中一個(gè)酶失活，使某個(gè)生化反應(yīng)發(fā)生遺傳性障礙，使菌株喪失合成酶失活，使某個(gè)生化反應(yīng)發(fā)生遺傳性障礙，使菌株喪失合成某種物質(zhì)的能力，導(dǎo)致該菌株在培養(yǎng)基中不添加這種物質(zhì)就某種物質(zhì)的能力，導(dǎo)致該菌株在培

37、養(yǎng)基中不添加這種物質(zhì)就無法生長(zhǎng)。無法生長(zhǎng)。 （2）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株常常會(huì)使發(fā)生障礙的前一步的中間代謝）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株常常會(huì)使發(fā)生障礙的前一步的中間代謝產(chǎn)物得到累積，這就成為利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)物得到累積，這就成為利用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵來積累有用中間代謝產(chǎn)物的依據(jù)。來積累有用中間代謝產(chǎn)物的依據(jù)。 （3）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株由于生物合成途徑中某一步發(fā)生障礙，）營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株由于生物合成途徑中某一步發(fā)生障礙，合成反應(yīng)不能完成，從而解除了終產(chǎn)物反饋?zhàn)枰?。外加限量合成反?yīng)不能完成，從而解除了終產(chǎn)物反饋?zhàn)枰帧Ｍ饧酉蘖啃枰臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，克服生長(zhǎng)的障礙，使終產(chǎn)物不至于積累到需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，克服生長(zhǎng)的

38、障礙，使終產(chǎn)物不至于積累到引起反饋調(diào)節(jié)的濃度，從而有利于中間產(chǎn)物或另一途徑的某引起反饋調(diào)節(jié)的濃度，從而有利于中間產(chǎn)物或另一途徑的某種終產(chǎn)物的積累。種終產(chǎn)物的積累。4.3 4.3 營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用1、在初級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中、在初級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中 的的應(yīng)用應(yīng)用（1）直線式生物合成途徑）直線式生物合成途徑4.3 4.3 營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用 （2） 分支式生物分支式生物合成途徑合成途徑 實(shí)例實(shí)例1：谷氨酸：谷氨酸棒狀桿菌的棒狀桿菌的L-谷氨酸生物合谷氨酸生物合成途徑成途徑生物素缺陷型生物素缺陷型硫胺素缺陷型硫胺

39、素缺陷型4.3 4.3 營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用1 1、在初級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用、在初級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用實(shí)例實(shí)例2：谷氨酸棒狀桿菌的腺核苷酸、鳥核苷酸的合：谷氨酸棒狀桿菌的腺核苷酸、鳥核苷酸的合成代謝途徑成代謝途徑腺嘌呤缺陷型腺嘌呤缺陷型協(xié)同反饋抑制協(xié)同反饋抑制實(shí)例實(shí)例3 高絲氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的賴氨酸合成途徑高絲氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株的賴氨酸合成途徑高絲氨酸缺陷型高絲氨酸缺陷型協(xié)同反饋抑制協(xié)同反饋抑制2. 在次級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用在次級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用（1）抗生素增產(chǎn)：抗生素產(chǎn)生菌的營(yíng)養(yǎng)缺陷株多數(shù)生產(chǎn)能力）抗生素增產(chǎn)：抗生素產(chǎn)生菌的營(yíng)養(yǎng)缺陷株多

