第三章 微生物代谢调控

第一节 第二节

切断支路代谢 解除微生物自身反馈抑制

2、解除微生物自身 解除微生物 微生物自身 1、切断支路代谢 反馈调节抑制 反馈调节抑制 生物合成途径的遗传控制是通过诱变 生物合成途径的遗传控制是通过诱变 合成途径 是通过 来实现的； 来实现的；这种突变不仅包括结构基 因的突变，而且包括调节基因的突变。 因的突变，而且包括调节基因的突变。 3、增加前体物的合成 、 4、去除终产物 、去除终产物

要实现切断支路代谢， 要实现切断支路代谢， 切断支路代谢 可通过选育营养缺陷突 变株或渗漏缺陷突变株 而达到。 而达到。

营养缺陷型就是菌株 营养缺陷型就是菌株 由于发生基因突变， 由于发生基因突变， 致使合成途径中某一 步骤发生缺陷， 步骤发生缺陷，从而 丧失了合成某些物质 的能力， 的能力，必须在培养 中外源补加该营养物 质才能生长的突变型 菌株。 菌株。

渗漏缺陷型是 渗漏缺陷型是由于 这种突变是使它的 某一种酶的活性下 降而不是完全丧失， 降而不是完全丧失， 能够少量地合成某 一种代谢终产物， 一种代谢终产物， 能在基本培养基上 进行少量的生长。 进行少量的生长。

1956年，报道了二步发酵法进行工业生产赖氨 年 报道了二步发酵法进行工业生产赖氨 二步发酵法 酸的专利， 酸的专利，首先是培养大肠杆菌的赖氨酸营养缺 陷型，使之产生二氨基庚二酸， 陷型，使之产生二氨基庚二酸，然后再以产期杆 菌或不要求赖氨酸的大肠杆菌野生型所产生的二 氨基庚二酸脱羧酶， 氨基庚二酸脱羧酶，将二氨基庚二酸脱去羧基形 成赖氨酸。 成赖氨酸。

二氨基庚二酸

赖氨酸

1958年，报道了利 年 用谷氨酸小球菌的 高丝氨酸或蛋氨酸 与苏氨酸营养缺陷 与苏氨酸营养缺陷 型，以糖质原料直 接发酵产生大量赖 氨酸的研究； 氨酸的研究；

之后出现了采用 谷氨酸小球菌的 营养缺陷型直接 营养缺陷型直接 发酵产生赖氨酸 的研究； 的研究；

我国报道了利用 我国报道了利用 北京棒状杆菌的 北京棒状杆菌的 营养缺陷型生产 营养缺陷型生产 赖氨酸的研究工 作。

一步发酵法

在高丝氨酸缺陷型中， 在高丝氨酸缺陷型中， 由于缺乏催化天冬氨酸由于缺乏催化天冬氨酸-B半醛为高丝氨酸的高丝氨酸 脱氢酶， 脱氢酶，因而丧失了合成高 丝氨酸的能力。 丝氨酸的能力。这就一方面 切断了生物合成苏氨酸和蛋 氨酸的支路代谢， 氨酸的支路代谢，使天冬氨 酸半醛这一中间产物全部转 入赖氨酸的合成。 入赖氨酸的合成。 另一方面通过限量添加 高丝氨酸，可使蛋氨酸、 高丝氨酸，可使蛋氨酸、苏 氨酸

生成有限， 氨酸生成有限，因而解除了 苏氨酸、 苏氨酸、赖氨酸对天冬氨酸 激酶的协同反馈抑制， 激酶的协同反馈抑制，使赖 氨酸得以积累。 氨酸得以积累。

谷氨酸棒状杆菌高丝氨酸缺陷型赖氨酸的发酵机制

末端产物对生长乃是必需的，所以， 末端产物对生长乃是必需的，所以，应在 培养基中限量供给，使之足以维持菌株生长， 培养基中限量供给，使之足以维持菌株生长， 但又不至于造成反馈调节(阻遏或抑制), ),这 但又不至于造成反馈调节(阻遏或抑制),这 样才能有利于菌株积累中间产物。 样才能有利于菌株积累中间产物。

该突变是使酶的活性下降而不是完全丧失。因此， 该突变是使酶的活性下降而不是完全丧失。因此， 渗漏缺陷型能够少量地合成某一种代谢最终产物， 渗漏缺陷型能够少量地合成某一种代谢最终产物， 能在基本培养基上进行少量的生长。 能在基本培养基上进行少量的生长。由于渗漏缺 陷型不能合成过量的最终产物， 陷型不能合成过量的最终产物，所以不会造成反 馈抑制而影响中间代谢产物的积累。 馈抑制而影响中间代谢产物的积累。

