第八章 工业微生物代谢控制育种
工业微生物的代谢调控和代谢产物
条件下才能进行正常的酒精发酵，称之为酵母菌 的第一型发酵。
1分子 葡萄糖 2分子 2×乙醇
EMP途径
2×丙酮酸
NAD+
NADH2
丙 酮
酸
关键酶 脱
羧
NAD+
NADH2 酶
2×CO2
乙醇脱氢酶
2×乙醛
乙醇发酵对环境条件的变化十分敏感
A.O2的作用
乙醇发酵需在厌氧条件下进行。如果变 成好氧条件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解
合成代谢又称同化作用，是指在合成酶系
的催化下，由简单分子、 ATP形式的能量和还原力 一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。
复杂分子
（有机物）
分解代谢 合成代谢
简单小分子 ATP [H]
一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的 统一性和明显的多样性。
根据代谢过程中产生的代谢产物对生物体 的作用不同，可分为：
在有氧条件下，可经呼吸链的氧化磷酸化反应
产生6ATP；
在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还
原丙酮酸的脱羧产物——乙醛还原成乙醇。
1、EMP途径（糖酵解）
EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产 能效率虽低，但其生理功能极其重要：
① 供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力； ② 是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸 循环（TCA）、HMP途径和ED途径等； ③ 微生物合成提供多种中间代谢物； ④ 通过逆向反应进行多糖合成。
生 产能（ATP） 物
氧
化 产还原力［H］
的
生 呼吸
功
物
能 产小分子中间代谢物 氧
化 无氧呼吸
工业微生物育种
工业微生物育种摘要：本文综述了工业微生物遗传育种的历史地位，介绍了遗传育种的方法和机理，并对其前景进行了展望。
关键词：工业微生物；遗传育种；方法；机理工业微生物育种也就是菌种改良，是运用遗传学原理和技术对某种具有特定生产目的的菌株进行改造，去除不良性质，增加有益新性状，以提高产品的产量和质量的一种育种方法[1]，使我们获得所需要的高产、优质和低耗的菌种，其目的是改良菌种的特性，使其符合工业生产的要求。
当前菌种选育的基本内容是根据菌种自然变异而进行的自然选育，以及用人工方法引起菌种变异，再按照工业生产的要求进行筛选来获得新的变种。
工业微生物遗传育种的主要方法有经典的自然选育和诱变育种技术，使菌种发生突变，存优去劣，这是目前普遍采用的方法，容易施行，易见成效；另一条途径是研究目的物的基因结构及基因调控、表达的方式，进行基因重组、转殖，使之高效表达。
工业微生物菌种的选育，不仅可提高目的物的产量，使目的物产量上百上千倍的提高，大大降低生产成本，提高经济效益，而且通过微生物菌种的选育，可简化工艺，减少副产品，提高产品质量，改变有效成分组成，甚至获得活性更高的新成分[2]。
本文主要从工业微生物遗传育种的历史地位、方法与技术、理论机理和发展前景综述了工业微生物育种的研究进展。
1 历史地位工业微生物菌种选育在发酵工业历史有着重要的地位，是决定发酵产品能否具有工业化价值及发酵过程成败与否的关键。
菌种选育技术的广泛应用为我们提供了各种类型的突变菌株，使得在食品工业、医药、农业、环境保护、化工能源、矿产开发等领域产生众多新的产品，促使传统产业的技术改造和新型产业的产生，同时使诸如抗生素、有机酸、维生素、色素、生物碱、激素以及其它生物活性物质等产品的产量成倍甚至成千万倍地增长，并且产品的质量也不断的提高。
