微生物次级代谢产物
微生物次级代谢产物生物合成基因簇与药物创新
微生物次级代谢产物生物合成基因簇与药物创新【关键词】 ,微生物次级代谢产物；,,生物合成基因簇；,,药物创新；,,组合生物合成；,,代谢工程摘要：微生物产生众多结构和生物活性多样的次级代谢产物，其生物合成基因簇的克隆是药物创新和产量提高的必要前提。
迄今为止已有超过150种生物合成基因簇通过各种方式被克隆，并被用于组合生物合成、体外糖类随机化、代谢工程的定向改造。
我们研究室已经克隆并测定了氨基糖苷类井冈霉素/有效霉素、多烯类抗生素FR008/克念菌素、聚醚类南昌霉素、聚酮类梅岭霉素、杂合聚酮多肽类口恶唑霉素等生物合成基因簇。
深入的基因功能分析揭示了他们独特的生物合成途径和调节机理，为正在进行的组合生物合成结构改造和代谢工程产量提高奠定了基础。
关键词：微生物次级代谢产物；生物合成基因簇；药物创新；组合生物合成；代谢工程Secondary metabolic pathway genes and new drug discoveryABSTRACT Microorganisms produce myriads of secondary metabolites with both structural and functional diversities. The cloning of corresponding biosynthetic gene clusters is essential for new drug discovery and yield improvement by metabolic engineering. To date, more than 150 biosynthetic geneclusters had been cloned via different strategies, which are subsequently manipulated through combinatorial biosynthesis, in vitro glycorandomization, or other biotechnological methods. In our laboratory, several biosynthetic gene clusters have been cloned and sequenced, representatives of which are responsible for the biosyntheses of the aminoglycoside jinggangmycin/validamycin, polyene antibiotic FR008/candicidin, polyether nanchangmycin, polyketide meilingmycin, PKSNRPS oxazomycin and others. Extensive analyses of gene functions, their unique biosynthetic pathways and regulatory mechanisms have now paved the way for more rational structural modifications through combinatorial biosynthesis and yield improvements using metabolic engineering.KEY WORDS Microbial secondary metabolites; Biosynthetic gene cluster; New drug discovery; Combinatorial biosynthesis; Metabolic engineering微生物产生的次级代谢产物在化学结构和生物活性方面多种多样，主要的产生菌类群包括放线菌、芽孢杆菌、粘细菌、假单胞菌、蓝细菌、真菌等，其中已知抗生素的三分之二以上是以链霉菌为代表的放线菌产生的。
第13章微生物代谢产物解析
第二节 微生物的一般代谢产物的污染与危害
❖ １．一般化合物（氨；硝酸与亚硝酸；氮氧 化物；硫化氢；酸性矿水；甲基汞；羟胺； 亚硝氨类；）
❖ 致病特点： １．主要是食物中毒； ２．发病有季节性和地区性； ３．中毒一般不具有传染性； ４．有较强的抗药性；
黄曲霉毒素
❖ 1993年黄曲霉毒素被世界卫生组织(WHO)的癌症研究机构 划定为1类致癌物，是一种毒性极强的剧毒物质。黄曲霉毒 素的危害性，毒性为氰化物的１０倍，砒霜的６８倍，靶器 官为肝脏，亦有引起胃，肠，肾病变者．长时间食用含低浓 度黄曲霉毒素的食物被认为是导致肝癌、胃癌、肠癌等疾病 的主要原因。
❖ 在紫外线下，黄曲霉毒素B1、B2发蓝色荧光，黄曲 霉毒素G1、G2发绿色荧光。黄曲霉毒素的相对分 子量为312-346。难溶于水，易溶于油、甲醇、丙 酮和氯仿等有机溶剂黄曲霉毒素B1的分解温度为 268℃。在pH9-10的溶液中分解迅速
致病机理
❖ 黄曲霉毒素能与tRNA结合形成加成物，黄曲 霉毒素-tRNA加成物能抑制tRNA与某些氨基 酸结合的活性，对蛋白质生物合成中的必需 氨基酸，如赖氨酸、亮氨酸、精氨酸和甘氨 酸与tRNA的结合，均有不同的抑制作用，从 而在翻译水平上干扰了蛋白质生物合成，影 响细胞代谢。
四．藻类毒素
❖ 产毒素的甲藻引发赤潮后，产生的毒素会在 贝类内脏积累，人食用后会引起急性中毒．
❖ 如：从石房蛤中分离出来的石房蛤毒素 （saxitoxin），是源于链状膝沟藻 （Conyaulax catenella）,石房蛤毒素毒性与 神经毒气沙林相同，国际条约已将其列为化 学武器．该毒素热稳定性强．
第13章 微生物代谢产物对环境的 污染
❖ 正常生态系统中，代谢产物在自然物质循环 中不断运转，是物质循环的必要环节和重要 组成．
微生物次级代谢与次级代谢产物
微生物次级代谢与次级代谢产物
初级代谢： 初级代谢
微生物从外界吸收各种营养物质， 微生物从外界吸收各种营养物质，通过 分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所 分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所 必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。 必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。 的物质和能量的过程
