代谢控制原理与方法
微生物代谢人工调节
产 谷 氨 酸 棒 杆 菌 的 谷 氨 酸 合 成 途 径
以废糖蜜为原料的谷氨酸发酵中，因生物素浓 度过高遇到了困难，通过使用青霉素得以克服。这 是因青霉素阻碍细菌生长和细胞壁合成，有利于谷 氨酸的生成和分泌。 表面活性剂具有类似青霉素的作用。其成分中 ，硬脂酸、脂肪酸最有效。这些酸类影响细胞膜的 脂质合成，并改变细胞膜的脂肪酸类组成，从而增 加对谷氨酸的透性。 缺陷油酸型变异株和缺陷甘油型变异株，即使 在生物素丰富的培养基中,在控制这些物质的浓度下 ，也能积累大量谷氨酸。目前,以醋酸为原料的发酵 法制造已建立。发酵中，生物素的影响同样存在。 醋酸是异柠檬酸分解酶的诱导物，并且，醋酸能代 替生物素的部分作用。因此，必须把生物素的浓度 控制得更低。
（图1）对于直线式代谢途径 ，选育末端代谢产物营养缺 陷型的突变株只能积累中间 代谢产物。如末端产物E对途 径第一个酶有反馈阻遏或反 馈抑制，而菌株失去了将C转 化成D的力，是E的营养缺陷 型。假如在培养基中限量添E ，菌体得以生长，中间产物C 能够大量积累。 （图2）对于分支代谢途径。 分支途径因E和G对途径第一 个酶有协同反馈控制，而突 变株失去了将C转变成D的能 力，产物E无法正常生成, 从 而解除了E和G的协同反馈控 制。若培养基中限量补充E， 由于末端产物G对C到F反应的 控制，就会造成中间产物C的 积累。
2）通过细胞膜缺损突变控制细胞膜渗透 性
应用谷氨酸生产菌的油酸缺陷型菌株， 在限量补充油酸的培养基中，因为油酸是细 菌细胞膜磷脂中重要的脂肪酸，油酸缺陷型 突变株不能合成油酸而使细胞膜缺损, 使细 胞膜发生渗漏而提高谷氨酸的产量。
3）加入表面活性剂
将脂类从细胞壁中溶解，使细胞壁疏松， 通透性增加
4）控制Mn2+ 、Zn2+的浓度 控制Mn
人体系统九大系统代谢原理
人体系统九大系统代谢原理
人体九大系统包括运动系统、消化系统、呼吸系统、泌尿系统、生殖系统、内分泌系统、免疫系统、神经系统和循环系统。
这些系统共同配合，完成各种生命活动。
在代谢方面，消化系统主要负责吸收食物中的营养物质，呼吸系统负责吸入氧气并排出二氧化碳，泌尿系统负责排除废物和多余的水分，而循环系统则负责将营养物质和氧气输送到全身各处，同时也将废物和二氧化碳带走。
内分泌系统负责分泌激素，调节身体的各种生理活动，生殖系统负责繁殖后代，免疫系统负责抵抗疾病和感染，神经系统负责感知、思考、控制身体的各种活动。
运动系统则负责身体的运动，包括肌肉的收缩和关节的活动。
这些活动都需要能量，而能量来自于食物中的营养物质。
营养物质经过消化系统的吸收和利用，通过循环系统的输送，被送到全身各处的细胞中，细胞通过呼吸作用将营养物质氧化，释放出能量。
总之，人体九大系统的代谢原理是：通过消化、呼吸、泌尿等系统的协调工作，摄取必要的营养物质、排出废物，并通过循环系统将营养物质和氧气输
送到全身各处，维持身体正常生理功能。
同时各个系统之间也会互相配合和影响，以共同完成人体的代谢过程。
微生物代谢调控原理的应用
微生物代谢调控原理的应用1. 概述微生物代谢调控原理是指通过对微生物的代谢过程进行调控和优化，来实现对微生物产生的产品或代谢产物进行控制和提高产量的一种方法。
微生物代谢调控原理的应用广泛，包括工业生产、生物制药、环境保护等方面。
2. 常用的微生物代谢调控方法•基因工程: 通过改变微生物的基因组，引入、修改或删除特定的基因，以达到调控微生物代谢的目的。
例如，可以通过基因工程使微生物产生特定的酶，从而提高产物的产量。