如青霉素是于1929 年英国Flemirlg 发现的，当时的利用表面培养只能获得1~2U/ml 青霉素，经过数十载的诱变育种使其产量提高到目前的90000U/ml，以及由最初的纯度20%和得率35%提高到纯度99.9%和得率90%[3]，与此同时链霉素、土霉素、金霉素和氯霉素等抗生素也大规模的生产起来；在代谢控制育种的推动下使得产氨基酸、核苷酸、有机酸等次生代谢产物的高产菌株大批投入生产；由基因工程构建的工程菌株使得微生物次生代谢产物生产能力迅速提高，而且生产出微生物本生不能生产的外源蛋白质，如胰岛素、生长激素、单克隆抗体和细胞因子等等。
工业微生物育种学重点整理
1)工业微生物：在发酵工艺中已经应用的或者具有潜在应用价值的微生物。
2)用于工业生产的微生物微生物菌种的特征：1.遗传稳定2.多产3.纯种4.生长旺盛5.产生产物时间短6.产物易分离7.抗性强8.能保持较长的良好经济性能9.菌株对诱变剂处理较敏感10.在规定的时间内，菌种必须产生预期数量的目的产物，并保持相对的稳定。
3)自然选育方法：诱变育种、杂交育种、代谢控制育种、基因工程育种。
4)基因突变：是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。
特点：自发性、诱发性、独立性、稀有性、遗传性、可逆性、不对应性。
1.同义突变和无义突变2.错义突变3移码突变。
突变的表现型：形态突变型、生化突变型（营养缺陷型）、条件突变型（温度突变型）、抗性突变型、抗原突变型、产量突变型。
突变修复：光修复、切补修复、重组修复、SOS修复、DNA聚合酶的校正作用。
表现延迟：微生物通过自发突变或人工诱变而产生的新基因型，需要经过2个世代以上繁殖复制才能表现出来。
（波动实验）5)诱变剂：凡能诱发生物基因突变，并且突变频率远远超过自发突变率的物理因子或化学物质。
种类：物理诱变剂、化学诱变剂、生物诱变剂。
6)紫外线诱变：光谱范围40~390nm。
有效波长200~300nm。
最有效的波长253.7nm。
相对剂量15w 30cm 紫外线诱变机制：形成嘧啶二聚体。
紫外线诱变的步骤和方法：1.出发菌株的选择2.将菌种培养到最佳生理状态（对数期）约16~24小时。
霉菌和放线菌培养到大部分孢子刚刚萌发3.制备菌悬液4.紫外线照射：紫外灯先预热20分钟稳定光波取单细胞悬液5~6ml于于灭菌培养皿中放在离灯30cm处5.后培养6稀释涂皿。
7)化学诱变剂：是一类能对DNA起作用改变起结构并引起遗传变异的化学物质。
种类：碱基类似物、烷化剂、移码突变剂特点：作用专一性、具有毒性、90%以上是剧毒药品或者致癌物质。
8)碱基类似物：是一类和天然的嘧啶嘌呤等四种碱基分子结构相似的物质。
第八章__工业微生物代谢控制育种
4.2 抗分解调节突变株的选育
1. 解除碳源调节突变株的选育
涂布诱 变后的 菌体
含有葡萄 糖的琼脂 平板
第一节 概论
1、初级代谢产物和初级代谢 2、次级代谢产物和次级代谢 3、初级代谢与次级代谢的关系
1.1 初级代谢产物和初级代谢
–1. 概念
• 微生物产生的对自身生长和繁殖必须的物质称为初级 代谢产物(可细分为中间产物和终产物)，产生这些物 质的代谢体系称为初级代谢(primary metabolism)。
• 一方面，细胞内合成代谢的产物不能分泌到胞外， 必然会产生反馈调节作用，影响发酵产物的生产量； • 另一方面，细胞外的营养物质不能进入细胞内，从 而影响产物的合成，造成产量下降。
第四节 代谢调节控制育种
代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代 谢通路、降低支路代谢终产物的产生或切断支路代谢途径 及提高细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。
3.3 次级代谢产物氮源分解调节
