代谢调控理论在微生物发酵中的应用
生物发酵工程中的微生物代谢调控
生物发酵工程中的微生物代谢调控生物发酵工程是一门应用广泛的学科，其涉及微生物、生物化学、传热传质等多个学科的知识，旨在利用微生物在发酵过程中生成的代谢产物来满足人们的生产和生活需求。
而在微生物代谢过程中，如何通过调控其代谢途径，实现目标产物的高效合成、减少代谢的损耗，成为了生物发酵工程中的一个重要研究方向。
微生物代谢调控的意义微生物代谢调控是指通过改变微生物生长条件和代谢途径，来调整其代谢产物合成量和比例的过程。
在工业生产中，通过微生物发酵生产大量特定代谢产物是一种非常经济、环保的加工方式，但是微生物产生的代谢产物存在很大的不确定性。
因此，通过对微生物代谢途径的调控，可以使目标产物的产量和比例得到控制，从而提高产量，减少生产成本，并且提高产物的纯度和质量。
微生物代谢途径及其调控微生物代谢途径是指微生物在生物体内通过多种化学反应途径来完成与生长、繁殖相关的代谢活动。
其中包括代谢途径的产物合成、产物分解以及代谢的能量转换等步骤。
微生物代谢调控的目的就是通过改变这些代谢途径的流量和平衡，来调整微生物产物的合成量和比例，从而达到优化目标的效果。
代表微生物代谢调控方法有以下两种：1.正向调控正向调控是指通过增加代谢途径的流量和互动，来加强目标代谢产物的合成，从而提高产量。
这种调控方法常见于工业生产中，例如酿造啤酒时，生产者为了增加酒的口感和香味，会加入辅酶、氨基酸、谷氨酸等化合物来促进酵母细胞的代谢，从而促进目标产物的生成。
2.反向调控反向调控是指通过成分的增减或运输网络的改变来降低目标代谢产物的合成，从而对微生物代谢路线进行限制。
这种方法经常用于通过发酵生成的副产物的控制。
例如，在环境中限制糖分含量、压制某些酶或基因，以限制微生物代谢途径中产生某些不必要的代谢产物的方法。
代表性工程案例在实践中，通过微生物代谢调控技术，目标代谢产物的生产得以实现。
以下列举一些代表性的工程案例：1.习得味道细节啤酒发酵后的酿造品质是由微生物代谢途径的复杂模式决定的。
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究
发酵工艺中微生物的生长与代谢调控研究发酵工艺是一种利用微生物的代谢活动来生产有用的化学物质的技术。
在这个过程中，微生物的生长和代谢调控起着关键作用。
本文将从微生物生长和代谢调控两个方面介绍发酵工艺中微生物的相关研究。
一、微生物生长微生物的生长是指微生物个体数目增多的过程，也是发酵工艺中最基本的过程之一。
微生物的生长可以分为四个阶段：潜伏期、指数期、对数期和稳定期。
1. 潜伏期潜伏期是指微生物在新的培养基中适应环境的过程。
在这个阶段中，微生物的代谢活动相对较缓慢，个体数目几乎不变。
2.指数期进入指数期后，微生物开始快速增长。
在这个阶段中，微生物的个体数目呈指数增长，其增长速率也相对较快。
此时微生物的代谢活动也处于高峰期，细胞内各种代谢产物的合成速率较快。
3. 对数期当微生物细胞密度达到一定值时，微生物的增长速率会开始降低，进入对数期。
在这个阶段中，微生物的代谢活动较指数期保持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量只是等量地替代老的细胞。
4. 稳定期稳定期是指微生物生长速率趋于平缓的状态。
在这个阶段中，微生物的代谢活动也维持在一个相对稳定的水平，新的细胞数量与老的细胞数量趋于相等。
二、代谢调控微生物的代谢是指它们在细胞内生产和消耗物质的过程。
在发酵工艺中，所需的发酵产物通常是由微生物代谢产生的。
因此，微生物代谢的调控在发酵工艺中非常重要。
1. 糖代谢大多数发酵物质的合成都是依赖于糖代谢的过程。