次级代谢只存在于某些生物（ 次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些 微生物） 微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不 同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同 同而不同， 而产生不同的次级代谢产物。 而产生不同的次级代谢产物。
一、次级代谢与次级代谢产物
2.不同的微生物可产生不同的次级代谢产物 不同的微生物可产生不同的次级代谢产物
一、次级代谢与次级代谢产物
初级代谢与初级代谢的关系： 1、存在范围及产物类型不同
另外，催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，它们是 2、对产生者自身的重要性不同 在产生菌对数生长末期或稳定生长期里，由于某种中间代谢产 3、同微生物生长过程的关系明显不同 物积累而诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶， 这些酶通常因环境条件变化而不能合成。 4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
一类与生物生存有关的、 一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗 能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。 能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。
第五节
微生物次级代谢与次级代谢产物
一、次级代谢与次级代谢产物
某些生物为了避免在初级代谢过程某种中 间产物积累所造成的不利作用而产生的一类有 利于生存的代谢类型。 利于生存的代谢类型。 通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物， 通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大 可以认为是某些生物在一定条件下通过突变 多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用， 多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分 获得的一种适应生存的方式。 获得的一种适应生存的方式。
微生物工程生产次级代谢产物的流程
微生物工程生产次级代谢产物的流程Microbial Engineering Process for Production of Secondary Metabolites.Introduction.Secondary metabolites are natural products synthesized by microorganisms that are not essential for their growth or survival. They have a wide range of applications in the pharmaceutical, agricultural, and food industries. Microbial engineering offers a powerful approach to producing secondary metabolites with improved yield, specificity, and cost-effectiveness.Process Overview.The microbial engineering process involves the following steps:1. Strain Selection: Identifying or engineering asuitable host strain that can produce the desired secondary metabolite.2. Biosynthetic Pathway Engineering: Modifying the biosynthetic pathway to enhance production of the secondary metabolite.3. Strain Improvement: Optimizing the host strain for growth and metabolite production.4. Fermentation Optimization: Developing and optimizing the fermentation conditions for optimal metabolite production.5. Downstream Processing: Extracting and purifying the desired secondary metabolite from the fermentation broth.Strain Selection.The host strain for secondary metabolite production should possess specific characteristics, including:Ability to produce the desired metabolite.Compatibility with the desired genetic modifications.High growth rate and tolerance to fermentation conditions.Strains can be obtained from natural sources or engineered using techniques such as