1.定义：氮源分解调节主要指含氮底物的酶(如
蛋白酶、硝酸还原酶、酰胺酶、组氨酸酶和脲酶) 的合成受快速利用的氮源，尤其是氨的阻遏。
3.3 次级代谢产物氮源分解调节
2. 氮源分解调节的可能机制：
NH4+影响：
(1）pH值＋质子梯度 改变能量代谢 细胞壁物质和 结构的功能； (2)谷氨酰合成酶和 丙氨脱氢酶的合成； (3)高度磷酸化的核 苷，如ppGpp和 pppGpp可能通过 级联机制调节次级 代谢，而ppGpp等 受氨基酸过量的负 控制调节。
2. 分支代谢初级代谢 物反馈调节对次级代 谢的影响
(1) 次级途径和初级途径 具有共同的分叉中间体
实例2：色氨酸对杀假 丝菌素生物合成的 反馈调节
代谢控制育种
一、组成型突变株的选育
组成型突变株是指操纵基因或调节基因 突变引起酶合成诱导机制失灵，菌株不经 诱导也能合成酶、或不受终产物阻遏的调 节突变型。
这两种突变株在工业上都可能得到应用， 特别是在微生物酶制剂工业上。
Regulatory gene
repressor NO operator
operator NO repressor
筛选方法： 1、循环培养法
葡萄糖
乳糖
O-硝基苯
酚-β-D-半
突变株 野生株
乳糖苷
2、鉴别培养基 有半乳糖酶
喷ONPG，抗分解阻遏的菌落呈黄色，野
生 型是白色。
3、特殊氮源
组氨酸酶突变株
葡萄糖+组氨酸
分解代谢抑制物+唯一必须被分解的氮源
4、葡萄糖结构类似物
CHO H OH HO H H OH H OH
（一）解除碳源调节突变株的选育
在次级代谢中，高浓度的葡萄糖对青霉素转 酰酶、链霉素转咪基酶和放线菌色素合成酶等 抗生素的关键酶均有分解阻遏作用。
在实际生产中，采用流加葡萄糖或应用混合 碳源可以控制中间代谢产物的积累，来减少不 利影响。
根本的解决办法是筛选抗碳源分解调节突变 株。
（一）解除碳源调节突变株的选育
底物采用苯- β-半乳糖
二、抗分解调节突变株的选育
抗分解调节突变株：指抗分解阻遏和分解抑 制的突变 （一）解除碳源调节突变株的选育 （二）解除氮源分解调节突变株的选育 （三）解除磷酸盐调节突变株的选育
选育有关抗分解调节的突变株，其实就 是筛选合成酶产生不受碳、氮、磷的代谢阻 遏或抑制的突变株，使抗生素提前到菌体生 长期开始合成，从而延长了产抗期而提高产 量。
工业微生物育种全解
1.工业微生物育种在发酵工业中的作用如何？其目的是什么？工业微生物育种建立在：（1）遗传和变异（微生物遗传学）的基础之上；（2）物理和化学诱变剂的发现和应用；（3）工业自动化（自动仪表装置和微机）。
工业微生物育种在发酵工业中占有重要地位，是决定该发酵产品能否具有工业化价值及发酵过程成败与否的关键。
2.工业微生物发展经历了哪几个阶段？1)自然选育阶段2)人工诱变选育阶段3)杂交育种阶段4)代谢控制育种阶段5)基因工程育种阶段3.工业微生物育种的核心指标有哪些？1)在遗传上必须是稳定的。
稳定性。
2)易于产生许多营养细胞、孢子或其它繁殖体。
3)必须是纯种，不应带有其他杂菌及噬菌体。
4)种子的生长必须旺盛、迅速。
5)产生所需要的产物时间短。
转化率。
6)比较容易分离提纯。
7)有自身保护机制，抵抗杂菌污染能力强。
8)能保持较长的良好经济性能。
产率。
9)菌株对诱变剂处理较敏感，从而可能选育出高产菌株。
10）在规定的时间内，菌株必须产生预期数量的目的产物，并保持相对地稳定。
4.革兰氏阳性和阴性菌的细胞壁结构有何差异？它们对溶菌酶和青霉素的敏感有何不同？5.缺壁细菌有哪些类型和异同？制备缺壁细菌主要有哪些途径？原生质体：G+菌经溶菌酶或青霉素处理；球状体：G-菌，残留部分细胞壁。
是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。
L型细菌：自发突变形成细胞壁缺陷菌株；6.原生质体制备时，为什么不同微生物要选择不同的酶？举例说明。
