第2章 菌种的来源及保藏

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武汉科技大学 生物工程教研室
发酵工程
菌种的来源
菌株选育、分子改造
方法
基因突变: 自然选育、诱变育种
基因重组: 杂交、原生质体融合、基因工程
基因的直接进化: 点突变、易错PCR、同序法
DNA Shuffling等
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菌种的来源
菌株选育、分子改造
一、自然选育
自然状态下,碱基对发生自然突变的机率为10-8~10-9 自然突变有两种情况:
谷氨酸发酵的菌种: 棒杆菌属,短杆菌属、节杆菌属或小 杆菌属的棒型细菌
其它氨基酸生产菌: 常规菌种一般也是以谷氨酸生产菌 选育而成;工程菌,大肠杆菌,枯 草芽孢杆菌
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菌种的来源
已工业化产品生产菌的介绍
三、食品酶制剂生产有关的微生物
开发一个新酶,都要经过一系列研究的毒理试验。关于 食品用酶,美国需要得到FDA的批准。目前已同意使用的 仅仅少数微生物能用于生产食品用酶。
物理方法:加热、膜过滤等,表2-2 (P31) 但主要是通过培养的方法
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菌种的来源
自然界中有目的微生物分离的原则
定向培养的富集方法
1、底物
2、pH条件
3、培养时间
4、培养温度
等一切能提高目的微生物相对生长速 度的手段,培养(固体、液体;分批 连续)后使目的微生物在种群中占优 势。
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已工业化产品生产菌的介绍
问题: 生产抗生素的微生物能不能用于生产氨基酸?
微生物(包括动、植物细胞)几乎可以生产 我们所需的一切产品,但是涉及到工业化生 产对于某一种特定的产品,只有特定的微生 物才具有大量表达的潜力。
例:
Eli lilly公司,花了10年的时间从40万株微生 物中,发现了三种有潜力的新抗生素。
¾富集的三种方案:
z 定向培养:采用特定的有利于目的微生物富集的 条件,进行培养。
z 当不可能采用定向培养时,则可设计在一个分 类学中考虑,
z 不能提供任何有助于筛选产生菌的信息,这 时只能通过随机分离的办法
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菌种的来源
自然界中有目的微生物分离的原则
定向培养的方法
α—淀粉酶:黑曲霉、米曲霉、米根酶、枯草牙孢杆菌 和地衣牙孢杆菌
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菌种的来源
已工业化产品生产菌的介绍 三、常用的基因表达系统
(一)原核生物:大肠杆菌(1977年Boyer)、枯草牙胞杆菌 沙门氏菌
生长迅速、蛋白产量高; 表达蛋白的纯化、分离及分析快速;
外源基因的导入相对容易;
自然选育虽然突变率很低,但却是工厂保证稳产高产的 重要措施。
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菌株选育、分子改造
自然选育操作步骤: 一般习惯上将自然选育称为菌种的分离纯化。
单细胞(孢子)悬液的制备
平板分离
挑选单菌落 (注意形态的观察)
发酵试验
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分子生物学的实验手段,在微生物鉴别及特定目标产物 的筛选方面发挥了着越来越重要的作用。如:16SRNA同 源性分析,基因序列分析及DNA/DNA杂交技术等
In contrast to this traditional approach, modern molecular biology
techniques allow for DNA library expression screening, which also
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自然界中有目的微生物分离的原则
四、菌落的选出
从产物角度出发
在培养时以产物的形成有目的的设计培养基
利用简单、快速的鉴定方法,如抗生素(P35)
从形态的角度
菌落的外观形态,是微生物的一个重要表征。如多糖 产生菌在适当的培养基上生长,从具有粘液性的菌落外观 上就可以初步识别。
z 能够利用廉价的原料,简单的培养基,大量高效地合成产物 z 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 z 遗传性能要相对稳定
z 不易感染它种微生物或噬菌体
z 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)
z 生产特性要符合工艺要求
培养条件易于控制 生长迅速,发酵周期短 满足代谢控制的要求 抗噬菌体能力强
从285个土样中获得62株
26株为组成型
36株为诱导型
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自然界中有目的微生物分离的原则
例:醛肟水解酶的筛选--Journal of biotechnology 94(2002), 65-72
培养基中含0.05% of Z-PAOx
每隔2-3天移去一半培养物,补充新鲜培养基
自然界中有目的微生物分离的原则
二、采样时要注意的问题
z 气候、水分、空气 z 来源要广 z 结合产品的特点 z 标签:地点、时间、气候等
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自然界中有目的微生物分离的原则
三、目的微生物富集的一些基本方法
¾富集的目的: 让目的微生物在种群中占优势,使筛选变 得可能。
an alkaline soil sample.
FEMS Microbiology Reviews 26 (2002) 73~81
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菌种的来源
菌株选育、分子改造 第四节 菌株选育、分子改造
目的
z 防止菌种退化
z 解决生产实际问题
z 提高生产能力
z 提高产品质量 z 开发新产品
可寻找已实适应相当苛刻的环境压力的微生物类群。
在酸性土壤圈的放线菌类群与其紧接下层的中性 圈的有很大的不同。因此,有可能利用同一生态 环境内的不同环境条件分离出更多种类的菌株。
更新的生态环境仍有待进一步的开发,如根瘤、 动物的肠道和其它特殊生态环境。
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菌种的来源
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已工业化产品生产菌的介绍
¾ 中国仓鼠卵巢细胞(CHO细胞)表达系统
具有准确的转录后修饰功能;
具有产物胞外分越功能,便于下游产物分离纯化; 具有重组基因的高效扩增和表达能力;
具有贴壁生长特性,也可进行悬浮生长;
CHO很少分泌自身的内源蛋白。
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一、微生物的特性
有些微生物能在厌氧的条件下生长
有些微生物能够利用简单的有机物和无机物满足自 身的生长 有些微生物能进行复杂的代谢 有些微生物能利用较复杂的化合物 有些微生物能在极端的环境下生长
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菌种的来源
微生物的特性及工业微生物的要求
二:工业化菌种的要求
已建立了整套表达理论及技术.
