華理微生物筆記-發(fā)酵調(diào)控學(xué)版

1細(xì)胞周期內(nèi)有關(guān)生長的活動(dòng) 與細(xì)胞的調(diào)絲狀菌生長分化的調(diào)2調(diào)節(jié)的生化代謝調(diào)節(jié)的方式與內(nèi)容：誘導(dǎo)、分解代謝物調(diào)節(jié)、反3次級(jí)代謝物的生物的調(diào)生物的前抗生素生物的控4(1)控制的策微生物發(fā)酵代謝調(diào)控與發(fā)酵過程優(yōu)化 的，這兩個(gè)方向相輔相成，前者為后者的基礎(chǔ)，而后者是使理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)段。為了控制菌體的生長，需要了解生長的方式，細(xì)胞和調(diào)節(jié)的規(guī)律，測(cè)量微生物生長的各種辦法，微生物生長繁殖的形式與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系，環(huán)境變化對(duì)微生物生長的影響。因此，研究微生物的生長分化規(guī)律無疑是發(fā)酵調(diào)控原理的一個(gè)重要組成部分。對(duì) 細(xì)胞行為，主要關(guān)啟動(dòng) 和分新細(xì)胞壁材料 細(xì)胞周期(Cellcycle)：1 典型的真核生物細(xì)胞周期:S,M和G1,G2分別代表DNA,有絲分若生長速率因養(yǎng)分多寡而改變SG2M幾乎不變,G1MTG:meangeneration,其期C相當(dāng)于細(xì)胞期D相當(dāng)于CD不隨生長速率變化,G1可變動(dòng)。細(xì)胞周期的各項(xiàng)活動(dòng)怎樣去適應(yīng)生長速率變與細(xì)胞的調(diào)怎樣與細(xì)胞協(xié)調(diào)在高速生長下,如細(xì)胞周期為30min, 為此，未等前一輪結(jié)束，后一輪 可以把C期的啟動(dòng)和終止,以及細(xì)胞 看作是不可更改的活動(dòng)順序,稱為C+D周期。若增代時(shí)間少于C+D時(shí)間,C+D周期 ，其重要特征是分配到子細(xì)胞的已開始新的一輪。這類 圖2大腸桿菌的 未完成，細(xì)胞就不會(huì)。不管生長速率如何，大腸桿菌的細(xì)胞總是出 不管生長速率如何，CDCD可以依次或同時(shí)(指上一輪的D和下一輪的C)進(jìn)行某一臨界水平,啟動(dòng)便開始。在這以后啟動(dòng)因子被毀或稀釋。啟動(dòng)因子達(dá)到有效濃度所需大腸桿菌在啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)因子數(shù)量與細(xì)胞質(zhì)量之比在各種生長速率下是一樣的。這一比例實(shí)際上是新一輪的。啟動(dòng)的直接是啟動(dòng)因子的濃度提高一倍。啟動(dòng)不會(huì)重新發(fā)生直到其濃度因生長而降到臨界值。這種控制機(jī)制構(gòu)成一種生物鐘。它是以細(xì)胞體積或其它有關(guān)參數(shù)為依據(jù)。據(jù)此，的啟動(dòng)頻率是A速率的控制步驟。 啟動(dòng)動(dòng)后 不再啟動(dòng)，M增加，M 2M，使I’逐漸下降， 啟動(dòng)的過程需要蛋白質(zhì)，如蛋白質(zhì)受阻，已啟動(dòng)的DNA能完成，但不能啟動(dòng)新一輪DNA。 或 或氯霉素抑制RNA或蛋白