酶在原生质体制备中主要用来酶解细胞壁的，不同的微生物其细胞壁成分及含量可能不同，所以要用不同的酶。
酵母菌的细胞壁主要成分有葡聚糖、甘露聚糖蛋白质、几丁质。
霉菌的细胞壁：主要成分是纤维素、几丁质、葡聚糖等。
藻类的细胞壁：主要成分有纤维素构成结构骨架。
7.基因组、基因、密码子、简并、同义密码子的概念是什么？一、基因组1. 原核生物就是它的整个染色体，原核生物的基因组较小，DNA的含量低，如E.coli的DNA分子质量为2.4×109Da，相当于4.2×106bp，含有3000-4000个基因，SV40病毒仅5个基因。
工业微生物育种
1.工业微生物育种在发酵工业中的作用如何？其目的是什么？工业微生物育种建立在：（1）遗传和变异（微生物遗传学）的基础之上；（2）物理和化学诱变剂的发现和应用；（3）工业自动化（自动仪表装置和微机）。
工业微生物育种在发酵工业中占有重要地位，是决定该发酵产品能否具有工业化价值及发酵过程成败与否的关键。
2.工业微生物发展经历了哪几个阶段？1)自然选育阶段2)人工诱变选育阶段3)杂交育种阶段4)代谢控制育种阶段5)基因工程育种阶段3.工业微生物育种的核心指标有哪些？1)在遗传上必须是稳定的。
稳定性。
2)易于产生许多营养细胞、孢子或其它繁殖体。
3)必须是纯种，不应带有其他杂菌及噬菌体。
4)种子的生长必须旺盛、迅速。
5)产生所需要的产物时间短。
转化率。
6)比较容易分离提纯。
7)有自身保护机制，抵抗杂菌污染能力强。
8)能保持较长的良好经济性能。
产率。
9)菌株对诱变剂处理较敏感，从而可能选育出高产菌株。
10）在规定的时间内，菌株必须产生预期数量的目的产物，并保持相对地稳定。
4.革兰氏阳性和阴性菌的细胞壁结构有何差异？它们对溶菌酶和青霉素的敏感有何不同？5.缺壁细菌有哪些类型和异同？制备缺壁细菌主要有哪些途径？原生质体：G+菌经溶菌酶或青霉素处理；球状体：G-菌，残留部分细胞壁。
是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。
L型细菌：自发突变形成细胞壁缺陷菌株；6.原生质体制备时，为什么不同微生物要选择不同的酶？举例说明。
酶在原生质体制备中主要用来酶解细胞壁的，不同的微生物其细胞壁成分及含量可能不同，所以要用不同的酶。
酵母菌的细胞壁主要成分有葡聚糖、甘露聚糖蛋白质、几丁质。
霉菌的细胞壁：主要成分是纤维素、几丁质、葡聚糖等。
藻类的细胞壁：主要成分有纤维素构成结构骨架。
7.基因组、基因、密码子、简并、同义密码子的概念是什么？一、基因组1. 原核生物就是它的整个染色体，原核生物的基因组较小，DNA的含量低，如E.coli的DNA分子质量为2.4×109Da，相当于4.2×106bp，含有3000-4000个基因，SV40病毒仅5个基因。
第八章 代谢控制育种的生理学依据
二、微生物代谢产物的过量合成
野生菌株在它们天然栖息地也有可能合成人们所 希望的代谢产物，但它们通常只在特定条件下合 成，并且合成的量不会多，这是由细胞经济所决 定的。 代谢控制发酵的目标是，要让目的代谢产物在细 胞中过量合成并被排出细胞。
适用于发酵生产的微生物必须是其目的产物的合 成量大大高于它通常的合成量，即有过量的合成 能力。 这不仅要求合成目的产物的途径畅通，还必须有 将目的产物排出细胞的满意机制。 过量合成的速率取决于微生物的遗传机制，以及 在培养条件下细胞的生理状态。
因为葡萄糖的高速消耗并不会附带形成酒精（或 醋酸）下游（downstream）足够高的呼吸能力， 而且葡萄糖的异生作用途径因受到高浓度葡萄糖 的调节而受阻，更加强了瓶颈效应。
实例2：柠檬酸的溢出代谢
黑曲霉能在特定环境下累积柠檬酸，也是因为代 谢流前段的运转速率大于后段的运转速率。 柠檬酸的溢出代谢是黑曲霉菌特有的生化机制与 培养条件共同起作用的结果。