mutagenesis, gene knockout, and gene overexpression.Biosynthetic Pathway Engineering.The biosynthetic pathway is the sequence of enzymatic reactions that lead to the production of the secondary metabolite. Microbial engineering can be used to modify the pathway to improve yield or specificity. Strategies include:Overexpressing genes encoding key enzymes.Introducing heterologous genes from other organisms.Modifying enzyme regulation or expression levels.Strain Improvement.Strain improvement techniques optimize the host strain for growth and metabolite production. This can involve:Media optimization (e.g., carbon and nitrogen sources)。
微生物工程生产次级代谢产物的流程
微生物工程生产次级代谢产物的流程英文回答：Microbial Engineering Workflow for Secondary Metabolite Production.Secondary metabolites are a diverse group of natural products with a wide range of applications in the pharmaceutical, cosmetic, and food industries. These compounds are typically produced by microorganisms, and their biosynthesis is often regulated by complex genetic pathways. Microbial engineering has emerged as a powerful tool for manipulating these pathways to increase the production of desired secondary metabolites.The workflow for microbial engineering of secondary metabolite production typically involves the following steps:1. Strain selection: The first step is to select asuitable microbial strain that is capable of producing the desired secondary metabolite. This may involve screening strains from natural sources or using genetically modified strains.2. Pathway elucidation: The next step is to elucidate the biosynthetic pathway for the secondary metabolite. This involves identifying the genes and enzymes involved in the pathway, as well as their regulatory mechanisms.3. Genetic engineering: Once the biosynthetic pathway has been elucidated, genetic engineering techniques can be used to manipulate the pathway to increase the production of the desired secondary metabolite. This may involve overexpressing genes encoding key enzymes, deleting genes that inhibit production, or introducing genes from other organisms that encode desired enzymes.4. Culture optimization: Once the microbial strain has been engineered, the culture conditions can be optimized to maximize secondary metabolite production. This may involve optimizing the growth medium, temperature, pH, and otherfactors.5. Downstream processing: The final step is to extract and purify the secondary metabolite from the culture broth. This may involve a variety of techniques, such asfiltration, chromatography, and crystallization.中文回答：微生物工程生产次级代谢产物的流程。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
第16页
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
第17页
4 磷酸盐调整