去營養(yǎng)缺陷型所需的氨基酸都 培養(yǎng)物進(jìn)入穩(wěn)定生長期后，中止生長的細(xì)胞含有完整的。啟動(dòng)總是在上的專一位置上進(jìn)行。此位點(diǎn)稱為或原點(diǎn)。在大腸桿菌此位點(diǎn)很靠近ilv座位。在大腸桿菌和枯草桿菌中叉以兩個(gè)方向沿離原點(diǎn)180度地方相遇啟動(dòng)的頻率取決于細(xì)胞量增長的速率，即生長停止，啟動(dòng)也隨著停止是預(yù)料中的事。細(xì)胞周期的研究方法1用電子顯微鏡觀察單個(gè)細(xì)胞的生長，定時(shí)拍照。由此發(fā)現(xiàn)大腸桿菌在時(shí)細(xì)胞個(gè)子的變化不大。細(xì)胞周期的 說明似乎存在一種控制細(xì)胞個(gè)子大小的因子即尺寸因子(sizefactor),可能是啟動(dòng)細(xì)胞質(zhì)量(initiationmass)。鏡檢2同步培養(yǎng)(Synchrony)密度梯度離心沉降按細(xì)胞的大小/把在對(duì)數(shù)生長期的培養(yǎng)物分級(jí)H2O/D2O密度梯度沉降法能應(yīng)用于任何品種 不會(huì)施加滲透壓強(qiáng)的影響蛋白質(zhì)速率與細(xì)胞長度(體積)成正比，從而與細(xì)胞成正比(2)過濾洗脫將細(xì)胞粘附在固體支持物，如硝化纖維膜上，然后將其倒置，讓生長培養(yǎng)基從上到下通過，新生的細(xì)胞便被洗脫到培養(yǎng)基中，呈一種特征性的振蕩模式，見圖－23。在初始沖洗(wash-off)期后從濾膜上洗脫下來的主要是新的細(xì)胞。在洗脫曲線 細(xì)胞后代。洗脫 off)的振蕩模式可以測(cè)出細(xì)胞周期3如親本培養(yǎng)物沉積在濾膜上之前用氚標(biāo)記的胸苷使細(xì)胞帶上標(biāo)記，則結(jié)合到洗脫細(xì)胞的標(biāo)記量與結(jié)合到親本培養(yǎng)物那一細(xì)胞的標(biāo)記量成正比?？梢苑謩e求得C和D值上層的細(xì)胞，在含有氚-標(biāo)記胸苷的生長培養(yǎng)基上生長，測(cè)量其DNA速率。3洗脫前在無標(biāo)記培養(yǎng)基中生長，洗脫時(shí)用帶標(biāo)記的培養(yǎng)基，得到的帶DNA呈階梯上4生長培養(yǎng)基越豐富，細(xì)菌生長速率加快，其細(xì)胞的個(gè)子也越如在同一種培養(yǎng)基內(nèi)改變溫度也會(huì)影響生長速率，但對(duì)細(xì)胞個(gè)子大小幾乎沒有多4如一細(xì)胞的增代時(shí)間為60min，在細(xì)胞時(shí)便開始啟動(dòng)。假設(shè)細(xì)胞這時(shí)具有質(zhì)M(啟動(dòng)細(xì)胞量=1/啟動(dòng)因子濃度)。細(xì)胞的量在指數(shù)地增加，直 2M，細(xì)胞便開始此時(shí)從培養(yǎng)液中檢出新生的細(xì)胞，置于較豐富的培養(yǎng)(能使菌快速生長,增代時(shí)35min)中，并假定細(xì)胞迅速調(diào)整到新的生長速率。新一輪的啟動(dòng)將在細(xì) 前便開始換句話說，C+D周期現(xiàn)在開始 M= 曲線的形狀將取決C，DK是否變只有在簡單情況logMt作曲線才會(huì)得一直在一來自期細(xì)胞的培養(yǎng)物的生長期間，在細(xì)胞數(shù)目開始增加以前有一相當(dāng)長的停滯期。細(xì)胞量開始增長的滯后現(xiàn)象短一些。如達(dá)到物態(tài)的指數(shù)生長，則所有可測(cè)的參數(shù)也將平行地增長當(dāng)培養(yǎng)物進(jìn) 期便發(fā)生與上述‘相’反的活動(dòng)順序因啟動(dòng)速率比細(xì) C＋D分鐘 新的一 的啟動(dòng)頻率取決于新細(xì)胞量的積累速率，則吸光度與細(xì)胞數(shù)目至少C＋D分鐘不平行。