如用于多糖合成的G-1-P，用于蛋白质合成的氨基 酸，用于核酸合成的核苷酸等。 这个体系的调节机制主要是反馈调节，包括反馈 抑制和反馈阻遏，还有由遗传因素决定的可能出 现的酶（或蛋白质）的缺失，主要表型是营养缺 陷型。
3、生物大分子的合成体系（体系Ⅲ）
指以生成蛋白质、DNA、RNA、各种多糖及类脂等细 胞结构物质为目的的生物大分子合成体系。 这个合成体系的调节控制主要由遗传因素决定的。
一、微生物的代谢流
1、代谢途径和代谢网络
中心代谢途径（central metabolic pathway）是指 由酵解途径（包括Glc→PYR的几条途径）和由DCA 循环补充的TCA循环等组成的可兼用于降解和合成 的途径。 它既可用于将代谢物氧化降解，又可将代谢物用 于合成或转换，在代谢中占中心位置。
代谢控制和育种PPT文档共53页
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
代谢控制和育种
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
ห้องสมุดไป่ตู้
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
工业微生物的基因调控和代谢途径研究
工业微生物的基因调控和代谢途径研究随着现代科学技术的不断进步，工业微生物的生产应用已经在人类经济生活中扮演着十分重要的角色。
其中，微生物的基因调控和代谢途径研究是推动微生物在工业中应用的主要因素之一。
一、基因调控研究在微生物产业中，基因调控技术已经成为了关键性的技术之一。
利用基因工程技术，人们可以改变微生物在生长和代谢上的特性，进而达到改善微生物工业生产的效率和质量的效果。
1. CRISPR-Cas9CRISPR-Cas9是一种新型的基因编辑技术，因其具有精确性、高效能和低成本等特点而被广泛应用于微生物生产领域。
CRISPR-Cas9技术可以准确地剪切目的基因，并通过对基因重构来改变微生物在代谢和生长方面的特性。
2. 质粒工程质粒工程是基于嵌合技术，通过亲和性纯化和DNA重组等方法来改变自然界中微生物中某些潜在有用的基因或代谢途径的表达。
这种技术可以大大提高微生物生产的效率和质量。
3. RNAiRNAi是一种基因沉默技术，它可以通过转录后基因剪切导致RNA的降解来抑制某些基因的表达。
在工业微生物生产中，RNAi技术被广泛应用于微生物代谢途径的调节方面。
二、代谢途径研究微生物在不同环境中的代谢途径差异可以通过基因调控技术来调节，从而达到工业应用的目的。
微生物代谢途径的研究涉及到微生物的生长、物质代谢和大量有机物生产等方面。
1. 代谢通路分析代谢通路分析主要是通过系统生物学方法来分析和探究微生物物质代谢的途径和规律。
通过对微生物代谢通路的建模和研究，可以发现一些新的代谢途径，或者通过调节特定酶的表达，来改变微生物代谢途径，提高产品产率。
2. 代谢调控代谢调控是指对微生物的代谢通路进行调节，以改变微生物的生长和产物产率。
代谢调控技术通过基因工程技术来改变微生物在代谢途径中的基因表达，或者通过添加新的合成途径来提高微生物的产物产率。
通过代谢调控技术，可以在短时间内快速地改善微生物工业生产的效率和质量。
三、结论基因调控和代谢途径研究是推动微生物在工业中应用的主要因素之一。
工业微生物育种复习题解析
工业微生物育种复习题解析第一章绪论1.什么是工业微生物？作为工业微生物应具备哪些特征？答：工业微生物：对自然环境中的微生物经过改造，用于发酵工业生产的微生物。
具备特征：(1)菌种要纯(2)遗传稳定且对诱变剂敏感(3)成长快，易繁殖(4)抗杂菌和噬菌体的能力强(5)生产目的产物的时间短且产量高(6)目的产物易分离提纯2.工业微生物育种的基础是什么？答：工业微生物育种的基础是遗传和变异。
