发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚-2第二章发酵过程的生物学基础

第二章

发酵过程的生物学基础

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本章的教学内容

第一节发酵过程与微生物

第二节微生物的营养与培养基的设计

第三节微生物的生长模式及其动力学

第四节环境对微生物的影响

第五节代谢产物的代谢调控

第六节微生物代谢产物的过量产生

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第一节发酵过程与微生物

k.微生物与发酵

k.微生物细胞工厂

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一、微生物与发酵

?发酵工程是以微生物的生命活动为中心的

?微生物的生物学性状和发酵条件决定了其相应产物的生成

?工业上用的全部微生物都称为工业微生物，工业生产上常用的微生物主要是细菌、放线菌、酵母菌和霉菌

?由于发酵工程本身的发展以及基因工程正在进入发酵过程，病毒、藻类等其它微生物也正在逐步地变为工业生产菌。

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二、微生物细胞工厂五碳糖(木糖、阿拉伯糖)ATP ADP
苯 C3 酮酸
C3 烯酸
C3 醇
水解 生物质 粗原料 水解分解 酶系
转移
C5 糖~P
异构 裂解
裂解C3 烯酰CoA H2CO2
还原C3 酮
合成
芳香族 化合物聚酮 聚羟基 烷酸 C4 醇
转移C7 糖~P
裂解C3 羟酸
裂解C4 CoA C1 酸
转移 还原NADH
氧化 转移 氧化
还原
NADP+ NADPH
六碳糖(葡萄糖 甘露糖) ATP
还原
NAD+ NADH
合成 氧化
高分子 聚合物
NAD+
转移C6 糖~PADP
转移
裂解 转移
C3 酮酸
转移C2 ~PADP ATP
C2 CoAPi+O2 CO2
C2 酸
C3 醛~P
C4 糖~P 裂解 氧化 转移 异构NAD+ NADH ADP ATP
C3 酸~P
转移 裂解H2O
ATP NAD+ ADP CO2 NADH CO2
还原NADH NAD+
C3 酮酸~P
转移
C2 醛
还原
生物 燃料 C1-C6 平台 化合物
C2 醇
NADH
NAD+
异构C3 羟酮~P
合成 转移 还原 裂解 还原ADP ATP NADH NAD+ H2O NADH NAD+
C6 酸 C4 酸
氧化NADH
CO2
NAD+
C3 二醇
C5 酮酸
合成
C4 CoACO2
氧化5
将生物质原料各类组分，高效、定向合成燃料、材料与各类化学品
5

6

减压精

馏氧化氧化丙烯酸

建筑、纺织、包装目前国内需求55

万吨，产值88亿

生物质生物炼制

细胞工厂细胞工厂的生产模式

实现One-Pot 反应，缩短石油化学品生产的工艺流程，减少原油资源消耗，降低投资成本，减少污染与CO 2排放。分离裂化分离分离分离y 选择性

y 高效性

y 含氧原料

y 手性特征3-羟基丙酸

石油

“微生物细胞工厂”概述

?所谓“工厂”，就是能够生产或制造某种产品，或者进行某种处理程序的场所。因此,一般意义上的“工厂”应该具备特定的生产线，以及相应的动力等辅

助系统，并且需要在一定的管理程序下才能正常运转，尤其重要的是“工厂”的各要素是根据人的意志“设计”进行的，可以根据需求设计生产线及辅助系统等，并调控生产进度。

?“细胞工厂”也具备相应的组成要素，同样地，对于“细胞工厂”而言，其“可设计性”也是最重要的。这就首先需要了解菌体的遗传操作背景及原有的代谢途径或网络，因此细胞工厂的构建多在遗传背景相对清楚的模式菌的基础上进行。

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“微生物细胞工厂”概述

在遗传背景相对清楚的模式菌中构建新的代谢途径或进

行代谢调控

根据需求设计生产线, 并调控生产进度胞内复杂的调节控制系统和

对外界调控的响应能力

管理程序胞内能量及辅因子系统动力等辅助系统产物合成/ 底物降解途径生产线相应的细胞结构或调控要素“工厂”组织和调控要素

“微生物细胞工厂”概述

?野生型的菌株通常不能被称之为细胞工厂，主要是因为：

–野生型菌株代谢速率和产物积累浓度低;