細(xì)胞中的DNA%隨生長速率的增加而下降，可用式1-28表示G/M=[τ/(KCln2)](1-2- 式中G是組的當(dāng)量，為每個(gè)細(xì)胞的DNA平均值。生長速率對(duì)DNA濃度和平均構(gòu)型的影響704020生長速率對(duì)DNA濃度和平均構(gòu)型的影一個(gè)啟動(dòng)細(xì)胞量單位含有一個(gè)剛開始一輪的。用一水平線C分鐘長度表示。它在縱軸上所處高度代表細(xì)胞量。假定細(xì)胞量的時(shí)間為70min，見圖1-28a，將出現(xiàn)輪與輪的間隙。當(dāng)細(xì)胞量增加到三倍時(shí)它將完成4個(gè)好的。生長速率對(duì)DNA濃度和平均構(gòu)型的影如在零小時(shí)把細(xì)胞置于增代時(shí)間為40min的培養(yǎng)基內(nèi)，見圖1-28b，則新一輪將緊跟在上一輪完成之后開始，輪與輪之間不存在間隙。待細(xì)胞量增到3個(gè)單位時(shí)，第二輪的復(fù)制將不會(huì)完成。結(jié)果得到2條了一半的，DNA濃度下降到3/3。生長速率對(duì)DNA濃度和平均構(gòu)型的如將細(xì)胞置于增代時(shí)間為20min的培養(yǎng)基內(nèi),在第一輪還未完成前第二輪已開始。當(dāng)細(xì)胞量達(dá)到3時(shí),只有一個(gè)帶三個(gè)叉的，見圖1-28c，DNA濃度進(jìn)一步下降到生長速率對(duì)DNA濃度和平均構(gòu)型的影響生長速率影響上不同位置的相對(duì)拷貝數(shù)在一隨機(jī)的指數(shù)培養(yǎng)物中，接近原點(diǎn)處的，其拷貝數(shù)總是居多，靠近兩端的較少生長速率影響上不同位置的相對(duì)拷貝數(shù)DNA的濃度隨生長速率的增加而下跌，從而不同程度地影響濃度。那些靠近 近末端的濃度最低在一個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)，一個(gè)濃度相對(duì)另一個(gè)而言，可相差4倍。生長速率對(duì)不同作用，據(jù)此，對(duì)生長速率有限制作用的應(yīng)位于靠近原點(diǎn)處。其實(shí)，這是為什么大腸桿菌中有6個(gè)拷貝編碼核糖體A的都在原點(diǎn)的附近的緣故。每個(gè)細(xì)胞RNA隨生長速率的變化可以達(dá)10倍之多。在快速生長的細(xì)胞中RNA的含量可以達(dá)到細(xì)胞重量的30％。每個(gè)細(xì)胞的 也隨生長速率的提高而增加，但程度低一些。因此，以細(xì)胞重量衡量DNA含量是減少細(xì)胞的外殼的厚度通常不變，胞壁和質(zhì)膜在整個(gè)細(xì)胞中的比例隨細(xì)胞個(gè)子的增大而減小。絲狀菌生長分化的調(diào)節(jié)微生物的生微生物的生長分化受其自身和外界多種因素的調(diào)節(jié)。這里以真菌為對(duì)象，闡述菌絲體形態(tài)調(diào)節(jié)的規(guī)律。霉菌和放線菌均為絲狀微生物。其生長方式是菌絲(hyphae)末梢伸長、分枝(1-5)和交錯(cuò)成(1-6)，稱為(mycelium)。一定長度的真菌菌絲，其橫切面有間隔膜。真菌屬細(xì)胞一旦形成后便保持其完整性，且與其相鄰細(xì)胞的菌齡不同，越靠近末梢的菌絲，越年輕。放線菌、鏈霉菌和諾卡氏菌屬均屬于放線菌屬，為原核生物，革蘭氏染色呈陽性。它們無核膜和細(xì)胞器，其菌絲直徑約1μm)比霉菌2μm)細(xì)，易折斷。許多真菌能形成孢子，稱為分生孢子。菌絲頂端生長(Apicalgrowthof菌絲僅在頂端(末梢)生長,其余部分的菌絲壁加厚，但不擴(kuò)展。居間生長(intercalarygrowth)的細(xì)胞的均能擴(kuò)展與大多數(shù)菌絲頂端生長機(jī)制都與泡囊(vesicles)在頂端的有關(guān)。