3.常用的工业微生物育种技术有哪些？答：常用技术：(1)自然选育【选择育种】(2)诱变育种(3)代谢控制育种(4)杂交育种(5)基因工程育种第二章微生物育种的遗传基础1.基因突变的类型有哪些？答：有碱基突变，染色体畸变2.叙述紫外线诱变的原理？答：原理：紫外线对微生物诱变作用，主要引起DNA的分子结构发生改变（同链DNA的相邻嘧啶间形成共价结合的胸腺嘧啶二聚体），从而引起菌体遗传性变异。
3.基因修复的种类有哪些？答：种类：(1)光复活修复(2)切除修复(3)重组修复(4)SOS修复4.真核微生物基因重组的方式有哪些？答：方式：(1)有性杂交(2)准性生殖(3)原生质体融合第三章出发菌株的分离与筛选1.什么是富集培养？答：富集培养：指在目的微生物含量较少时，根据微生物的生理特点，设计一种选择性培养基，创造有利的生长条件，使目的微生物在最适的环境下迅速地生长繁殖，数量增加，由原来自然条件下的劣势种变成人工环境中的优势种，以利于分离到所需要的菌株。
2.哪些分离方法能达到“菌落纯”？哪些分离方法能达到“细胞纯（菌株纯）”？答：菌落纯：稀释分离法、划线法、组织法细胞纯：单细胞或单孢子的分离法3.分离好氧微生物常用的方法有哪些？答：(1)稀释涂布法(2)划线分离法(3)平皿生化反应分离法4.平皿生化反应分离法有哪些？分别用来筛选哪些菌？各自原理如何？答：(1)透明圈法原理：在平板培养基中加入溶解性较差的底物，使培养基混浊，能分解底物的微生物便会在菌落周围产生透明圈，圈的大小可以放映该菌株利用底物的能力。
代谢控制和育种..
二、抗分解调节突变株的选育 （三）解除磷酸盐调节突变株的选育 初级代谢必须
过量时影响次级代谢
磷酸盐基本耗竭，抗生素合成开始 发酵工业中，磷酸盐常被控制在亚适量。
4.2 抗分解调节突变株的选育
3. 解除磷酸盐调节突变株的选育
（A）磷酸盐对次生产物的调节机制
(1) 通过初级代谢的变化影响次级代谢
分解代谢阻遏现象：在初级或次级代谢中都存在，其含义 是指代谢过程中酶的合成往往受高浓度的葡萄糖或其他易 分解利用的碳源或氮源所抑制。 选育抗分解调节突变株(如碳源、氮源或磷酸盐分解调节)， 其实就是筛选合成酶的产生不受碳、氮、磷的代谢阻遏或 抑制的突变株，使抗生素提前到菌体生长期开始合成，延 长产抗期以提高产量。
筛选方法与实例
4.2 抗分解调节突变株的选育
1. 解除碳源调节突变株的选育
(1) 循环培养法
交 替 培 养
快速利用的 碳源培养基
慢速利用的 碳源培养基
突变型解除了阻遏现象，在乳糖的 培养基上比野生型生长速度快，
4.2 抗分解调节突变株的选育
1. 解除碳源调节突变株的选育
涂布诱 变后的 菌体
4.2 抗分解调节突变株的选育
1. 解除碳源调节突变株的选育
(4) 葡萄糖结构类似物
① 特性：2-dG和3-mG既不被微生物代谢又具有分解阻遏作用， 因此可用来筛选抗分解阻遏的突变株。
2-dG
3-mG
4.葡萄糖结构类似物-------（1）筛选方法
出发菌株 诱变 涂琼脂平板
抗2-dG或 3-mG
4.2 抗分解调节突变株的选育
2. 解除氮源分解调节突变株的选育
代谢调控及育种
代谢调控及育种从工业微生物育种史来看，诱变育种曾取得了巨大的成就，使微生物有效产物成百倍、乃致成千倍的增加。
但是诱变育种工作量繁重，盲目性大。
近年来由于应用生物化学和遗传学原理，深入研究了生物合成代谢途径以及代谢调节控制的基础理论，人们不仅可进行外因控制，通过培养条件来解除反馈调节而使生物合成的途径朝着人们所希望的方向进行，即实现代谢控制发酵；同时还可进行内因改变，通过定向选育某种特定的突变型，以达到大量积累有益产物的目的，即所谓代谢控制育种。
内因是变化的根据，所以改变微生物的遗传型往往是控制代谢的更为有效的途径。
代谢控制育种可以大大减少传统育种的盲目性，提高了效率。
代谢控制育种很快在初级代谢产物的育种中得到广泛的应用，成就也十分显赫，几乎全部氨基酸和多种核苷酸生产菌株都被打上了抗性或缺陷型遗传标记。