微生物的糖代谢途径繁多，包括四种主要代谢途径：糖酵解、异糖酵解、戊糖酵解和底物级联途径等。
这些糖代谢途径的启动和调控都受到微生物内部和外部环境的调节。
2. 氮代谢氮代谢是指微生物内部氮代谢产物的生产和消耗过程。
在发酵工艺中，氮代谢参与了发酵产物的合成和微生物生长的控制等过程。
微生物通过调节氮代谢途径中相关酶的活性来平衡代谢产物的合成和消耗，从而实现较高的生产效率。
3. 能量代谢微生物通过代谢活动产生能量，并且可以通过调节代谢途径的活性来适应不同的环境中的能量状态。
发酵工程 举例说明如何通过代谢调控提高微生物产物产量
举例说明如何通过代谢调控提高微生物产物产量2013.6.16 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
正常情况下，微生物代谢产物由于反馈抑制和反馈阻遏是不会大量积累的。
但自然界里常发现一些微生物产生了过量的代谢产物，这主要是由于这些微生物代谢机制失调造成的，在工业发酵上，可运用遗传的和环境的控制和人为的代谢调节，使其产物大量积累。
如氨基酸发酵生产就是在代谢调节研究的基础上发展起来的。
目前已经能够在转录和翻译上控制微生物的代谢，使微生物工业发酵进入了一个崭新阶段，即代谢控制发酵阶段。
所谓的代谢控制发酵，就是人为地在DNA分子水平上改变和控制微生物的代谢活动，使目的产物大量生成、积累。
一般改变微生物代谢调节的方法有如下几种:第一种是采用物理化学诱变，获得营养缺陷型第二种方法是应用抗反馈调节突变法。
第三种就是控制发酵条件，改变细胞的渗透性。
一、应用营养缺陷型菌株以解除正常的反馈调节这是氨基酸生产菌育种的最有效的办法。
营养缺陷型是指某菌种失去合成某种物质的能力，即合成途径中某一步发生突变，使合成反应不能完成，最终产物不能积累到引起反馈调节的浓度，从而有利于中间产物的积累。
例如，用高丝氨酸缺陷型生产菌进行赖氨酸发酵。
一般在形成赖氨酸的过程中有3种产物生成，只有赖氨酸和苏氨酸都达到一定浓度时，才能形成反馈抑制，从高丝氨酸切断这两个分支后，不能形成苏氨酸，也就不能形成反馈抑制。
微生物代谢与发酵工程的研究及应用
微生物代谢与发酵工程的研究及应用微生物代谢和发酵工程是现代生物工程学中的重要组成部分，它们在食品、制药、化工、环境保护等领域发挥着重要的作用。
微生物可以利用废物、廉价原料生产高价值产品，对于提高资源利用效率具有重要意义。
在发酵工程领域，为了提高丰度和产量，对微生物的代谢调控研究已成为研究前沿。
一、微生物代谢微生物代谢是指微生物内部的化学反应过程，包括物质的合成反应、分解反应和转化反应等，是微生物生长和繁殖的必要条件。
代谢途径需要消耗能量，常常是从底部的有机化合物中提取能量，以ATP作为最常见的能量介质。
微生物代谢通常分为两类：有氧代谢和无氧代谢。
有氧代谢需要氧气参与，可以从较高浓度的底物中提取更多的能量；无氧代谢则是在没有氧气的情况下进行的，有时候甚至能够从较低浓度的底物中提取能量。
微生物代谢的研究，对于发酵工程和深层次了解微生物的生长、代谢机制、产物合成和分解，都具有非常重要的意义。
通过代谢途径的调控，提高代谢产物的产率和水平，对于工业生产具有非常重要的实际意义。
二、发酵工程发酵工程是微生物代谢的应用领域，是利用微生物进行发酵生产的工程学科。
发酵工程涉及大量的学科知识，主要包括微生物学、生物化学、反应工程、传热传质、流体力学等。
发酵工程的目的是通过准确的代谢途径调控，推动微生物利用废物和廉价原料进行有机合成和分解，产生高质量的产品，包括生物农药、食品添加剂、医药中间体、生物染料、工业酶、生物燃料等。
发酵过程需要消耗大量的能量，通过调整温度、pH值、氧气含量、添加营养素等方式来优化代谢途径，提高产率和质量。
三、工业微生物发酵工业微生物发酵是最为常见的发酵工程应用之一。