过量磷酸盐对四环类、氨基糖苷类和多 烯类、大环内酯类等32种抗生素生物合 成产生阻抑作用。这些次级代谢产物生 物合Hale Waihona Puke 只有在适当磷酸盐浓度下才能进 行。
磷酸盐浓度高低还能调整次级代谢产物 合成期出现早晚，当磷酸盐靠近耗尽时， 才开始进入次级代谢产物合成期。磷酸 盐起始浓度高，耗尽时间长，合成期就 向后拖延。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
第30页
比如，在合成杀假丝菌素灰色链霉菌培养 液中添加5 mmol/L磷酸盐，产生菌对氧需 要量显著增加，细胞内ATP浓度增大，抗 生素合成马上停顿，同时还伴有RNA、 DNA和蛋白质合成速率恢复到菌体生长久 速率水平，促进了初级代谢；当磷酸盐被 耗尽时，菌体生长速率开始下降，抗生素 合成又重新开始。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
第38页
诱导酶合成诱导剂有些需外源加入，称 外源诱导剂，
有些是菌体代谢过程中本身产生，则称 内源诱导剂。
在抗生素发酵过程中，有初级代谢产物 似乎对次级代谢产物合成酶也起诱导作 用。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
第39页
4．7 反馈调整
在次级代谢产物合成中，反馈调整起着主要作
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
第2页
1 初级代谢对次级代谢调整
微生物初级代谢对次级代谢含有调整作 用。当初级代谢和次级代谢含有共同合 成路径时，初级代谢终产物过量，往往 会抑制次级代谢合成，这是因为这些终 产物抑制了在次级代谢产物合成中主要 分叉中间体合成。
微生物次级代谢产物生物合成的调节机制
次级代谢产物的特征
次级代谢产物的特征次级代谢产物是生物体在代谢过程中产生的非必需物质，通常被认为是与原代谢产物不同的化合物。
它们在生物体内起到了许多重要的生理和生态作用，如保护植物免受捕食者和病原体的侵害、吸引异性动物进行授粉、调节植物生长和发育等。
以下是次级代谢产物的一些特征：1. 次级代谢产物通常是有机化合物，包括多种类别，如酚类、醛类、酮类、酯类、碱类等。
2. 次级代谢产物不是必需的营养成分，与维持生命无关。
这些化合物通常不参与基本的代谢反应，而是在特定条件下被合成或释放出来。
3. 次级代谢产物具有高度结构多样性和复杂性。
它们可以由单个基本单元组成（如异戊烯），也可以由复杂的多环结构组成（如黄酮类）。
4. 次级代谢产物存在于各种生命形式中，包括植物、真菌、微生物和动物等。
它们在生物体内的含量和种类通常受到环境和遗传因素的影响。
5. 次级代谢产物具有广泛的生态作用。
它们可以用于吸引授粉者、抑制或引起捕食者对宿主的兴趣、调节植物生长和发育等。
此外，许多次级代谢产物还具有药理活性，可以作为药物或其他医疗用途。
6. 次级代谢产物通常是由特定酶系统合成的。
这些酶系统通常受到基因表达调控的影响，从而使得次级代谢产物在不同组织和环境中的含量和种类发生变化。
7. 次级代谢产物具有高度可塑性。
它们可以通过基因突变、环境胁迫等方式进行快速适应，从而使得生命体在不同环境中具有更好的适应性。
总之，次级代谢产物是生命体中重要的非必需化合物，在生态系统中扮演着重要角色。
它们具有高度结构多样性和复杂性，并且受到遗传和环境因素共同影响。
对于次级代谢产物的研究有助于深入了解生命体的适应性和进化机制，同时也为开发新药物和改善生态环境提供了新思路。
微生物次级代谢
第二节
次级代谢产物的生物合
一、次级代谢产物的生源
生源：次级代谢产物分子构建单位的来源。
聚酮体
甲羟戊酸
生源
环多醇和氨基环多醇
芳香族化合物
环己醇与氨基环己醇
由芳香中间体合成的抗生素和其它次级 代谢物
二、次级代谢的调节控制
微生物体内的次级代谢和初级代谢一样，都受菌体代
谢的调节. 由于它们的代谢途径是相互交错的，所以
在调节控制上是相互影响的。
(1)初级代谢对次级代谢的调节
微生物的初级代谢对次级代谢具有调节作用。当 初级代谢和次级代谢具有共同的合成途径时，初级
代谢的终产物过量，往往会抑制次级代谢的合成，
这是因为这些终产物抑制了在次级代谢产物合成中 重要的分叉中间体的合成。
如赖氨酸和青霉素的生物合成过程中有共同中间体 a—氨基己二酸，当培养液中赖氨酸过量时，则抑制 a—氨基己二酸的合成，进而影响到青霉素的合成。
生物碱：
大部分生物碱是植物产生的，有些微生物也能产生。
毒素：
微生物一定条件下产生的对人和动物有毒害作用的化合物。
色素：
微生物在代谢过程中产生各种有色的产物，有的微生物 将产生的色素分泌到细胞外，有的在细胞内积累，从而使菌 落呈现各种颜色。
维生素：
在特定条件下，微生物产生的远远超过自身需要的那些微生 物。
无垠文海 邀你畅享
更改PPT母版功能键：
PPT文档讨论群：253147947
次级代谢：微生物在一定的生长时期，以初级
代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动 无明确功能的物质的过程。 产物：毒素、色素、抗生素、生物碱等。
初级代谢与次级代谢之间的关系
初级代谢与次级代谢是在某些机体内存在的两种既有 系又有区别的代谢类型，初级代谢是次级代谢的基础， 初级代谢为次级代谢产物合成提供前体物和所需能量。 次级代谢是初级代谢在特定条件下的继续与发展，避 免初级代谢产物过量积累对机体的毒害。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
微生物次级代谢产物
微生物在次级代谢过程中产生的产物称次级代谢产物。
包括：抗生素，毒素，生长剌激素，色素和维生素等。
次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素。
毒素、激素、色素等。
不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同，它们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。
其中，抗生素是一类具有特异性抑菌和杀菌作用的有机化合物，种类很多，常用的有链霉素、青霉素、红霉素和四环素等。