代谢调节控制育种通过特定突变型的选育，达到改变代谢通路、降低支路代谢终产物的产生或切断支路代谢途径及提高细胞膜的透性，使代谢流向目的产物积累方向进行。
一、克服反馈抑制和反馈阻遏的调控克服反馈调节，可从以下两方面着手：降低末端产物浓度；应用抗反馈突变株1、降低末端产物浓度（1）营养缺陷型的利用A、在直线式生物合成途径中营养缺陷型突变株的代谢流受阻，末端产物减少，解除了末端产物参与的反馈调节，可使代谢途径中的某一中间产物积累。
一个典型的例子是谷氨酸棒状杆菌的精氨酸缺陷型突变株进行鸟氨酸发酵(，由于合成途径中酶6(氨基酸甲酰转移酶)的缺陷，必须供应精氨酸和瓜氨酸，菌株才能生长，但是这种供应要维持在亚适量水平，使菌体达到最高生长，又不引起终产物对酶② (N—乙酰谷氨酸激酶)的反馈抑制，从而使鸟氨酸得以大量分泌累积。
B、利用营养缺陷型积累分支代谢途径中的中间产物营养缺陷型突变导致协同反馈调节某一分支途径的代谢阻断，使这一分支途径的终产物不能合成。
若控制供应适量的这一终产物，满足微生物生长，将使合成代谢流向另一分支途径，有利于另一终产物的大量积累。
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一、次级代谢产物的诱导调节
诱导物→刺激影响初级代谢造成代谢流的改变→ 大量生成次生代谢物
诱导物→次生代谢物合成酶的合成→大量生产次 生代谢物
反馈阻遏是对酶合成的阻遏，是基因转录水平上
的代谢调节，效果不及反馈抑制那样迅速。
第三节 次级代谢的调节控制
次级代谢产物的生物合成途径中，反馈调节作用包括： 1. 次级代谢产物本身积累就能反馈调节作用； 2. 初级代谢产物作为次级代谢产物合成的前体，当其受 到反馈调节时，必然会影响次级代谢产物的合成。
的途径；聚酮体和聚丙酸途径；由氨基酸衍生的途径； 甲羟戊酸途径；其它复合途径。
各代谢途径互相交错，互相影响。 2. 从遗传代谢观点：
初级代谢受核内DNA调控； 次级代谢受核内DNA和核外DNA（质粒）调控。
第二节 初级代谢的调节控制
微生物细胞内的所有生化反应都是在酶的催化下 进行的，因此对酶的调节控制是主要的、最有效的 调控方式。 1. 反馈阻遏：调节酶的合成量。 2. 反馈抑制：调节现成酶分子的催化活力。
第七章 工业微生物代谢控 制育种
代谢控制发酵
以生化和遗传学为基础，研究代谢产物的生物合 成途径和代谢调节的机制，选择巧妙的技术路线，通 过遗传育种技术获得解除或绕过了微生物正常代谢途 径的突变株，从而人为地使有用产物选择性地大量合 成或累积。
如氨基酸、核苷酸及某些次级代谢产物。
工业生产中的流水线技术，就是选择巧妙的技术 路线，环环相扣，使得产品的生产效率达到最大。
（二）酶合成调节的机制
操纵子：由启动基因（是转录的起始点）、操纵基 因（决定结构基因的转录是否能进行）和结构基因（转 录翻译出相应的酶）组成。
调节蛋白分为阻遏物（能在没有诱导物时与操纵基 因相结合）和阻遏物蛋白（只能在辅阻遏物存在时才能 与操纵基因相结合）。
诱导型操纵子（乳糖操纵子） 阻遏型操纵子（色氨酸操纵子）
第一节 概论
新陈代谢（metabolism）简称代谢，泛指发生在活 细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢 (anabolism)的总和。
复杂分子 （有机物）
分解代谢酶系 简单分子 + ATP
合成代谢酶系
+ [H]
代谢控制育种则是要获得代谢调节机制不完善的 高产菌株。
一、初级代谢和初级代谢产物
如青霉素产生菌完全由抑制需要的外源青霉素浓度： 高产菌株： 15 μg/mL 中产菌株： 2 μg/mL 低产菌株： 0.2μg/mL
（二）分支代谢中初级代谢物的反馈调节对次级代 谢的影响
第一种方式：
次级途径和初级 途径具有共同的分 叉中间体，由分叉 中间体产生的初级 代谢终产物的反馈 调节可能影响次级 代谢产物的形成。