工业微生物包括大肠杆菌、酵母、乳酸菌、青霉素等。
这些菌株的发酵工艺和代谢途径都已经被深入研究。
许多微生物均可以在工业规模下安全进行大规模的生产，包括工业酶、抗生素、植物生长素等。
目前，发酵工程学已成为成熟的产业，微生物发酵工艺正在成为全球实现化工可持续发展的重要技术途径之一。
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。
02微生物代谢调控理论及其在微生物发酵中的应用
☆别构酶：也称变构酶，它是代谢过程 中的关键酶。通过效应物（调节物） 和酶的别构中心的结合来调节其活性， 从而调节酶反应速度和代谢过程。
变 构 调 节
☆多功能酶：一般是指在结构上只有 一条多肽链，但具有两种或两种以 上的催化活力或结合功能的蛋白质。
3
反馈调节
• 反馈调节主要是指代谢过程的中间产 物，或终产物对于代谢早期阶段上关 键酶的抑制作用。 • 微生物通过反馈调节作用，按照自身 的要求来改变自己的代谢。
葡萄糖 ↓ 丙酮酸 ↓ 丙氨酸←天冬氨酸→→→赖氨酸
在乳糖发酵短杆菌中赖氨酸、丙氨酸的 生物合成途径及其调节
◆丙酮酸和天冬氨酸是赖氨酸和丙氨酸生 物合成中共用的前体物。 ◆虽然丙氨酸并不抑制赖氨酸的生物合成， 但是丙氨酸的形成意味着赖氨酸前体物丙 酮酸和天冬氨酸的减少。 ◆因此育成丙氨酸缺陷型，切断丙氨酸的 生物合成，就会提高赖氨酸的产量。
⑴切断了生物合成苏氨酸和蛋氨酸的支路 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; ⑵通过限量添加高丝氨酸，可使蛋氨酸、 苏氨酸生成有限，因而解除了苏氨酸、 赖氨酸对天冬氨酸激酶的协同反馈抑制， 使赖氨酸得以积累。
例3
鸟氨酸发酵
• 利用营养缺陷型菌株发酵生产中间产 物，如可以利用谷氨酸棒杆菌的瓜氨 酸营养缺陷型（缺少转氨甲酰酶）进 行发酵大量累积鸟氨酸。
所谓代谢控制发酵，就是人为地 在DNA分子水平上改变和控制微生物 的代谢活动，使目的产物大量生成、 积累。
★ 改变微生物代谢调节的方法：
☆采用物理化学诱变，获得营养缺 陷型，这是氨基酸生产菌育种的 最有效的方法。
营养缺陷型：指某菌种失去合成某种物 质的能力，即合成途径中某一步发生突 变，使合成反应不能完成，最终产物不 能积累到引起反馈调节的浓度，从而有 利于中间产物或另一分支途径的末端产 物得以积累。
举例说代谢调控在发酵中的重要性
举例说明代谢调控在发酵工业中的重要性农学与生物科技学院生物技术专业杨丹222010326022039 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。
从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。
这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。
在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。
通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
（一）微生物细胞的调节机制：（1）酶合成的调控1.诱导——促进酶的合成2.阻遏——抑制酶的合成（包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏）(2)酶活性的调控1.一定数量的酶通过其分子结构的改变来调节催化反应的速率。
控制机制：终产物抑制或激活；通过辅酶水平的活性调节；酶原的活化；潜在酶的活化2.细胞膜渗透性的控制:根据酶在代谢调节中作用不同分为：调节酶（变构酶、同功酶、多功能酶）、静态酶和潜在酶。
