微生物代谢调控

1956年 ， 报 道 了 二 步 发 酵 法 进 行 工 业 生 产 赖氨 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 ， 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 ， 将 二 氨基 庚 二 酸 脱 去 羧 基 形 成 赖 氨 酸 。二 氨 基 庚 二 酸 赖 氨 酸 一 步 发 酵 法 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 ， 应 在培 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 ） ， 这样 才 能 有 利 于 菌 株 积 累 中 间 产 物 。 在 高 丝 氨 酸 缺 陷 型 中 ，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 ， 因 而 丧 失 了 合 成 高丝 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 ， 使 天 冬 氨酸 半 醛 这 一 中 间 产 物 全 部 转入 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 、 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 。 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 ，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 ， 所 以 不 会 造 成 反馈 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 ， 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 解除 ， 在 发 酵 时 可 不 再 受 培 养 基 成 分 的 影 响 ， 生 产较 为 稳 定 。 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 。 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 ， 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 用 。 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 ， 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 。 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 ， 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 。这 就 使 得 有 关 的 酶 不 可 逆 地 停 止 了 合 成 ， 或 是 酶 的催 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 ，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 。 正 常 代 谢 最 终 产物 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 ，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 。 另 一 可 能 的 途 径 是 调 节 基 因 发 生 突 变 ， 使 阻 遏物 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 ， 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 ， 仍 能 不 断 地 合 成 有 关的 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 。 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 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 选 取 具 有 一 定 抗 性 突 变 的 菌 株 ， 产 量 才 会 大 幅 度提 高 。