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已工业化产品生产菌的介绍
(二) 真核细胞表达系统
¾ 酵母(既是微生物又是真核细胞)
z 生长迅速,营养要求不高,易培养;
z 安全性好; z 比哺乳动物细胞操作简单;
z 具有一定的修饰蛋白的能力。
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菌种的来源
第二章:菌种的来源
微生物的特性及工业微生物的要求
一些工业化产品生产菌种的特点
自然界中有目的微生物分离的原则
菌种选育、分子育种 菌种保藏
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菌种的来源
微生物的特性及工业微生物的要求
第一节 微生物的特性及工业微生物的要求
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菌种的来源
自然界中有目的微生物分离 第三节 自然界中有目的微生物分离
一、菌种分离的一般过程
土样的采取 → 预处理 → 培养 Biblioteka Baidu 菌落的选择
→ 产品的鉴定 目的:高效地获取一株高产目的产物的微生物
问题: 如何使样品中所含微生物的可能性大 如何在后续的操作中使这种可能性实现
不断分析样品,2-3个月后Z-PAOx降低后,稀释分离条菌落
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自然界中有目的微生物分离的原则 五、目的微生物富集方法的研究进展
目前土壤中能够培养的微生物不到总数的1%。微生物的 多样性及资源的开发仍然是今后若干年的研究重点。
2002,陈文新(科学院院士)
一种是我们生产上所不希望看到的,表现为菌株的衰 退和生产质量的下降,这种突变成为负突变。
另一种是我们生产上希望看到的,对生产有利,这种突 变成为正突变。
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菌株选育、分子改造
自然选育在工业生产上的意义
问题: 高产菌株是正突变高,还是负突变高?
回复突变:高产菌株在传代的过程中,由于自然突变导致 高产性状的丢失,生产性能下降,这种情况我们称为回复 突变
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市场调研 文献调研
开发设计
采集样品
原种斜面
菌种保藏机构 提供的纯种斜面
纯种分离
富集培养
筛选(初筛、复筛) 通过筛选的菌种斜面
性能鉴定
菌种保藏
育种出发菌
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含菌材料选择
选择菌种来源的标准
对于天然材料,如土壤的选择,来源越是广泛的样品 越有可能获得新的菌种;
enables access to enzymes of `nonculturable' organisms. By this strategy,
for instance, the company Diversa (San Diego, CA, USA) identised 120
unique esterases/lipases from only 16% of the total DNA obtained from
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第二节 已工业化产品生产菌的介绍
一、抗生素生产有关的微生物
抗生素是次级代谢产物,需要生物体进行复杂的代谢, 目前发现的生物来源如下:
放线菌(链霉素 四环素;红霉素 等)
真菌(青霉素、头孢等)
一些产芽孢的细菌
植物或动物来源
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自然界中有目的微生物分离的原则
实例:碱性纤维素酶产生菌的筛选(国家七五攻关项目)
文献:产生菌为中性牙孢杆菌,嗜碱牙孢杆菌、放线菌及霉菌
采样(造纸厂) →80度30分钟处理 ↓
0.0075%曲利本蓝+1%CMC(羧甲基纤维素),pH10.5 培养3~4天,选择有凹陷圈的菌落
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已工业化产品生产菌的介绍
二、氨基酸生产有关的微生物
50, 60年代以氨基酸发酵为代表的代谢控制发酵,是 发酵工业发展历史上的一个转折点:
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。
菌株选育、分子改造
二、诱变育种
用各种物理、化学的因素人工诱发基因突变进行的筛选, 称为诱变育种
诱变剂:能够提高生物体突变频率的物质称为诱变剂
{ 物理:紫外,快中子
诱变剂 化学:硫酸二乙酯,亚硝基胍
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菌种的来源
菌株选育、分子改造
(一)、诱变剂的作用原理(略)
(二)、诱变剂处理过程中几个有关的问题
化学诱变剂使用过程的安全性
诱变剂量的选择 诱变剂的选择 出发菌株的选择
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菌种的来源
菌株选育、分子改造
(三)、诱变育种的一般步骤
(四)、筛选的方法
随机筛选 形态 理性化筛选
从产物形成的生理生化途径着手,进 行有的放矢的筛选。如结构类似物抗 性、营养缺陷型等,筛选而产生的这 些特性,称为遗传标记。
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菌种的来源
已工业化产品生产菌的介绍
AK:天冬氨酸激酶
HD:高丝氨酸脱氢酶 HT:高丝氨酸转乙酰酶
黄色短杆菌中赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸的合成
调节机制
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菌种的来源
已工业化产品生产菌的介绍
氨基酸生产菌的要求: 代谢途径比较清楚, 代谢途径比较简单
结构类似物:在化学和空间结构上和代谢的中间物(终产 物)相似,因而在代谢调节方面可以代替代谢中间物(终产 物)的功能,但细胞不能以其作为自身的营养物质。
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菌种的来源
筛选菌株时需考虑的一些指标
A. 菌的营养特征,可利用廉价的原料; B. 菌的生长温度应选择温度高于40℃的菌种,这可
大大降低大规模发酵的冷却成本; C. 菌对所采用的设备和生产过程的适应性; D. 菌的稳定性; E. 菌的产物得率和产物在培养液中的浓度; F. 产物易于从培养液中分离。
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