40、數(shù)生產(chǎn)能力是下降的。然而，在初級(jí)或次級(jí)代謝產(chǎn)物的分支代謝途徑中，是下降的。然而，在初級(jí)或次級(jí)代謝產(chǎn)物的分支代謝途徑中，營(yíng)養(yǎng)缺陷型切斷初級(jí)代謝支路，有可能使抗生素增產(chǎn)。營(yíng)養(yǎng)缺陷型切斷初級(jí)代謝支路，有可能使抗生素增產(chǎn)。4.3 4.3 營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用實(shí)例：四環(huán)素、制霉菌素產(chǎn)生菌的脂肪酸缺陷型實(shí)例：四環(huán)素、制霉菌素產(chǎn)生菌的脂肪酸缺陷型可增加抗生素?？稍黾涌股亍Ｖ舅崛毕菪椭舅崛毕菪?（2）新產(chǎn)品）新產(chǎn)品 實(shí)例：實(shí)例： 金霉素第六碳原子上金霉素第六碳原子上甲基是由氮氨酸供甲基是由氮氨酸供應(yīng)的，如果獲得蛋應(yīng)的，如果獲得蛋氨酸缺陷型，阻斷氨酸缺陷型，阻斷

41、了蛋氨酸這一區(qū)段了蛋氨酸這一區(qū)段的合成，導(dǎo)致次級(jí)的合成，導(dǎo)致次級(jí)代謝中甲基供給受代謝中甲基供給受到限制，結(jié)果產(chǎn)生到限制，結(jié)果產(chǎn)生去甲基金霉素，而去甲基金霉素，而不產(chǎn)生金霉素。不產(chǎn)生金霉素。4.3 4.3 營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用2. 2. 在次級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用在次級(jí)代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用概念：滲漏缺陷型概念：滲漏缺陷型(leaky mutants)是一種特殊的營(yíng)是一種特殊的營(yíng)養(yǎng)缺陷型，是遺傳性代謝障礙不完全的突變型。其養(yǎng)缺陷型，是遺傳性代謝障礙不完全的突變型。其特點(diǎn)是酶活力下降而不完全喪失，并能在基本培養(yǎng)特點(diǎn)是酶活力下降而不完全喪失，并能在基本培養(yǎng)基

42、上少量生長(zhǎng)。基上少量生長(zhǎng)。篩選的方法：將大量營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株接種到基本培篩選的方法：將大量營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株接種到基本培養(yǎng)基平板上，挑選生長(zhǎng)特別慢而菌落小的即可。養(yǎng)基平板上，挑選生長(zhǎng)特別慢而菌落小的即可。應(yīng)用：正是利用了滲漏缺陷型既能少量合成代謝終應(yīng)用：正是利用了滲漏缺陷型既能少量合成代謝終產(chǎn)物，又不造成反饋抑制的特點(diǎn)。產(chǎn)物，又不造成反饋抑制的特點(diǎn)。4.4 4.4 滲漏缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用滲漏缺陷型在代謝調(diào)節(jié)育種中的應(yīng)用概念：抗反饋調(diào)節(jié)突變株是一種解除合成代謝反饋調(diào)節(jié)機(jī)概念：抗反饋調(diào)節(jié)突變株是一種解除合成代謝反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的突變型菌株。其特點(diǎn)是所需產(chǎn)物不斷積累，不會(huì)因其制的突變型菌株。其特點(diǎn)是

43、所需產(chǎn)物不斷積累，不會(huì)因其濃度超量而終止生產(chǎn)：濃度超量而終止生產(chǎn)：如果由于結(jié)構(gòu)基因突變而使變構(gòu)酶成為不能和代謝終產(chǎn)物相結(jié)如果由于結(jié)構(gòu)基因突變而使變構(gòu)酶成為不能和代謝終產(chǎn)物相結(jié)合的，便是失去了反饋抑制的突變，稱為合的，便是失去了反饋抑制的突變，稱為“抗反饋突變型抗反饋突變型”；如果是由于調(diào)節(jié)基因突變引起調(diào)節(jié)蛋白不能和代謝終產(chǎn)物相結(jié)如果是由于調(diào)節(jié)基因突變引起調(diào)節(jié)蛋白不能和代謝終產(chǎn)物相結(jié)合而失去阻遏作用的，稱為合而失去阻遏作用的，稱為“抗阻遏突變型抗阻遏突變型”。 一般而言，抗阻遏突變結(jié)果使胞內(nèi)酶有可能成倍增長(zhǎng)，而一般而言，抗阻遏突變結(jié)果使胞內(nèi)酶有可能成倍增長(zhǎng)，而抗反饋突變的胞內(nèi)酶量沒有什么變化。但