•代谢工程: 利用代谢工程方法来调控微生物的代谢途径，使其产生所需的产物或代谢产物。
代谢工程包括代谢路径的重建、代谢途径的优化以及代谢产物的调控等方面。
•生物传感器: 生物传感器是一种能够检测微生物代谢过程并进行实时监测的工具。
通过生物传感器可以获取微生物在不同代谢状态下的信息，从而进行代谢调控。
•发酵工艺优化: 发酵工艺是微生物代谢调控的重要环节。
通过对发酵条件、培养基成分等进行优化，可以达到调控微生物代谢的目的，提高产物产量。
3. 微生物代谢调控在工业生产中的应用•生物燃料生产: 在生物燃料生产过程中，利用微生物进行代谢调控可以提高生物燃料的产量和质量。
通过调控微生物的代谢途径，使其产生更多的生物燃料或提高生物燃料的效能。
•生物塑料生产: 微生物代谢调控可以用于生物塑料的生产过程中。
通过调控微生物的代谢途径和发酵条件，可以合成高效的生物塑料，降低生产成本。
•生物制药: 微生物代谢调控在生物制药中有重要应用。
通过调控微生物的代谢途径和产物分泌路径，可以提高药品的产量和纯度，降低生产成本。
4. 微生物代谢调控在环境保护中的应用•环境污染治理: 微生物代谢调控可以应用于环境污染的治理。
通过调控微生物的代谢途径和代谢产物，可以实现对污染物的降解和清除。
•生物修复: 微生物代谢调控在生物修复中也有重要应用。
通过调控微生物的代谢途径和产物分泌，可以促进土壤、水体等环境的修复和恢复。
•废弃物处理: 微生物代谢调控可以应用于废弃物的处理。
5第五章 代谢调控育种
⑷利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方法， 解除终产物对关键酶的调节；
⑸应用遗传工程技术，创造理想微生物（即构建目 的工程菌株）。
此外，发酵条件如pH值、NH3的供应、溶氧水平、 营养浓度控制及表面活性剂的使用等也非常重要。
一. 切断支路代谢
1. 营养缺陷突变株的应用
营养缺陷型即菌株发生基因突变，合成途径中某一 步骤发生缺陷，丧失了合成某些物质的能力，必须在 培养基中添加该营养物质才能生长。
第五章 微生物 代谢控制育种
第一节 代谢控制育种的基础
代谢控制发酵理论的建立
代谢控制发酵理论最开始是应用于氨基酸高产菌株 的选育中；随后，核苷类物质发酵生产菌也以代谢控 制理论去选育，并奋起直追成为后起之秀。
随着研究的深入，代谢控制发酵理论的作用，已由 野生型菌株的发酵向高度人为控制的发酵转移，由依 赖于微生物分解代谢的发酵向依赖于生物合成代谢的 发酵，即向代谢产物大量积累的发酵转移。
一个菌株经过突变和回复突变后，某一结构基因 编码的酶会经历失活→恢复活性的过程，但酶的调节 部位的结构常常并没有恢复。所以经过此过程后，该 酶的反馈抑制被解除或削弱。因此可以利用营养缺陷 型的回复突变来获得解除反馈抑制从而提高产量的菌 株。
例如，先将金霉素生产菌绿链霉菌诱变成蛋氨酸 缺陷型，然后再回复突变成原养型，结果其中有85% 的回复突变株的金霉素产量提高了1.2~3.2倍。
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株 以及克隆某些关键酶的基因，也可以使目的产物前体 的合成增加，从而有利于目的产物的大量积累。
1. 在分支合成途径中，切断控制共用酶的非目的终 产物的分支合成途径，增多目的产物的前体，使目的 产物的产量提高。
在谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、黄色短杆菌、 大肠杆菌等微生物中，Lys、Thr、Met的合成关键酶是 天冬氨酸激酶，该酶受Lys、Thr的协同反馈抑制，即 天冬氨酸激酶在Lys或Thr单独存在时不受抑制，仅当 两者同时过量时才引起抑制作用。因此，在Thr限量培 养时，即使Lys过剩，也能进行由天冬氨酸生成天冬酰 磷酸的反应（即第一步反应）。
代谢的调节和控制
在负调控系统中，调节基因产物是抑 负调控系统中 制基因转录和翻译成阻遏蛋白， 制基因转录和翻译成阻遏蛋白，并与 操纵基因结合，结构基因无法转录； 操纵基因结合，结构基因无法转录； 有诱导物乳糖存在时， 有诱导物乳糖存在时，可与阻遏蛋白 结合， 结合，造成阻遏蛋白不能与操纵基因 结合，结构基因转录和翻译成3种酶 种酶， 结合，结构基因转录和翻译成 种酶， 这就是负控诱导调节。 这就是负控诱导调节。
核苷酸
颗粒内质网 核酸 核孔 核
蛋白质 核酸
t t
蛋 白 质 生 物 合 成
氨基酸
糖 酵 解 乙酰辅酶A
草酰乙酸 柠檬酸
α -酮 戊 二 酸 酮 三 羧 酸 循 环
脂 肪 脂 肪 酸 脊 线粒体内膜 线粒体外膜 脂 肪 酸 生 物 合 成
第一节
酶活性的调控
一、变构调节 所谓变构调节，指酶受外界因子影响后， 所谓变构调节，指酶受外界因子影响后， 酶的空间构象发生变化，导致酶活性变化， 酶的空间构象发生变化，导致酶活性变化， 从而改变代谢的速度和方向。 从而改变代谢的速度和方向。这是调节酶 调控代谢的分子基础， 调控代谢的分子基础，不管代谢途径多么 复杂或酶的来源如何， 复杂酶的活性高低，往往是通过 这种最直接的形式表现出来。 这种最直接的形式表现出来。
调节基因产物阻遏蛋白， 调节基因产物阻遏蛋白，过量色氨酸与 之结合，成为有活性的阻遏物； 之结合，成为有活性的阻遏物；色氨酸 浓度降低时， 浓度降低时，调节基因产物阻遏蛋白无 活性， 活性，即基因转录受一种转录衰减作用 的精细调节， 的精细调节，是通过转录和翻译偶联实 现的。调节作用的部位称衰减子， 现的。调节作用的部位称衰减子，是位 于结构基因上游前导区的终止子， 于结构基因上游前导区的终止子，前导 区编码mRNA的前导序列，合成的小肽 的前导序列， 区编码 的前导序列 前导肽） （前导肽）可在转录水平上控制前导区 转录的终止。氨基酸缺乏时， 转录的终止。氨基酸缺乏时，前导肽不 能合成。 能合成。
代谢控制发酵知识点
15、抗生素法：有青霉素法和制霉菌素法等素种。青霉素法适用于细菌，青霉素的抑制细菌细胞壁的生物合成，杀死正在繁殖的野生型细菌，但无法杀死正处于休止状态的营养缺陷型细菌。制霉菌素法则适用于真菌，制霉菌素可与真菌细胞膜上的甾醇作用，从而引起膜的损伤，也是只能杀死生长繁殖着的酵母菌或霉菌。在基本培养基中加入抗生素，野生型生长被杀死，营养缺陷型不能再基本培养基中生长而被保留下来得以浓缩。
41、磷酸盐的作用：①提供某些蛋白质、核酸、ADP、ATP所需磷元素；②缓冲作用。
42、复合反应是可逆的，影响复合反应的条件有：①葡萄糖浓度；②淀粉乳浓度（生产中一般采用10~12°Be18~21％ 这时糖化液纯度90~92％，复合糖7％左右）③酸度和酸的种类。
43、无机酸的选择和用量：目前国内普遍采用催化效能最高的盐酸进行淀粉水解。
4、代谢控制发酵技术：是指应用动态生物化学的知识和遗传学的理论选育微生物突变株，从DNA分子水平上，控制微生物的代谢途径，进行最合理的代谢，积累大量有用发酵产物的技术。