（二）代谢控制发酵的基本思想（1）切断支路代谢1.选育营养缺陷型突变株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，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。
最典型例子：高丝氨酸营养缺陷型或苏氨酸营养缺陷型菌株达到赖氨酸的积累。
2.选育渗漏缺陷突变株：遗传性障碍不完全的缺陷型。
（注：这种突变只是其中某一种酶的活性降低，而不是完全丧失。
不能合成过量的最终产物，故不会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。
）（2）解除菌体自身的反馈调节1.选育抗类似物突变株（代谢拮抗物抗性突变株）形成途径：变构酶结构基因突变；调节基因突变。
2.酶活性的利用3.营养缺陷型回复突变株的应用：调节酶的失活与否，可能直接表现为某种营养缺陷型。
发酵过程中的微生物代谢途径与调控机制研究
发酵过程中的微生物代谢途径与调控机制研究发酵是一种被广泛应用于食品生产、药物制造和能源生产等领域的生物技术方法。
在发酵过程中，微生物的代谢途径和调控机制起着至关重要的作用。
本文将从微生物的代谢途径和调控机制两个方面进行讨论。
微生物的代谢途径是指微生物在发酵过程中通过一系列化学反应将底物转化为产物的途径。
常见的微生物代谢途径包括糖酵解途径、葡萄糖酸途径、乳酸发酵途径等。
其中，糖酵解途径是最为常见的代谢途径之一。
在糖酵解途径中，微生物将葡萄糖分解为丙酮酸和乙醛，再通过丙酮酸和乙醛的转化产生乳酸、醇、乙酸等产物。
葡萄糖酸途径是另一种代谢途径，微生物在此途径中将葡萄糖转化为葡萄糖酸，再将葡萄糖酸进一步转化为乳酸。
乳酸发酵途径则是将葡萄糖直接转化为乳酸的代谢途径。
不同的微生物会选择不同的代谢途径来满足自身的能量需求和代谢产物的需求。
微生物的代谢途径受到多种调控机制的调控，以确保发酵过程能够顺利进行并产生高效的产物。
其中，环境因素是最为重要的调控机制之一。
微生物对环境的pH值、温度等因素非常敏感，过高或过低的环境条件可能会抑制微生物的代谢途径。
例如，大肠杆菌在碱性环境下会抑制糖酵解途径的进行，而在酸性环境下则会促进糖酵解途径的进行。
此外，底物浓度和产物浓度也是调控微生物代谢途径的重要因素。
当底物浓度过低或产物浓度过高时，微生物的代谢途径可能会受到抑制。
微生物通过感知环境中底物和产物浓度的变化，调节代谢途径的进行。
另外，微生物的基因调控也起着重要的作用。
微生物的基因组中包含了一系列调控基因，这些调控基因能够控制特定代谢途径中关键酶的合成。
通过调节这些酶的合成量，微生物能够在不同环境条件下选择合适的代谢途径。
这些调控基因受到内源和外源信号的调控，包括底物和产物浓度的变化、细胞内外环境的变化等。
微生物的基因调控能够实现代谢途径的快速调整，从而适应不同的环境条件和产物需求。
最后，微生物的代谢途径和调控机制的研究对于发酵工艺的优化和微生物菌种的选育具有重要意义。
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代谢调控理论在微生物发酵中的应用
参考文献
贾红华，韦萍，何冰芳.L苯丙氨酸生产的代谢工程研究.生物加工过程.2004,2(2)：8-12
目的
使得更加理性的改造菌株成为可能，促进发酵法的广泛应用
方法
目前至少已发现 7种微生物的苯丙氨酸合成途径，且均非常相似。
由于野生菌不会直接大量产生L-苯丙氨酸，高效的L-苯丙氨酸生产菌株多采用诱变和基因工程手段相结合来改变野生菌的芳香族氨基酸生物合成的相关代谢流量而获得。
研究人员对L-苯丙氨酸生物合成途径中相关基因及其酶进行调控，并对中央代谢途径进行一定的改造，在芳香族氨基酸生物合成支路中也进行特定的修饰。