44、從作用效果上講，抗反饋突變的胞內(nèi)酶量沒有什么變化。但從作用效果上講，均造成終產(chǎn)物大量積累，而且往往兩種突變同時(shí)發(fā)生，難均造成終產(chǎn)物大量積累，而且往往兩種突變同時(shí)發(fā)生，難以區(qū)別。通常就統(tǒng)稱為以區(qū)別。通常就統(tǒng)稱為“抗反饋調(diào)節(jié)突變型抗反饋調(diào)節(jié)突變型”。4.5 4.5 抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育在實(shí)際應(yīng)用中，抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育可在實(shí)際應(yīng)用中，抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育可以通過以下幾個(gè)方面：以通過以下幾個(gè)方面：從遺傳上解除反饋調(diào)節(jié)從遺傳上解除反饋調(diào)節(jié) (如各種抗性和耐性育種、如各種抗性和耐性育種、回復(fù)突變子的應(yīng)用等回復(fù)突變子的應(yīng)用等)截流或減少終產(chǎn)物堆積截流或減少終產(chǎn)物堆積 (如借助營(yíng)

45、養(yǎng)缺陷型或采用如借助營(yíng)養(yǎng)缺陷型或采用滲漏缺陷型等滲漏缺陷型等)移去終產(chǎn)物移去終產(chǎn)物 (借助膜透性的突變等借助膜透性的突變等)4.5 4.5 抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育1、回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株、回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株2、耐自身產(chǎn)物突變株選育、耐自身產(chǎn)物突變株選育3、抗終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物突變株的選育、抗終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物突變株的選育4、累積前體和耐前體突變株的選育、累積前體和耐前體突變株的選育4.5 抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育抗反饋調(diào)節(jié)突變株的選育1. 概念：一種可逆性突變，即具有突變型基因的個(gè)體通過再突變概念：一種可逆性突變，即具有突變型基因的個(gè)體通過再突變又成為野生

46、型表型的過程。又成為野生型表型的過程。2. 產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因(1) 原有基因的回復(fù)突變：指基因內(nèi)部位點(diǎn)突變引起的逆向突變現(xiàn)象，分以下原有基因的回復(fù)突變：指基因內(nèi)部位點(diǎn)突變引起的逆向突變現(xiàn)象，分以下兩種情況：兩種情況： 同一基因內(nèi)的同一個(gè)或幾個(gè)堿基的突變引起的回復(fù)，消除了原有突變同一基因內(nèi)的同一個(gè)或幾個(gè)堿基的突變引起的回復(fù)，消除了原有突變效應(yīng)，完全恢復(fù)野生基因型及其功能，即真正的回復(fù)突變；效應(yīng)，完全恢復(fù)野生基因型及其功能，即真正的回復(fù)突變； 在同一基因內(nèi)，但不同的位點(diǎn)堿基的變化，改變了基因的核苷酸序列，在同一基因內(nèi)，但不同的位點(diǎn)堿基的變化，改變了基因的核苷酸序列，補(bǔ)償了原有突變點(diǎn)已失去的功能

47、，使其出現(xiàn)野生表型，稱為基因內(nèi)抑制補(bǔ)償了原有突變點(diǎn)已失去的功能，使其出現(xiàn)野生表型，稱為基因內(nèi)抑制突變。突變。4.5.1 4.5.1 回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株(2) 非原有基因的回復(fù)突變非原有基因的回復(fù)突變概念：在概念：在DNA分子鏈上的一個(gè)基因突變成為突變分子鏈上的一個(gè)基因突變成為突變型，隨后在鄰近的基因某位點(diǎn)堿基發(fā)生突變，抑型，隨后在鄰近的基因某位點(diǎn)堿基發(fā)生突變，抑制了前一個(gè)突變基因的效應(yīng)，重新出現(xiàn)野生型的制了前一個(gè)突變基因的效應(yīng)，重新出現(xiàn)野生型的表型，又稱為抑制基因突變。表型，又稱為抑制基因突變。4.5.1 4.5.1 回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株回復(fù)