一、选育拮抗类似物突变株 拮抗类似物突变株也称为代谢拮抗物抗性突 变株。选育抗类似物突变株， 变株。选育抗类似物突变株，是目前微生物代谢 控制育种的主流。因为代谢调节可被遗传性地解 控制育种的主流。 除，在发酵时可不再受培养基成分的影响，生产 在发酵时可不再受培养基成分的影响， 较为稳定。 较为稳定。 另外，拮抗类似突变株不易发生回复突变， 另外，拮抗类似突变株不易发生回复突变， 因此在发酵生产上被广泛采用。 因此在发酵生产上被广泛采用。

我们知道正常的合成代谢的最终产物能与阻遏 蛋白以及变构酶相结合， 蛋白以及变构酶相结合，对于有关酶的合成具有阻 遏作用，对于合成途径的第一个酶具有反馈抑制作 遏作用， 用。 由于这种结合是可逆的， 由于这种结合是可逆的，所以当代谢最终产物 例如某一氨基酸渗入蛋白质而在细胞中浓度降低时， 例如某一氨基酸渗入蛋白质而在细胞中浓度降低时， 它就不再与阻遏物以及变构酶相结合， 它就不再与阻遏物以及变构酶相结合，这时有关的 酶合成以及它们的催化作用便又可继续进行。 酶合成以及它们的催化作用便又可继续进行。

代谢拮抗物的作用机制是代谢拮抗物由于与代 谢产物结构相似， 谢产物结构相似，所以同样能与阻遏物以及变构酶 相结合，可是它们往往不能代替正常的氨基酸而合 相结合， 成为蛋白质， 成为蛋白质，也就是说它们在细胞中的浓度不

会降 低，因此与阻遏物以及变构酶的结合是不可逆的。 因此与阻遏物以及变构酶的结合是不可逆的。 这就使得有关的酶不可逆地停止了合成，或是酶的 这就使得有关的酶不可逆地停止了合成， 催化作用不可逆地被抑制。 催化作用不可逆地被抑制。

一个菌株是怎样会成为代谢拮抗物的抗性菌 株的。一个可能的途径是变构酶结构基因发生突变， 结构基因发生突变 株的。一个可能的途径是变构酶结构基因发生突变， 使变构酶调节部位不再能与代谢拮抗物相结合。 使变构酶调节部位不再能与代谢拮抗物相结合。这 种突变型就是一个抗反馈突变型。 种突变型就是一个抗反馈突变型。正常代谢最终产 物由于与代谢拮抗物的结构相类似， 物由于与代谢拮抗物的结构相类似，所以在这一突 变型中也不与结构发生改变的变构酶相结合。这样， 变型中也不与结构发生改变的变构酶相结合。这样， 该突变型细胞中已经有大量最终产物， 该突变型细胞中已经有大量最终产物，但仍能继续 不断地合成。 不断地合成。

另一可能的途径是调节基因发生突变， 另一可能的途径是调节基因发生突变，使阻遏 调节基因发生突变 物不能再与代谢拮抗物结合， 物不能再与代谢拮抗物结合，这种突变型也将是一 个代谢拮抗物的抗性突变株， 个代谢拮抗物的抗性突变株，同时也是一个抗阻遏 突变型。在这一突变型中，由于正常代谢的最终产 突变型。在这一突变型中， 物不与结构发生改变的阻遏蛋白相结合， 物不与结构发生改变的阻遏蛋白相结合，所以在细 胞尽管已经有大量最终产物， 胞尽管已经有大量最终产物，仍能不断地合成有关 的酶。 的酶。

选用抗代谢拮抗物突变株是应用代谢调节控制 理论于育种及发酵生产的另一条途径。 理论于育种及发酵生产的另一条途径。在多数情况 下，与营养缺陷型的筛选相配合，是定向选育高产 与营养缺陷型的筛选相配合， 菌株的有效方法。一般来说， 菌株的有效方法。一般来说，在分支合成途径中使 用抗性突变株育高产菌株往往难于达到产量提高之 目的。 故首先必须选取合适的营养缺陷型，同时又 目的。 故首先必须选取合适的营养缺陷型， 选取具有一定抗性突变的菌株， 选取具有一定抗性突变的菌株，产量才会大幅度提 高。

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