仿真生物学

开放实验《仿真生物学》作业

高产谷氨酸所需微生物的

特点

谷氨酸，是一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基，化学名称为α-氨基戊二酸。谷氨酸是里索逊1856年发现的，为无色晶体，有鲜味，微溶于水，而溶于盐酸溶液，等电点3.22。大量存在于谷类蛋白质中，动物脑中含量也较多。谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。

谷氨酸是生物体内代谢的基本氨基酸之一，也是连接糖代谢与氨基酸代谢的枢纽之一。在谷氨酸生产菌中，葡萄糖首先经过酵解途径（EMP）和单磷酸己糖途径（HMP）生成丙酮酸。然后，丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰CoA，另一方面经CO₂固定作用生成草酰乙酸，乙酰CoA和草酰乙酸合成柠檬酸后进行三羧酸循环（TCA循环）。最后，三羧酸循环的中间产物α—酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶催化的还原氨基化反应下，或者在由转氨酶催化的转氨作用下或者在谷氨酸合成酶催化的由谷氨酰胺提供氨基的反应下，合成谷氨酸。在这三种谷氨酸合成反应中，谷氨酸脱氢酶催化的还原氨基化作用占主导地位。

谷氨酸发酵生产是谷氨酸产生菌在其生命活动过程中分解、代谢营养物质、合成所需产物———谷氨酸的生化过程。在这个过程中，影响谷氨酸产生菌生长、繁殖、代谢及合成产物的因素很多，通过人工干预有目的地控制这些因素，使其最终满足谷氨酸菌种的代谢合成需要，可以达到增加产物、降低消耗的目的。谷氨酸产生菌既是反应过程的主体，也是反应过程的生物

催化剂，它摄取原料的营养，通过细胞内特定的酶系列进行复杂的生化反应。其底物中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内，在酶的作用下进行催化反应，将反应物转化为产物并释放出来，细胞的内在特性及其代谢规律是影响生化反应的关键因素。因此，发酵是一个比其他工业过程更为复杂的动态过程。

1957年日本科学家Kinoshita等人发现，在培养某些微生物，如谷氨酸棒杆菌（Corynbacterium glutamicam）时会产生谷氨酸的积累，从此揭开了用微生物发酵方法生产氨基酸的历史新篇章。至今，几乎所有的氨基酸都能采用发酵法生产。谷氨酸是第一种应用发酵法进行工业化生产，也是目前产量最高的氨基酸。

一株谷氨酸高产菌应具备以下主要生理生化特征：

（1）异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱；

（2）还原型辅酶II（NADPH2）进入呼吸链能力缺陷或微弱；

（3）α-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱；

（4）柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶活力强；

（5）谷氨酸脱氢酶活力强；

（6）CO2

固定反应酶系活力强；

（7）分解利用谷氨酸的能力缺陷；

（8）耐高糖、耐高谷氨酸；

（9）谷氨酸对谷氨酸的反馈控制作用丧失；

（10）具有向环境中泄漏谷氨酸的能力。

高产、纯正、优良的菌种是保证发酵成功的前提，因此优良生产菌种的选育一直是谷氨酸发酵的主要研究课题。谷氨酸发酵一般采用黄色短杆菌（Brevibacterium fLavum）为出发菌株，根据代谢控制发酵原理进行人工诱变，定向选育高产率的菌种。

在菌种的保藏和培养过程中，与一切生物发酵生产一样，菌种是发酵生产成败的内因，生产选用高产、纯正、优良的菌种，必须做好5 个方面的控制：①严格保藏温度和干燥的环境，满足菌种不变异、不退化、不污染的条件。保藏菌种要经分离、纯化、筛选，要有专门的冷藏设备，周围的环境要清洁无污染，对于细菌的保藏可采用- 80 ℃冰箱保藏液体菌种的方法。

②生产使用的菌种要尽量减少传代次数，斜面菌种一般以2 代~ 3 代可用于生产的为佳。③严格菌种培养的原材料，试剂原料经过摇瓶和生产试验后，要基本固定规格和生产厂家。有机原料更换批号要做摇瓶试验，每批都要留样做下批试验的对照。④一级种子的培养要严格摇瓶培养间的温度、无菌等级，有条件的情况下摇瓶间可送无菌风。要保证摇床的转速和振幅，经常检查摇床的皮带或齿轮是否松动。⑤控制好一级种子下瓶的时机，除进行OD （光密度）的检测外还可进行湿菌体或用血球计数器计数检测，镜检菌体的形态和同步性，同时要尽量缩短一级种子的冷冻时间，为下一步的扩大再培养提供活力强、同步性好、数量多、无污染的一级菌种。

工业发酵要求选育出高产菌种。一种微生物经过育种，能够积累过量的目标产物，就可以用于工业发酵，同时也说明它的遗传基因型与野生菌相比已经发生了变化。如果目标产物的代谢途径和调节机制已经比较清楚，在菌种选育时就可以有目的得采用适当的方法对细胞内的调节机制机理进行改

造，就能够容易地获得高产菌种。

谷氨酸发酵是一个复杂的过程，当前对其发酵过程的控制还需要不断深入，如高产菌种的选育、微生物代谢过程的本质、产物积累、发酵过程动力学模型的建立及应用等还需进一步探讨。影响谷氨酸发酵的因素很多，随着生物技术、计算机自控技术的提升，相信谷氨酸发酵控制技术也会得到不断提升。针对氨基酸行业发酵生产现状，应采用代谢工程等方法，优化生产菌种和发酵工艺，使得菌种发酵的综合技术不断提高，对谷氨酸产业提高国际竞争力具有十分重要的现实意义。