–野生型菌株的代谢产物往往是多种产品的混合物

，直接用于工业生产时产品分离难度较大;

–野生型菌株主要依靠自然进化，速度慢，随机性

强，不适合用于工业生产;

–多数微生物底物谱较窄，而生物质成分复杂，难

以被一种微生物全部利用。

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细胞工厂的挑战目前生物炼制的经济竞争力与市场影响力有限原料利用能力 产品合成能力
精细原料
复杂原料
微量合成 不能合成
大量合成 定向合成
乙醇浓度(g/L) 100
产量(g/L) 130~150
木糖 葡萄糖
木糖 阿拉伯糖 半乳糖 甘露糖
谷氨酸
木糖
时间
微 生 物
柠檬酸 丁醇 丁二酸 乙烯(?) 丙烯酸(?) 3-羟基丙酸(?)10
利用速率: 葡萄糖1/4 转化率: 10-40%
时间
葡萄糖 (淀粉)
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细胞工厂的构建
细胞工厂
高效利用生物质 高效生产目的产物
出发菌株
遗传修饰
设计策略
代谢分析细胞工厂构建的策略11
11

细胞工厂的构建

?基于基因组序列数据、代谢组分析和通量组计算重构代谢网络，是构建生物炼制细胞工厂的基础。?在此基础上，利用计算生物学的方法，整合转录组学、蛋白质组学和代谢组学所产生的数据，理解微生物对不同的细胞内和环境刺激的应答情况，利用适当的算法解析代谢网络结构，确定其中的关键节点，可以设计出新的代谢工程策略，设法调节代谢流向目标产物产量最大化的方向流动，从而构建高效的细胞工厂。

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第五节微生物的代谢调节

在生物进化过程中，微生物细胞形成了愈来愈完善的代谢调节机制，在代谢繁殖过程中，能量的利用以及对细胞生长繁殖过程中所需的各种物质的形成是非常合理和经济的，细胞经常处于平衡生长状态，不会有代谢产物的积累。

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现代发酵工业要研究的主要内容就是通过改变培养条件和遗传特性，使微生物的代谢途径改变或代谢调节失控而获得某一发酵产物的过量产生。其方法大体可分为两类：

–改变产生菌的基因型而改变代谢途径；

–改变控制代谢速率，即影响基因型的表达。

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?代谢调节(regulation of metablism）是指微生物的代谢速度和方向按照微生物的需要而改变的一种作用。

酶量的调节

酶活性的调节

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?微生物代谢的控制是指运用人为的方法对微生物的代谢调节进行遗传改造和条件的控制，以期按照人们的愿望，生产有用的微生物制品。

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9代谢调节的方式

9酶合成的调节

9酶活性的调节方式

9初级代谢的调节

9次级代谢的调节

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一、代谢调节方式

?细胞透性的调节

?代谢途径区域化

?代谢流向的调控

?代谢速度的调控

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代谢调节方式

1，细胞透性的调节

?细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢

产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化

。

?细胞质膜的透性的调节是微生物代谢调节的

重要方式，由它控制着营养物质的吸收和产

物分泌。

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代谢调节方式

?例如，大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌吸收乳糖是由渗

透酶和环状AMP(cAMP)协同控制来完成的。cAMP

的浓度是由腺苷酸环化酶(AC)的活性控制的，也就

是说，乳糖的吸收受渗透酶和AMP环化酶的控制，

调节蛋白通过磷酸化的形式和腺苷酸环化酶（AC

）或渗透酶结合，分别使腺苷酸环化酶活化或使渗

透酶失活。当有葡萄糖时，乳糖的渗透酶以无活性

状态存在，而腺苷酸环化酶也以非活性状态存在。

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L-异亮氨酸的膜渗透情况

B r n E B r n F

BrnQ

代谢调节方式

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zbuq.html