代謝調控及育種

     從工業(yè)微生物育種史來(lái)看，誘變育種曾取得了巨大的成就，使微生物有效產(chǎn)物成百倍、乃致成千倍的增加。但是誘變育種工作量繁重，盲目性大。近年來(lái)由于應用生物化學(xué)和遺傳學(xué)原理，深入研究了生物合成代謝途徑以及代謝調節控制的基礎理論，人們不僅可進(jìn)行外因控制，通過(guò)培養條件來(lái)解除反饋調節而使生物合成的途徑朝著(zhù)人們所希望的方向進(jìn)行，即實(shí)現代謝控制發(fā)酵；同時(shí)還可進(jìn)行內因改變，通過(guò)定向選育某種特定的突變型，以達到大量積累有益產(chǎn)物的目的，即所謂代謝控制育種。內因是變化的根據，所以改變微生物的遺傳型往往是控制代謝的更為有效的途徑。代謝控制育種可以大大減少傳統育種的盲目性，提高了效率。代謝控制育種很快在初級代謝產(chǎn)物的育種中得到廣泛的應用，成就也十分顯赫，幾乎全部氨基酸和多種核苷酸生產(chǎn)菌株都被打上了抗性或缺陷型遺傳標記。

     代謝調節控制育種通過(guò)特定突變型的選育，達到改變代謝通路、降低支路代謝終產(chǎn)物的產(chǎn)生或切斷支路代謝途徑及提高細胞膜的透性，使代謝流向目的產(chǎn)物積累方向進(jìn)行。

 

克服反饋調節，可從以下兩方面著(zhù)手：降低末端產(chǎn)物濃度；應用抗反饋突變株

 

營(yíng)養缺陷型突變株的代謝流受阻，末端產(chǎn)物減少，解除了末端產(chǎn)物參與的反饋調節，可使代謝途徑中的某一中間產(chǎn)物積累。一個(gè)典型的例子是谷氨酸棒狀桿菌的精氨酸缺陷型突變株進(jìn)行鳥(niǎo)氨酸發(fā)酵(，由于合成途徑中酶6(氨基酸甲酰轉移酶)的缺陷，必須供應精氨酸和瓜氨酸，菌株才能生長(cháng)，但是這種供應要維持在亞適量水平，使菌體達到最高生長(cháng)，又不引起終產(chǎn)物對酶② (N—乙酰谷氨酸激酶)的反饋抑制，從而使鳥(niǎo)氨酸得以大量分泌累積。

 

營(yíng)養缺陷型突變導致協(xié)同反饋調節某一分支途徑的代謝阻斷，使這一分支途徑的終產(chǎn)物不能合成。若控制供應適量的這一終產(chǎn)物，滿(mǎn)足微生物生長(cháng)，將使合成代謝流向另一分支途徑，有利于另一終產(chǎn)物的大量積累。例如，谷氨酸棒桿菌生物素缺陷型是以葡萄糖或醋酸作為碳源，棒狀桿菌經(jīng)誘變處理后，基因發(fā)生突變，不能合成相應的酶，導致乙酰輔酶A和生物素之間的合成反應受到阻斷，切斷了支路代謝，代謝只能向著(zhù)谷氨酸合成方向進(jìn)行，因而產(chǎn)量得到累積。又如硫胺素缺陷型是在α-酮戊二酸與硫胺素之間的反應發(fā)生阻斷，也使谷氨酸產(chǎn)量大幅度增加。又如次黃嘌呤核苷酸產(chǎn)生菌，是棒桿菌和短桿菌的腺嘌呤缺陷型菌株，其合成途徑中酶③失活，控制限量補給腺核苷酸，可解除腺核苷對酶①的反饋調節，由于腺核苷酸和鳥(niǎo)核苷酸對酶①協(xié)同反饋調節，故代謝流偏向鳥(niǎo)苷酸這一分支途徑

 

工業(yè)上應用的重要例子是賴(lài)氨酸發(fā)酵。我國工業(yè)生產(chǎn)賴(lài)氨酸曾是一株高絲氨酸缺陷型菌株，由生產(chǎn)谷氨酸北京棒狀桿菌ASl．299ASl 299經(jīng)硫酸二乙酯處理后獲得的。從圖8．24可知，蘇氨酸、高絲氨酸、

賴(lài)氨酸的前體是天冬氨酰半縮醛，誘變后，促使高絲氨酸脫氫酶的基因發(fā)生突變，導致合成高絲氨酸的代謝途徑阻斷，消除了蘇氨酸和賴(lài)氨酸天冬氨酰激酶的協(xié)同反饋抑制，因而天冬酰半縮醛由原來(lái)負責合成3個(gè)氨基酸而代謝流完全導向賴(lài)氨酸方向進(jìn)行，使賴(lài)氨酸產(chǎn)量大量累積。

