发酵工程作业

(第一组)第一章
发酵工程代谢控制发酵技术
1 试比较传统发酵工程和现代发酵工程的异同
2 试阐述发酵工程发展历史的几个阶段以及四个转折点
3 按发酵工艺流程可以将发酵分为哪些类型？
第二章工业微生物
代谢控制发酵
1工业化菌种的要求有哪些？
2常用工业微生物可分为哪些类？
（第一组）
7以乳糖操纵子为例阐述分解代谢阻遏的机制。

8以色氨酸操纵子为例阐述末端产物反馈阻遏的机制。

9微生物的次级代谢产物常见的有哪些？
10次级代谢的特征是什么？
11前体的作用是什么？发酵中前体的如何添加，为什么？
12前体与诱导物的区别是什么？
13在代谢控制中如何克服微生物自身的反馈调节？
14诱导作用的克服方法有哪些？
15如何克服分解代谢阻遏效应？
16提高初级代谢产物产量的方法有哪些？
17提高次级代谢产物产量的方法有哪些？
18代谢工程的应用主要表现在哪些方面？
第一章
发酵工程：是指采用工程技术手段，利用生物的某些功能，为人类生产有用的生物产品一种技术。

代谢控制发酵技术：微生物变异株通过代谢调节。

1. 传统发酵工程：利用微生物的生长和代谢活动来大量生产人们所需产品的过程理论与工程技术体系。

该技术体系主要包括菌种选育与保藏、菌种扩大生产、代谢产物的生物合成与分离纯化制备等技术集成。

现代发酵工程：是将DNA重组及细胞融合技术、酶工程技术、组学及代谢网络调控技术、过程工程优化与放大技术等新技术与传统发酵工程融合，大大提高传统发酵技术水平，拓展传统发酵应用领域和产品范围的一种现代工业生物技术体系（新一代工业生物技术）。

强调现代生物技术、控制技术和装备技术在传统与现代发酵工业领域的集成应用。

传统发酵工业：酿造及食品业、抗生素、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等。

现代发酵工业：基因工程药物、细胞工程药物、疫苗；替代石油工业的大宗量的生物基化学品等，以及传统发酵工业升级。

2.发酵工程的发展历史：发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵）→基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物
第一个转折点：非食品工业
第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业
第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制和反馈阻遏),解除
菌体自身的反馈调节, 突变株的应用,前体、终产物、副产物等
近代转折点：基因、动物、海洋
3.按发酵工艺流程可分为：分批发酵、补料分批发酵、半连续发酵、连续发酵
连续发酵又可分为：单级恒化器连续发酵、多级恒化器连续发酵、带有细胞再循环的单级恒化器连续发酵。

第二章
代谢控制发酵：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。

1.(1).能够利用廉价的原料，简单的培养基，大量高效的合成产物；
(2).有关合成产物的途径尽可能地简单，或者说菌种改造的可操作性要强；
(3).遗传性能要相对稳定，不易变异退化，以保证发酵生产和产品质量的稳定性；
(4).不易感染它种微生物或噬菌体；
(5).产生菌及其产物的毒性必须考虑（在分类学上最好与致病菌无关）;
(6).生产特性符合工艺要求。

2.常用的工业微生物分为细菌、酵母菌、霉菌、放线菌四大类。

第五章
7.分解代谢物阻遏是指两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶合成的现象。

例如当培养基中同时含有葡萄糖和乳糖时，由于细菌生长优先利用葡萄糖，lac操纵子的表达就会被葡萄糖抑制，这种现象称为分解代谢物抑制。

这种抑制作用是一种随着细胞的生理状态变化而使基因同步表达的作用，即只要存在可利用的葡萄糖，大肠杆菌就会优先代谢葡萄糖。

分解代谢物抑制可确保在葡萄糖耗尽之前那些了替代能源，例如乳糖代谢所必需的lac操纵子维持在被抑制的状态。

分解代谢物抑制可消除可能存在的任何诱导物的影响，防止乳糖等能源酶系统的浪费。

8.末端产物阻遏指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。

色氨酸操纵子的末端产物阻遏机制：E．coli色氨酸操纵子也是由启动基因、操纵基因和结构基因3部分组成的。

启动基因位于操纵子的开始处；结构基因上有5个基因，分别编码“分支酸→邻氨基苯甲酸→磷酸核糖邻氨基苯甲酸→羧苯氨基脱氧核糖磷酸→吲哚甘油磷酸→色氨酸”途径中的5种酶。

其调节基因(trp R)远离操纵基因，编码一种称为阻遏蛋白原的调节蛋白。

在没有末端产物色氨酸的情况下，阻遏蛋白原处于无活性状态，因此操纵基因的“开关”是打开的，这时结构基因的转录和转译可正常进行，参与色氨酸合成的酶大量合成；反之，当有色氨酸存在时，阻遏蛋白原可与辅阻遏物色氨酸结合成一个有活性的完全阻遏蛋白，它与操纵基因相结合，使转录的“开关”关闭，从而无法进行结构基因的转录和转译。