5、发酵工程技术的发展趋势：①利用基因工程等先进技术，人工选育和改良菌种，实现发酵产品产量和质量的提升；②采用发酵技术进行高等动植物细胞培养，具有诱人的的前景；③随着酶工程的发展，固定化技术被广泛应用；④不断开发和采用大型节能高效的发酵装置，计算机自动控制将成为发酵生产控制的主要手段；⑤发酵法生产单细胞蛋白，将是产量最大、最具广阔前景的产业，寄希望于解决人类未来粮食问题；⑥应用代谢控制技术，发酵生产氨基酸、核苷酸；⑦将生物技术更广泛的用于环境工程。
1、生物材料：包括来自自然界的微生物，基因重组微生物，各种来源的动植物细胞，因此，发酵工程是生物工程的主要基础和支柱。
2、初级代谢产物：是指微生物产生的，生长和繁殖所必须的物质。如蛋白质，核酸等。
发酵过程的代谢控制
生产规模放大
在大型发酵罐规模进行试验。将小型发
酵罐的优化条件在大型反应器上得以实
现,达到产业化的实现。
第二节
发酵过程的中间分析
发酵过程的中间分析是生产控制的眼睛。 这些代谢参数又称为状态参数，因为它们反映 发酵过程中菌的生理代谢状况，如pH，溶氧， 尾气氧，尾气二氧化碳，粘度，菌浓度等
代谢参数按性质分可分三类： 物理参数：温度、搅拌转速、空气压力、空气流
一、温度对生长的影响
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最 高温度、最低温度来表征。
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超
过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温
度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死
亡。这就是菌种保藏的原理。
二、温度对发酵的影响
1、温度影响反应速率
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有一个最适温度。 从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
培养后期，菌体已基本上停止繁殖，主要靠菌体内
的酶系进行代谢作用，产生热量不多。
2、搅拌热Q搅拌
搅拌热与搅拌轴功率有关，可用下式计算： Q搅拌＝P×860×4186.8（焦耳/小时） P——搅拌轴功率 4186.8——机械能转变为热能的热功当量
电机功率P=
3EI cos
E——额定电压 I——额定电流 cosφ ——功率因素，1千瓦时＝860×4186.8焦耳
一般在发酵中后期为保证产生次级代谢产物， 有意使菌体处于半饥饿状态。 后期的补料控制是关键。
3、糖含量
微生物生长和产物合成与糖代谢有密切关系。
糖的消耗 反映产生菌的生长繁殖情况
反映产物合成的活力
糖含量测定包括总糖和还原糖。
总糖指发酵液中残留的各种糖的总量。
代谢的相互关系及调控
第十一章代谢的相互关系及调节控制I 主要内容本章重点讲了两个方面问题，一是生物体内不同物质代谢的相互联系，二是生物体内物质代谢的调控。
一、物质代谢的相互联系糖代谢、脂代谢、蛋白质代谢和核酸代谢是广泛存在于各种生物体内的四大物质代谢途径，不同途径之间的相互关系集中体现为各有所重，相互转化，又相互制约的关系。
二、代谢调节的一般原理代谢的调节控制方式有分子水平调节、细胞水平调节、激素水平调节和神经水平调节四种，其中神经水平调节是高等动物所特有的，细胞水平是所有生物体共有的，各种类型的调节都是由细胞水平来实现的。
细胞水平调控是一切调控的最重要基础，细胞水平调节主要分为酶的区域化分布调节、底物的可利用性、辅因子的可利用性调节、酶活性的调节、酶量调节五种形式。