48、突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株2. 2. 產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因 區(qū)別基因回復(fù)突變和抑制基因突變的方法區(qū)別基因回復(fù)突變和抑制基因突變的方法將回復(fù)突變菌株和野生型菌株進(jìn)行回交試驗(yàn)或雜交將回復(fù)突變菌株和野生型菌株進(jìn)行回交試驗(yàn)或雜交重組試驗(yàn)，觀察它們的子代是否有突變型出現(xiàn)：重組試驗(yàn)，觀察它們的子代是否有突變型出現(xiàn)： 有同樣的突變型重新出現(xiàn)，說明回復(fù)突變和原來突變有同樣的突變型重新出現(xiàn)，說明回復(fù)突變和原來突變型不在同一位置而是分開的，屬于抑制基因回復(fù)突變株；型不在同一位置而是分開的，屬于抑制基因回復(fù)突變株； 如果雜交后代沒有產(chǎn)生突變型，表明回復(fù)突變的位置如果雜交后代沒有產(chǎn)生突變型，表明回復(fù)突變的位置與原突變

49、型位點(diǎn)相同，是真正的回復(fù)突變。與原突變型位點(diǎn)相同，是真正的回復(fù)突變。4.5.1 4.5.1 回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株3. 回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株的篩選回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株的篩選 (1) 初級(jí)代謝途徑障礙性回復(fù)突變型初級(jí)代謝途徑障礙性回復(fù)突變型采用回復(fù)突變方法來篩選抗反饋調(diào)節(jié)突變株是根據(jù)采用回復(fù)突變方法來篩選抗反饋調(diào)節(jié)突變株是根據(jù)“原原養(yǎng)型養(yǎng)型營(yíng)缺型營(yíng)缺型原養(yǎng)型原養(yǎng)型”選育途徑進(jìn)行的。二次突變后選育途徑進(jìn)行的。二次突變后的情況有以下兩種：的情況有以下兩種： 一種是在原位點(diǎn)發(fā)生回復(fù)突變，恢復(fù)野生型酶活力；一種是在原位點(diǎn)發(fā)生回復(fù)突變，恢復(fù)野生型酶

50、活力； 另一種是在原突變位點(diǎn)以外位置回復(fù)突變。這種回復(fù)突變體的另一種是在原突變位點(diǎn)以外位置回復(fù)突變。這種回復(fù)突變體的表型雖然與原養(yǎng)型相似，但基因型不同，它并不是原有結(jié)構(gòu)基因表型雖然與原養(yǎng)型相似，但基因型不同，它并不是原有結(jié)構(gòu)基因的恢復(fù)，而是反饋調(diào)節(jié)變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)中心發(fā)生突變?cè)斐?。突變后的恢?fù)，而是反饋調(diào)節(jié)變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)中心發(fā)生突變?cè)斐伞Ｍ蛔兒蟮恼{(diào)節(jié)中心與活性中心相互影響，催化位點(diǎn)得以恢復(fù)酶活力，由的調(diào)節(jié)中心與活性中心相互影響，催化位點(diǎn)得以恢復(fù)酶活力，由于調(diào)節(jié)位點(diǎn)已發(fā)生突變，它不能再和阻遏物結(jié)合，因此，回復(fù)突于調(diào)節(jié)位點(diǎn)已發(fā)生突變，它不能再和阻遏物結(jié)合，因此，回復(fù)突變解除了反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，使有效代謝產(chǎn)物