一旦生長停止，泡囊在頂端，并分布在次頂部生長區(qū)。含有細(xì)胞壁溶解酶的泡囊與質(zhì)膜融合細(xì)胞壁由于原生質(zhì)壓力而擴(kuò)展，泡囊與質(zhì)膜融合，出細(xì)胞壁酶新細(xì)胞壁的前體由泡囊提供，細(xì)胞壁的從質(zhì)膜向外擴(kuò)展泡囊是一種由單層膜的細(xì)胞器,可把它看作是溶酶體復(fù)合物或內(nèi)膜復(fù)合物的一部分。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生泡囊的區(qū)域位于菌絲的次頂部,藉化學(xué)或電化學(xué)濃度梯度(推動(dòng)力)移動(dòng)的。用細(xì)胞松弛素ocli)可以完全抑制細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)，從而泡囊的移動(dòng)和生長。故細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)是生長的推動(dòng)力，使泡囊流向菌絲頂端。如菌絲頂端同其次頂部區(qū)域被,則生長便緩慢下來；如切斷的地方離開頂端遠(yuǎn)些,對(duì)生長的影響便小得多。一種是導(dǎo)向菌絲頂端的快速流動(dòng)。菌絲頂端失水,造成頂端與次頂端之間的水勢(shì)梯度，從而另一種形式的胞質(zhì)流動(dòng)為雙向流動(dòng)或環(huán)流(Cyclosis),其流動(dòng)速率要慢得泡囊的形成是由(Golgi)體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(Endoplasmicreticulum)的特定區(qū)域，再輸新的細(xì)胞壁成分,其前體或預(yù)制。對(duì)孢子發(fā)芽的研究可獲得有關(guān)頂端生長的有用的信,開始孢子吸水膨脹,這時(shí)細(xì)胞壁材料散布在孢子周圍內(nèi)表面,隨后長出芽故極性生長并不是一開始就有的特性，而是在非極性各向同性條件下有些真菌的極性生長非各向同性被無限地推遲。黑曲霉的孢44℃下生長，它繼續(xù)膨脹，形成巨細(xì)胞。如這時(shí)再轉(zhuǎn)30℃下生長，它會(huì)表現(xiàn)得很特殊。從巨細(xì)胞中伸出芽管，隨后形成孢子1-37。這說明在孢子膨脹期間黑曲霉也能正常地成熟，甚至產(chǎn)生孢子，只是要等到適合于極性生長時(shí)機(jī)才能表達(dá)這種潛在能力。研究頂端生長過程的另一種實(shí)驗(yàn)方法是用水浸沒鐮刀菌菌落，觀察其頂端生長情況。結(jié)果有半數(shù)菌絲末1分鐘后重新生長，只是在膨脹的菌絲頂端長出較細(xì)的菌絲。其重復(fù)以上試驗(yàn)，但這次加水后等0秒，再加入等滲溶液即與瓊脂的滲透壓一樣的溶液這些現(xiàn)象說明，生長可能包含兩個(gè)過程塑性頂端的延伸細(xì)胞壁的硬化，即隨頂端延伸后的硬化在正常生長情況下這兩個(gè)過程以同樣的速率進(jìn)行，只是硬化緊隨頂端延伸之后，故總是只有一小段延伸區(qū)域呈塑性。菌絲浸水試驗(yàn)的第一種情況可解釋為浸水后生長延伸停止，菌絲頂端在重新調(diào)整其新的滲透壓期間，細(xì)胞壁的硬化繼續(xù)進(jìn)行，在頂端還未完全‘封住’前，在剩下的還未硬化的當(dāng)中塑性部位繼續(xù)長出一細(xì)芽；對(duì)第二種情況，生長再次受到干擾，耽誤了在剩余部位出芽的時(shí)機(jī)，最終頂端全被‘封住’。這期間胞質(zhì)繼續(xù)流動(dòng)的結(jié)果菌絲頂端膨脹，過幾分鐘便會(huì)在其它薄弱部位找到突破口，抽出一個(gè)以上完全新的細(xì)芽。