（一）酶的区域化分布调节（二）底物的可利用性（三）辅助因子的可利用性（四）酶活性调节酶活性调节是通过对现有酶催化能力的调节，最基本的方式是酶的反馈调节，亦即通过代谢物浓度对自身代谢速度的调节作用，反馈调节作用根据其效应的不同分为正反馈调节和负反馈调节。
反馈是结果对行为本身的调节或输出对输入的调节，在物质代谢调节中引用反馈是指产物的积累对本身代谢速度的调节。
反馈抵制调节包括顺序反馈调节、积累反馈调节、协同反馈调节和同功酶调节四种。
(五) 酶量的调节细胞内的酶可以根据其是否随外界环境条件的改变而改变分为组成酶和诱导酶。
组成酶是催化细胞内各种代谢反应的酶，如糖酵解、三羧酸循环等。
诱导酶则是其含量可以随外界条件发生变化的一些酶类。
它的产生或消失可以使细胞获得或失去代谢某一种物质的能力。
1.原核生物基因表达调控操纵子学说是F. Jacob 和 J. Monod 于1961年首先提出来用于解释原核生物基因表达调控的一个理论。
该理论认为一个转录调控单位包括：结构基因、调节基因、启动子和操纵基因四个部分，其中操纵基因加上它所控制的一个或几个结构基因构成的转录调控功能单位称为操纵子。
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微生物对细胞内外环境的变化作出应答性调节
微生物的经济化学与合目的性 Economic Biochemistry（经济化学）：微生物利于生 存发生的所有生化反应皆有精确计算，有很高经济效益 Telenomic （合目的性）：微生物按需要有目的进行 物质合成的能力
氨基酸中有8种氨基酸人体本身不能合成，只能从食
物的蛋白质中摄取，称为必需氨基酸，它们是L-赖氨 酸、L-色氨酸、L-苏氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L异亮氨酸、L-苯丙氨酸和L-蛋氨酸。
还有两种半必需氨基酸，即精氨酸和酪氨酸。
氨基酸的生产方法
抽提法（水解蛋白质） 化学合成法 生物法（包括直接发酵法和酶转化）
氨基酸发酵的现状
自从发酵法生产谷氨酸成功以后，世界各国纷纷 开展氨基酸发酵的研究与生产，产量增长很快。 2000年氨基酸产量达237万吨，销售额接近45亿美 元，占生物技术产品销售额的7％。 目前氨基酸产业发展较快的国家是美国、日本和 中国。
我国氨基酸发酵的发展
我国氨基酸生产最早在1922年用酸法水解面筋生产谷氨酸 钠即味精，在上海开办了天厨味精厂，该味精的制造方法 曾向美、英、法申请专利，并取得了专利权。并先后建立 了沈阳味精厂、青岛味精厂和天津味精厂，规模均很小， 1949年全国味精总产量不到500吨。 1965年发酵法生产味精取得成功，带动了其他氨基酸的研 究开发。 1965年以后，我国味精生产全部采用以淀粉质或糖蜜为原 料的微生物发酵工艺，大大的促进了生产的发展，到1985 年全国味精生产企业达到140家。随着酶制剂的应用和生 产工艺及装备的改进，技术水平不断提高，进一步推动了 味精生产的快速发展。 发酵法L-赖氨酸生产起步于20世纪70年代，当时仅有上海 天厨味精厂少量生产，以实用为主，1981年在广西建成年 产100吨食品级L-赖氨酸试验工厂，于1987年投产。
控制量 控制水平
控制装置
终产物浓度 转录水平
终产物与阻遏蛋白亲和
终产物浓度 酶构象变化
终产物与控制酶构 象的部位亲和 酶构型变化，活性 中心失活
控制装置的 阻遏蛋白与操纵子基因结合,不 动作 转录mRNA
形成控制
控制反应 细胞经济
开关控制
迟缓，粗控制 超高效益
酶活性大小
迅速，精控制 高效益
2、解除反馈阻遏、反馈抑制突变株的选育
O-琥珀酰-高丝氨酸