51、大量累積。變解除了反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，使有效代謝產(chǎn)物大量累積。4.5.1 4.5.1 回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株 (2) 次級(jí)代謝途徑障礙性的回復(fù)突變次級(jí)代謝途徑障礙性的回復(fù)突變次級(jí)代謝回復(fù)突變，是一種初級(jí)代謝途徑或次級(jí)代謝途徑障次級(jí)代謝回復(fù)突變，是一種初級(jí)代謝途徑或次級(jí)代謝途徑障礙性回復(fù)突變型。例如金霉素回復(fù)突變就是利用礙性回復(fù)突變型。例如金霉素回復(fù)突變就是利用“原養(yǎng)型原養(yǎng)型營(yíng)缺型營(yíng)缺型原養(yǎng)型原養(yǎng)型”選育途徑進(jìn)行的，獲得了增產(chǎn)。選育途徑進(jìn)行的，獲得了增產(chǎn)。除放線菌外，真核微生物獲得高活性的回復(fù)突變的例子不多。除放線菌外，真核微生物獲得高活性的回復(fù)突變的例子不多。回

52、復(fù)突變的選育途徑也可以應(yīng)用回復(fù)突變的選育途徑也可以應(yīng)用“零變株零變株”的回復(fù)突變型來的回復(fù)突變型來達(dá)到超產(chǎn)目的。達(dá)到超產(chǎn)目的。“零變株零變株”指完全失去產(chǎn)生抗生素能力的突變株；指完全失去產(chǎn)生抗生素能力的突變株；選育途徑是：原養(yǎng)型選育途徑是：原養(yǎng)型零變株零變株回復(fù)突變型?；貜?fù)突變型?！傲阃蛔兞阃蛔儭笨梢园l(fā)生在初級(jí)代謝，也可以發(fā)生在次生代謝途徑中，總可以發(fā)生在初級(jí)代謝，也可以發(fā)生在次生代謝途徑中，總之是失去了產(chǎn)量的代謝障礙突變。之是失去了產(chǎn)量的代謝障礙突變?！傲阕冎炅阕冎辍钡幕貜?fù)突變株的篩選的回復(fù)突變株的篩選4.5.1 4.5.1 回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株3.

53、3. 回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株的篩選回復(fù)突變引起的抗反饋調(diào)節(jié)突變株的篩選發(fā)生障礙性突變的營(yíng)養(yǎng)缺陷型，抗生素產(chǎn)量大多數(shù)發(fā)生障礙性突變的營(yíng)養(yǎng)缺陷型，抗生素產(chǎn)量大多數(shù)都比親株低，而回復(fù)突變株往往比原養(yǎng)型親株高。都比親株低，而回復(fù)突變株往往比原養(yǎng)型親株高。原因在于：原因在于：A. 缺陷型菌株中幾種不能合成的氨基酸都是參與相應(yīng)抗缺陷型菌株中幾種不能合成的氨基酸都是參與相應(yīng)抗生素生物合成的，基因突變的結(jié)果是使菌體喪失參與合生素生物合成的，基因突變的結(jié)果是使菌體喪失參與合成這些氨基酸的酶活力，導(dǎo)致有關(guān)抗生素合成過程因缺成這些氨基酸的酶活力，導(dǎo)致有關(guān)抗生素合成過程因缺乏氨基酸而產(chǎn)量下降。乏氨基酸而產(chǎn)量下