細(xì)胞壁的硬化是指胞壁的加厚或完全新的細(xì)胞壁的沉著,而塑性頂端的延伸要靠溶解酶類因此，如這些酶不穩(wěn)定，或被蛋白酶降解，或因滲透壓改變，泡囊與菌絲頂端的結(jié)合，菌絲分枝一般離生長著的菌絲頂端有些距離的后方進(jìn)行。真菌如同高等植物那樣顯示出頂端生長的優(yōu)勢(shì)。但怎樣維持這種優(yōu)勢(shì)知道的很少。菌絲分枝一般均朝向菌落的邊緣擴(kuò)展生長 并偏離其親本菌絲和相互岔開生長這是多余的細(xì)胞質(zhì)用于生長的結(jié)果，并且在細(xì)胞積，核和分枝數(shù)目之間存在著明顯的關(guān)系。在其它真菌中也確定了細(xì)胞體積和分枝之間的類似關(guān)系。分枝需要從已成細(xì)胞中產(chǎn)生。這伴隨著泡囊在菌絲頂端的。分枝在菌絲的哪一部位產(chǎn)生這似乎有一中意點(diǎn)往往位于間隔的附近。通過試驗(yàn)可證實(shí)這一點(diǎn)。將菌絲打碎，只要得到含有完整間室的碎片，便能如1-39那樣產(chǎn)生新的分枝。新分枝總菌絲生長單位(hyphalgrowthunit)G＝絲總長度/菌絲分枝數(shù)經(jīng)最初的波動(dòng)后G由此可見，新分枝是在胞液體積超過現(xiàn)有分枝數(shù)所能容納的體積時(shí)產(chǎn)生的。菌絲生長單位* 在瓊脂中生長的不同階段攝下年輕菌落的發(fā)育，按公式可求的菌絲生長單位（）從生長單位的確立可看出胞液體積與分枝之間有如下規(guī)律：每一分枝連同其有關(guān)的一定量的細(xì)胞質(zhì)可當(dāng)作一個(gè)菌絲單位i酵母那樣。故一真菌菌落是靠假想的單位生長的。實(shí)際上它們是連在一起，分不清的；由于新的分枝是多余細(xì)胞質(zhì)形成的，分枝的數(shù)目基本上取決于菌落的營養(yǎng)狀況，從而取決于細(xì)胞質(zhì)的數(shù)量；因現(xiàn)有的分枝能優(yōu)先得到細(xì)胞質(zhì)，故一分枝的形成對(duì)已有的分枝的生長速率影響很小生長初期，菌絲總長度和分枝數(shù)目均以指數(shù)的速率增加，這時(shí)的菌絲體間隔較長。菌絲生長單位的變化幅度隨生長而減小，最后穩(wěn)定。以下的規(guī)律主要適用于固體培養(yǎng)基上生長的未分化菌真菌孢子在培養(yǎng)基上發(fā)芽，形成未分化的菌絲，繼續(xù)生長，分化為成菌絲。絲狀菌的形態(tài)上的優(yōu)勢(shì):菌絲以有規(guī)律的分枝確保它能高效地復(fù)蓋在固體培養(yǎng)基上。未分化菌絲的生長調(diào)節(jié)至少包含三種機(jī)制；菌絲極化的調(diào)節(jié)生長是極化的,菌絲的伸長僅分枝啟動(dòng)的成主桿菌絲,并由此形成初級(jí)分枝,再由此形成次級(jí),一直分菌絲空間分布的調(diào)節(jié)未分化菌絲趨向于分散獨(dú)立生長，相鄰菌絲間"回避作用而減少。這稱為向自性(autotropism)菌絲極化生長是指孢子或菌絲細(xì)胞的一端發(fā)芽，伸長，長成菌絲。培養(yǎng)條件，如溫度不適，或在厭氧，含O2濃度較高的條件下會(huì)極化生長，并以非極化即各向同性方式像酵母那樣生長。非極化生長是與不利的生長條件相聯(lián)系菌絲極化生長受若干內(nèi)源調(diào)節(jié)機(jī)制的控制。菌絲生長孢子發(fā)芽，頂端生長，分枝總是與泡囊的活動(dòng)相聯(lián)系。調(diào)節(jié)是通過向菌絲頂端輸送泡囊，泡囊與細(xì)胞膜融合發(fā)揮作用的。擾亂這兩種作用會(huì)導(dǎo)致各向同性生長?；瘲l件有較大的改變。本相同。菌絲平均伸長速率E=2(Ht-H0)/(Bt–B0)= H