高丝氨酸-P
蛋氨酸 (Met)
苏氨酸 （Thr） Thr脱氢酶
赖氨酸(Lys)
异亮氨酸（Ile）
(1) (2) (3)
(4)
(5)
Asp三分支途径优先合成Met，后合成Thr、 Ile，最后合成Lys Thr和Lys对Asp激酶有协同反馈抑制 Thr对Hse脱氢酶有反馈抑制 Ile对Thr脱氢酶有反馈抑制 Met对O-琥珀酰高丝氨酸合成酶有反馈阻遏
无活性 repressor A 超过生理需要量
A合成酶系（E1,E2…）
反馈抑制 A
野生型菌株酶合成水平的反馈阻遏
野生型菌株酶活性水平的反馈抑制
效应物位点 过量A
Gene编码酶
酶活中心
过量A作用效应物位点，酶构型变化，影响酶活性中心而失活
反馈阻遏与反馈抑制比较
反馈阻遏 控制对象 酶合成 反馈抑制 酶活性
一、代谢控制发酵的定义
代谢控制发酵：微生物正常代谢调节，不过量积累 初级代谢产物；人为解除正常代谢调节，而大量积 累初级代谢产物的发酵方式。
代谢控制发酵方法： 1、发酵条件控制 2、菌种遗传改造
二、分解代谢降解物阻遏
1、分解代谢降解物阻遏
分解代谢降解物阻遏：几种底物同时存在时，易利用对 难利用或利用快对利用慢底物分解的抑制作用。
第五节
1.
Lys代谢控制发酵
生产菌种 谷氨酸棒杆菌（C.glutamicum） 黄色短杆菌(B. flavum) 乳糖发酵短杆菌(ctofermentum) 2、谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌Lys合成途径及正常 调控机制
Asp 天冬氨酸 Asp 激酶 天冬氨酸-P 天冬氨酸-β –半醛 Hse脱氢酶 DDP合成酶 合成酶 高丝氨酸 二氢吡啶-2,6-二羧酸
三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle）
乙醛酸循环(glyoxylate cycle)
丙酮酸羧化支路（CO2固定反应）等
谷氨酸生物合成的理想途径
由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径：A？B？
谷氨酸发酵的代谢途径
生成的丙酮酸，一部分在丙酮酸脱 氢酶系的作用下氧化脱羧生成乙酰 CoA，另一部分经CO2固定反应生 成草酰乙酸或苹果酸，催化CO2固 定反应的酶有丙酮酸羧化酶、苹果 酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。
CO2固定酶 系活力强
Citrate synthase, Aconitase, ICDH, GDH酶活力强 异柠檬酸裂解酶 活力欠缺或微弱
乙醛酸循环弱
α-酮戊二酸氧化 能力缺失或微弱
谷氨酸脱氢酶能 力强
谷氨酸发酵的代谢途径
乙醛酸循环的作用
乙醛酸循环途径 可看作三羧酸循 环的支路和中间 产物的补给途径 在菌体生长期之 后，进入谷氨酸 生成期，为了大 量生成、积累谷 氨酸 ，最好没有 异柠檬酸裂解酶 催化反应，封闭 乙醛酸循环
α-酮戊二酸脱氢酶的调节
在谷氨酸产生菌中，α-酮戊二酸脱氢酶活性微弱
谷氨酸脱氢酶的调节
谷氨酸对谷氨酸脱氢酶存在着反馈抑制和反馈阻遏 α-酮戊二酸合成后由于α-酮戊二酸脱氢酶活性微弱， 谷氨酸脱氢酶的活力很强，故优先合成谷氨酸
Glc
CO2 CO2 AC-coA
丙酮酸
羧化酶 草酰乙酸 天门冬氨酸 （Asp）
第一节 氨基酸工业现状及发展方向
近40多年来，国内外在研究、开发和应用氨基酸方面