54、降。B. 回復(fù)突變除原變異位點(diǎn)發(fā)生逆轉(zhuǎn)突變而使野生型基因回復(fù)突變除原變異位點(diǎn)發(fā)生逆轉(zhuǎn)突變而使野生型基因重建以外，有時(shí)還會(huì)發(fā)生原突變位點(diǎn)以外的基因內(nèi)抑制重建以外，有時(shí)還會(huì)發(fā)生原突變位點(diǎn)以外的基因內(nèi)抑制或抑制基因突變?；蛞种苹蛲蛔?。自身代謝產(chǎn)物，包括初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。自身代謝產(chǎn)物，包括初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物。微生物控制初級(jí)代謝產(chǎn)物的反饋機(jī)制相當(dāng)嚴(yán)格；微生物控制初級(jí)代謝產(chǎn)物的反饋機(jī)制相當(dāng)嚴(yán)格；對(duì)次生產(chǎn)物，反饋調(diào)節(jié)機(jī)制也起重要作用。對(duì)次生產(chǎn)物，反饋調(diào)節(jié)機(jī)制也起重要作用。 要使這些產(chǎn)物適量生產(chǎn)，必須繞過這些調(diào)節(jié)機(jī)制。要使這些產(chǎn)物適量生產(chǎn)，必須繞過這些調(diào)節(jié)機(jī)制。一個(gè)菌株的生產(chǎn)能力與耐自身抗

55、生素的濃度是成正相關(guān)的。一個(gè)菌株的生產(chǎn)能力與耐自身抗生素的濃度是成正相關(guān)的?？棺陨懋a(chǎn)物能力是高產(chǎn)菌株的特性之一?？棺陨懋a(chǎn)物能力是高產(chǎn)菌株的特性之一。除耐自身產(chǎn)物之外，還可以考慮與以下情況結(jié)合進(jìn)行：除耐自身產(chǎn)物之外，還可以考慮與以下情況結(jié)合進(jìn)行：第一，抗第一，抗Mg 2離子突變離子突變第二，許多抗生素的鈍化酶已知作為選擇性標(biāo)記，設(shè)想篩選高活第二，許多抗生素的鈍化酶已知作為選擇性標(biāo)記，設(shè)想篩選高活性鈍化酶的變株，其自身耐性亦會(huì)提高。性鈍化酶的變株，其自身耐性亦會(huì)提高。 鈍化酶：又稱合成酶，可催化某些基團(tuán)結(jié)合到抗生素的鈍化酶：又稱合成酶，可催化某些基團(tuán)結(jié)合到抗生素的OH基或基或NH2基上，使抗生素失

56、活。基上，使抗生素失活。 4.5.2 4.5.2 耐自身產(chǎn)物突變株選育耐自身產(chǎn)物突變株選育1. 結(jié)構(gòu)類似物是指那些在結(jié)構(gòu)上和代謝終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物是指那些在結(jié)構(gòu)上和代謝終產(chǎn)物(氨基酸、嘌呤、維生素等氨基酸、嘌呤、維生素等)相似相似的物質(zhì)。它們和終產(chǎn)物一樣能夠和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，起共遏物作用，的物質(zhì)。它們和終產(chǎn)物一樣能夠和變構(gòu)酶的調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合，起共遏物作用，用酶變構(gòu)引起反饋?zhàn)枰?；所不同的是，終產(chǎn)物與酶結(jié)合是可逆的，而類似物用酶變構(gòu)引起反饋?zhàn)枰?；所不同的是，終產(chǎn)物與酶結(jié)合是可逆的，而類似物由于不真正摻入細(xì)胞結(jié)構(gòu)，酶活性不會(huì)恢復(fù)，因而是由于不真正摻入細(xì)胞結(jié)構(gòu)，酶活性不會(huì)恢復(fù)，因而是“假反饋抑制假反饋抑制”。4.5.3 4.5.3 抗終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物突變株的選育抗終產(chǎn)物結(jié)構(gòu)類似物突變株的選育2. 結(jié)構(gòu)類似物對(duì)微生物是致死的，它們往往具有抑菌的作用。結(jié)構(gòu)類似物對(duì)微生物是致死的，它們往往具有抑菌的作用。在含有結(jié)構(gòu)類似物的培養(yǎng)基上野生型是不能生長(zhǎng)，然而抗結(jié)在含有結(jié)構(gòu)類似