相关基因及其酶进行调控
PEP和E4P合成DAHP的反应由3个DAHP合成酶同工酶所催化。
分别受L-色氨酸(由aroH表达)、L-苯丙氨酸(由aroG表达)和L-酪氨酸(由aroF)反馈抑制。
作为关键反应之一的分支酸转化为预苯酸的反应依赖于两个不同的分支酸变位酶(分别由phoA，tyrA表达)，并分别受L-苯丙氨酸和L-酪氨酸反馈抑制。
而莽草酸脱氢酶则受其产物莽草酸抑制。
中央代谢途径改造
中央代谢途径是控制中间产物的代谢流量、产物的形成速率及产率的关键步骤。
为高效生产目的产品，必须对中央代谢途径的相关步骤进行调节控制。
芳香族氨基酸生物合成途径的共同前体PEP和E4P均来自中央代谢途径(如图2所示)。
糖酵解途径会产生PEP，而E4P则由磷酸戊糖途径供应。
通过对E.coli 的中央代谢途径的计量分析显示，当该菌生长在以葡萄糖作为唯一碳源的限制性培养基上时，大约有30%的G6P会进入磷酸戊糖途径，但仅有3%的PEP用于芳香族氨基酸的生物合成。
研究表明：仅有当量PEP供应时，L-苯丙氨酸的理论产率为30%，当PEP 的供应量加倍时，其理论产率将增加到56%。
为改善芳香族氨基酸的生产，研究人员采用分子生物学手段对该两个生物合成途径进行基因构建及改造，且取得了满意的成绩。
图1 L-苯丙氨酸的生物合成途径及其相关调控
在E.coli中，L-苯丙氨酸的一般生物合成途径如图1所示：由4-磷酸赤藓糖(E4P)和磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)缩合形成2-酮-3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸(DAHP)开始，并把这七碳中间代谢物转化为莽草酸(SHIK)，然后再转化为分支酸(CHA)，由分支酸合成苯丙酮酸(PPY)，最后苯丙酮酸经转氨作用生成L-苯丙氨酸。
图2 E.coli的中央代谢系统
中央代谢途径是控制中间产物的代谢流量、产物的形成速率及产率的关键步骤。
为高效生产目的产品，必须对中央代谢途径的相关步骤进行调节控制。
结果分析
增加PEP的供应量
PEP是涉及几个代谢过程的关键中间体。
通过构建一PEP羧化酶阴性E.coli 突变株，切断PEP到草酰乙酸的代谢通路，使L-苯丙氨酸的产量提高6倍。
如果还同时高水平表达PEP合成酶还可增加芳香族氨基酸合成途径中的碳流量，提高PEP的供应量，从而超量产生DAHP，增加L-苯丙氨酸及其他多种L-型氨基酸的产量。
增加E4P的供应量
转酮醇酶和转醛醇酶是磷酸戊糖途径非氧化阶段的两个关键酶。
E4P是由磷酸戊糖之间经转酮醇酶和转醛醇酶催化基团转移产生。
超量表达转酮醇酶基因(tktA)，可明显提高E.coli中的转酮醇酶活性和E4P的供应量，同时增加DAHP
的产量。
通过大量产生一抗反馈抑制DAHP合成酶和转酮醇酶导致进入芳香族氨基酸生物合成途径的碳流量增加了两倍。
采取扩增E.coli中aroG和tktA基因，并使两个丙酮酸激酶同工酶失活，可明显增加DAHP的产量。
如果同时表达tktA 和aroF基因，则会使E.coli的DAHP的分泌量增加40倍。
结论
在L-苯丙氨酸的发酵生产中，对其错综复杂的代谢途径的调控已经取得了很大的成就。
随着。
随着MS和NMS等分析手段与同位素示踪技术的高度发展与相互结合，将为解明细胞中的代谢网络和调控机制提供强有力的技术支持。
随着大量微生物的基因组全序列的逐渐被测定出来，很多微生物代谢网络的特性和功能，尤其是调控机理的逐步解析，在今后的研究中很有希望在更大的程度上应用代谢工程的成果，例如：将两种代谢途径进行协同调控，该手段将开辟更低成本的L-苯丙氨酸以及其他芳香族氨基酸的大规模生产新的路线。