均取得重大进展，新发现的氨基酸种类和数量已由20 世纪60年代50种左右，发展到20世纪80年代的400种， 目前已达1000多种。其中用于药物的氨基酸及氨基酸 衍生物的品种达100多种。 酸。
氨基酸分为两大类，即蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基
合成酶 柠檬酸
反 馈 阻 遏
顺乌头酸 异柠檬酸
反 馈 抑 制
α-酮戊二酸
谷氨酸 Glu
脱氢酶 脱氢酶
α-酮戊二酸
二、生物素对代谢的调控作用
Glu产生菌主要生理生化特性
需氧，生物素缺陷型bio-,有乙醛酸循环， 羧化酶活性强（bio作为辅酶） 柠檬酸、异柠檬酸、谷氨酸脱氢酶活性高， Glu合成中存在正常反馈阻遏和反馈抑制。菌体细 胞膜通透性差，不利于Glu胞外分泌。
控制生物素添加量使菌种生产Glu
高浓度bio增强羧化酶活性，促进羧化反应利 于Glu合成。低浓度bio降低裂解酶活性，使菌体 生长后关闭乙醛酸循环，使底物流向Glu合成，低 浓度bio使膜磷脂合成缺陷，增加膜通透性，利于 Glu胞外分泌，解除反馈调节，利于Glu合成并大 量积累。
添加亚适量，5-10μg/L 培养基，生产Glu
氨基酸工业代谢控制发酵
马 挺
课程教学的基本要求
了解氨基酸发酵行业发展现状与中国氨基酸行业存 在问题，氨基酸发酵行业发展方向
掌握谷氨酸的生物合成途径和谷氨酸发酵调节机制， 掌握谷氨酸细胞膜渗透性的控制方法
了解谷氨酸生产菌的主要特征以及谷氨酸生产菌在 发酵过程中的形态变化，掌握谷氨酸发酵的代谢控 制育种策略
AR-或AO诱变
野生型菌株
解除反馈调节突变株
AR-＋AO-
酶基因突变
解除反馈调节突变株可以大量积累末端产物 筛选方法： 解除Lys反馈调节突变株筛选
野生型菌株
诱变
正常反馈调节型 菌细胞 解除反馈调节突变型
第三节 谷氨酸的生物合成途径
生产谷氨酸的主要菌株
生成谷氨酸的主要酶反应
谷氨酸生物合成的理想途径 谷氨酸发酵的代谢途径Biblioteka 8hrGlu非积累型细胞
Glu积累型细胞
培养前期，bio充足，存 在乙醛酸循环，中间物质 和能量充足，长细胞，膜 磷脂合成正常，正常反馈 调节，不积累Glu，细胞 形态正常。
培养中后期，bio浓度渐 低，乙醛酸途径减弱直至 关闭，膜磷脂合成缺陷， 膜透性增强，分泌Glu， 解除反馈调节，大量积累 Glu，细胞形态异常，未 溶解。
Glu发酵常用菌种 谷氨酸棒杆菌(C.glutamicum) 北京棒杆菌(C.peiking AS.1229) 黄色短杆菌(Brevibacterium flavum) 乳糖发酵短杆菌(ctofermentum)
谷氨酸的生物合成包括
糖酵解作用（glycolysis, EMP途径） 戊糖磷酸途径（pentose phosphate HMP途径） pathway，
生物素控制磷脂的合成
使用生物素缺陷型菌株进行谷氨酸发酵，通过限 制发酵培养基中生物素的浓度控制脂肪酸生物合成， 从而控制磷脂的合成 作用机制：生物素作为催化脂肪酸生物合成最初 反应的关键酶乙酰CoA羧化酶的辅酶，参与了脂肪酸 的合成，进而影响磷脂的合成。当磷脂合成减少到 正常量的一半左右时，细胞变形，谷氨酸向膜外漏 出，积累于发酵液中
氨基酸发酵的发展动向
新技术和工艺的开发应用 1.现代生物技术在氨基酸工业中的应用 2.生物化工技术在氨基酸工业中的应用 新产品的开发、新应用领域的拓展 1.医药中间体 2.肽类 3.多聚氨基酸 4.氨基酸系表面活性剂
第二节
微生物代谢控制发酵
微生物代谢调节
1、时序调节(temporal regulation)
2、解除分解代谢降解物阻遏的技术与方法