 

滲漏缺陷型是一種不完全營(yíng)養缺陷型，它不會(huì )產(chǎn)生過(guò)量的末端產(chǎn)物，因而可以避開(kāi)反饋調節。但它又能合成微量的末端產(chǎn)物，用來(lái)進(jìn)行生物合成；在培養這種突變體時(shí)，可不必在培養基中添加相應的物質(zhì)，就能積累所需的產(chǎn)物。

 

細胞內合成的發(fā)酵產(chǎn)物若要分泌到培養基中，必須經(jīng)過(guò)細胞膜和細胞壁。如果產(chǎn)物不易分泌出細胞，而積累在細胞內，則會(huì )引起反饋調節。改變細胞膜和細胞壁的通透性，使其有利于產(chǎn)物的分泌，也是降低末端產(chǎn)物濃度的一種途徑。谷氨酸生產(chǎn)菌的細胞膜磷脂含量高時(shí)，細胞的通透性較差，磷脂含量低時(shí)，通透性較好。

 

在以積累末端產(chǎn)物為目的的發(fā)酵生產(chǎn)中，如果代謝途徑單一無(wú)分支，往往不能選用營(yíng)養缺陷型突變株。要提高產(chǎn)量，最好采用抗反饋突變株�？狗答佂蛔冎暧捎诨�因突變，它們的酶或無(wú)活性的原阻遏物不再與末端產(chǎn)物結合，從而不再發(fā)生酶的變構及阻遏物的活化，或者活性阻遏物不能再與發(fā)生了突變的操縱基因結合，因此反饋調節被打破，即使在末端產(chǎn)物過(guò)量的情況下，也同樣可以積累高濃度的末端產(chǎn)物。

 

抗反饋突變株通�？梢杂锰砑幽┒水a(chǎn)物類(lèi)似物的方法來(lái)篩選。末端產(chǎn)物類(lèi)似物和末端產(chǎn)物結構類(lèi)似，因而能夠引起反饋，但是它們不能參與生物合成。在培養基中添加末端產(chǎn)物類(lèi)似物后，未突變的細胞將由于代謝途徑受阻而不能獲得生物合成所需的該種末端產(chǎn)物，從而導致細胞死亡。那些對類(lèi)似物不敏感的突變體，則由于原來(lái)受反饋控制的酶的結構，或是酶的合成系統已經(jīng)發(fā)生了改變，它們不再受抑制或阻遏的影響，在類(lèi)似物充斥的情況下照常能合成該種末端產(chǎn)物。例如，用類(lèi)似物D-精氨酸選出的谷氨酸棒桿菌的抗反饋突變株可使L-精氨酸的產(chǎn)量得到提高。

 

生產(chǎn)中要克服分解代謝阻遏可采取下列措施：

可采用相對來(lái)說(shuō)不引起分解代謝阻遏的碳源或氮源，如乳糖、多元醇、有機酸和黃豆餅粉等。如：用甘露糖代替半乳糖培養熒光假單胞菌，由于克服了半乳糖的分解代謝阻遏，結果在細胞中所產(chǎn)生的纖維素酶提高了1500倍。

 

在考慮經(jīng)濟效益而必須使用有阻遏作用的碳源或氮源時(shí)，緩慢流加碳、氮源可使分解代謝產(chǎn)物維持在較低的水平上，而不至于產(chǎn)生阻遏。

 

篩選方法：在以酶受阻遏的底物為唯一氮源的培養基上，選擇能正常生長(cháng)的菌落。

 

在生產(chǎn)上為了提高誘導酶的產(chǎn)量，對誘導調節控制的常用手段有：

 

1、添加誘導物類(lèi)似物：在誘導物就是酶的底物的情況下，添加底物類(lèi)似物來(lái)加強誘導作用是最好的。因為底物類(lèi)似物不易被所形成的酶分解，而在細胞中始終保持較高的濃度，能夠持續地誘導酶的合成，獲得較高濃度的酶。

2、添加輔酶或輔助因子：在有些情況下，必須在培養基中添加輔酶才會(huì )產(chǎn)生誘導作用。例如：丙酮酸脫羧酶的合成需有硫胺存在。

3、利用組成型突變株：選育組成型突變株的方法，其主要原則是創(chuàng )造一種利于組成型菌株生長(cháng)而不利于誘導型菌株生長(cháng)的培養條件，造成對組成型的選擇優(yōu)勢以及適當的識別兩類(lèi)菌落的方法，從而把組成型突變株選擇出來(lái)。