9.抗生素、激素、生物碱、毒素、色素、维生素
10.（1）种类繁多，常含有不寻常的化学键，具有特殊的化学结构；
（2）一种菌可以产生结构相近的一簇抗生素，也可以产生多种抗生素；
（3）一种菌的不同菌株可以产生多种在分子结构上完全不同的次级代谢产物，不同的微生物可以产生同一种次级代谢产物；
（4）微生物由生长期向生产期过渡时，菌体在形态上会发生一些变化；
（5）次级代谢产物的形成对环境因素敏感，受环境因素调节；
（6）次级代谢产物的合成受多基因调控，包括核基因和核外基因；
（7）初级代谢为次级代谢提供前体化合物，次级代谢受初级代谢的调节；
（8）次级代谢产物一般在菌体对数生长后期或稳定生长期即菌体生长后期合成，通常不参与微生物的生长和繁殖。

11.前体的作用：（1）起抗生素建筑材料的作用；（2）诱导抗生素生物合成的作用前体的添加原则：（1）有些前体物质对菌体会产生毒性，有些菌体还有将前体氧化分解的能力（2）生产中常采用加入少量多次地加入前体（3）总的加入量可按一个产物分子，进入几个前体分子，按等摩尔计算前体加入量，在总的加入量中，还应考虑菌体氧化，分解的那部分前体。

12.（1）概念区别：前体是指某些化合物加入到培养基中，能直接被微生物在生物合成过程中结合到产物中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高；而诱导物是促进某反应或者促进某基因转录的物质。

（2）一般可把那些能在生产期内生产期前促进抗生素生物合成的化合物看做诱导物，而前体往往只在生产期内起作用。

（3）诱导物可以被非前体的结构类似物取代。

13.（1）降低末端产物浓度①营养缺陷型的利用:利用营养缺陷型积累直链代谢途径中间代谢产物；利用营养缺陷型积累分支代谢途径中的中间产物；利用营养缺陷型积累分支代谢途径末端产物。

②渗漏缺陷型的利用。

③提高细胞渗透性（2）抗反馈调节突变株的利用在以积累末端产物为目的的发酵生产中，如果代谢途径单一无分枝，往往不能选用营养缺陷型突变株。

要提高产量，最好采用抗反馈调节突变株。

抗反馈调节突变株是一种解除合成代谢反馈调节机制的突变型菌株。

其特点是所需产物不断积累，不会因其浓度超量而终止生产。

14.（1）添加诱导物类似物在诱导物就是酶的底物的情况下，添加底物类似物来加强诱导作用是最好的。

因为底物类似物不易被所形成的酶分解，而在细胞中始终保持较高的浓度，能够持续地诱导酶的合成，获得较高浓度的酶；
（2）添加辅酶或辅助因子在有些情况下，必须在培养基中添加辅酶才会产生诱导作用；（3）利用组成型突变株突变可以除去酶合成时对诱导物的依赖，组成酶突变株在没有诱导物存在时，能照常合成诱导酶。

在生产中使用组成酶突变株时，可不必在发酵液中添加诱导物，且产生的诱导酶活性也比原菌株强。

15.（1）避免使用有阻遏作用的碳源和氮源；（2）流加碳源或氮源；（3）利用抗分解代谢阻遏的突变体。

16.（1）使用诱导物；（2）除去诱导物——选育组成型产生菌；（3）降低分解代谢产物浓度，减少阻遏的发生；（4）解除分解代谢阻遏——筛选抗分解代谢阻遏突变株；（5）解除反馈抑制——筛选抗反馈抑制突变株；（6）防止回复突变的产生和筛选负变菌株的回复突变株；（7）改变细胞膜的通透性；（8）筛选抗生素抗性突变株；（9）选育条件抗性突变株；（10）调节生长速率；（11）加入酶的竞争性抑制剂。

17.（1）补加前体类似物；（2）加入诱导物；（3）防止碳分解代谢阻遏或抑制的发生；（4）防止氮代谢阻遏的发生；（5）筛选耐前体或前体类似物的突变株；（6）选育抗抗生素突变株；（7）筛选营养缺陷型的回复突变株。

18.（1）改变代谢途径即改变分支代谢途径的流向或流量，阻断其他代谢产物的合成，达到提高目标产物的目的；
（2）扩展代谢途径引入外源基因后，使原来的代谢途径向后延伸，产生新的末端产物，或使原来的代谢途径向前延伸，可以利用新的原料合成代谢产物；
（3）转移或构建新的代谢途径将催化一系列生物反应的多个酶基因，克隆到不能产生某种新的化学结构的代谢产物的微生物中，使之获得产生新的化合物的能力。