第二种方式：
在次级代谢产物 生物合成途径中， 初级代谢的终产物 作为前体合成次生 产物。
五、磷酸盐的调节
过量则促进菌体生长，但是抑制抗生素合成； 亚适量：控制在适合菌体生长的浓度以下。 调节机制：直接作用和间接效应。
(5) 同工酶调节
（二）反馈抑制的机制
受反馈抑制的调节酶一般都是变构酶，有两个活性中心：
催化中心 调节中心 变构效应(协同效应) 效应物＋调节中心 → 构象变化 → 阻碍酶与底物结 合 → 酶活变化。
三、反馈阻遏与反馈抑制的比较
反馈抑制是通过调节变构酶的活力得以实现，因 为不涉及蛋白质的合成过程，调节的效果比较直 接而快速。
三、次级代谢产物氮源分解调节
含氮底物的酶的合成受快速利用的氮源，尤其使氨的 阻遏。
机制：NH4+影响pH值和电化学的质子梯度，改变能量 代谢，影响细胞壁物质和膜的结构功能等。
四、次级代谢反馈调节
（一）次级代谢自身产物的反馈调节 抗生素对自身产物的抑制有一定的规律：抑制特定产
生菌合成抗生素所需浓度与生产水平具相关性，一般产生 菌产量高，对自身抗生素的耐受力强，反之越敏感。
一、酶合成的调节
酶合成的调节：通过调节酶的合成量进而调节 代谢速度的调节机制，这是一种在基因水平上的代 谢调节。
（一）酶合成调节的类型
1、诱导
组成酶：细胞固有的酶类，其合成是在相应的基因控制 下进行，“与生俱来”。
诱导酶：细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合 成的一类酶，“后天学习” 。
（1）同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时或几乎同 时诱导几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。
如：色氨酸诱导刺激麦角碱的产生 蛋氨酸对头孢霉素C的产量提高作用
二、次级代谢产物碳源分解调节
例如：顶头孢霉发酵产头孢菌C时利用不同的主 碳源速度产率为蔗糖＞半乳糖＞果糖＞麦芽糖＞葡 萄糖
抗生素受碳源分解调节的可能机制： 第一，可能与菌体生长速率控制抗生素合成有关。 第二，可能与分解代谢产物的堆积浓度有关。
（2）顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再依次合成分 解各中间代谢物的酶，以达到对复杂代谢途径的分段调节。
2、阻遏
通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的 一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少末 端产物的合成。
末端产物阻遏：由某代谢途径末端产物过量累积而 引起的阻遏。
分解代谢物阻遏：有两种碳源（或氮源）分解底物 存在时，细胞利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的低 物的有关分解酶合成的现象。
1. 分解代谢体系：糖、脂、蛋白质 2. 素材性生物合成体系：氨基酸、核苷酸 3. 结构性生物合成体系： 蛋白质、核酸、多糖、类脂
二、次级代谢和次级代谢产物
次级代谢产物是对产生它们的生物本身不需要的一种 产物。如抗生素、生长刺激素、生物碱、色素、毒素以 及甾体。ຫໍສະໝຸດ 三、初级代谢与次级代谢的关系
1. 从生化代谢方面： 葡萄糖碳架掺入途径；莽草酸途径；与核苷有关
乳 糖 操 纵
子
色 氨 酸 操
纵 子
二、酶活性的调节
前体激活：后面的反应被前面的中间产物所促进。 反馈抑制：末端代谢产物过量抑制前面的酶活性。 （一）反馈抑制的类型 1、直线式代谢途径中的反馈抑制
2、分支代谢途径中的反馈抑制 (1) 协同反馈抑制
(2)累积反馈抑制
(3)增效反馈抑制 (4) 顺序反馈抑制