华东理工大学精品课程：《发酵原理》第六讲 遗传学与生理学结合的方法

用遗传学与生理学相结合的方法 研究氨基酸生产

用遗传学与生理学相结合的方法 研究氨基酸生产

前 言 对微生物的代谢途径及代谢网络进行 有目的的改造从而提高氨基酸的产量仍然 是现代生物工程学的一个主攻目标。为了 攻克这个目标,就有必要对尚待进一步完 善的细胞生理学、生物化学、分子生物学 及生物过程工程等学科的基本状况做一番 描述,主要有如下几个话题: 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 2 前 言 对微生物的代谢途径及代谢网络进行 有目的的改造从而提高氨基酸的产量仍然 是现代生物工程学的一个主攻目标。为了 攻克这个目标，就有必要对尚待进一步完 善的细胞生理学、生物化学、分子生物学 及生物过程工程等学科的基本状况做一番 描述，主要有如下几个话题:

①与生物工程相关的氨基酸产生 菌的相关途径的研究进展情况, 其中必须包括这些途径的代谢调 节以及细胞的整个调节网络的研 究进展情况。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 3 ①与生物工程相关的氨基酸产生 菌的相关途径的研究进展情况， 其中必须包括这些途径的代谢调 节以及细胞的整个调节网络的研 究进展情况

②对所有的相关途径进行详细的代谢流 量分析。这涉及到基质进入细胞的碳架 物流量,流经向心途径、中心代谢途径 和离心途径的碳架物流量,以及代谢中 间产物流出细胞的碳架物流量(the central and peripheral carbon fluxes) 还原力的流量( redox flux)及能量流 量( energy fux)。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 4 ②对所有的相关途径进行详细的代谢流 量分析。这涉及到基质进入细胞的碳架 物流量，流经向心途径、中心代谢途径 和离心途径的碳架物流量，以及代谢中 间产物流出细胞的碳架物流量 （ the central and peripheral carbon fluxes）。 还原力的流量 （ redox flux ）及能量流 量（energy flux）

③以协调和调节的方式对碳架流、氧 化还原反应的电子流、能量流进行导 向,以提高基质的吸收能力、限制前 体物向支路途径的流量、减少中间产 物的积累及副产物的形成,还要绕过 氧化还原平衡及能量平衡中可能出现 的难题。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 5

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 5 ③以协调和调节的方式对碳架流、氧 化还原反应的电子流、能量流进行导 向，以提高基质的吸收能力、限制前 体物向支路途径的流量、减少中间产 物的积累及副产物的形成，还要绕过 氧化还原平衡及能量平衡中可能出现 的难题

传统的设计育种(随机诱变加定 向筛选),以及DNA重组技术在设计 育种中的应用已经大大提高了微生物 对氨基酸的生产能力,但人们对于氨 基酸产生菌的生理学与生物化学等主 要领域的基础知识还相当匮乏 目前可从以下几方面理解氨基酸 的代谢基础: 2021/221 张星元:发酵原理(讲座)

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 6 传统的设计育种（ 随机诱变加定 向筛选），以及DNA重组技术在设计 育种中的应用已经大大提高了微生物 对氨基酸的生产能力， 但人们对于氨 基酸产生菌的生理学与生物化学等主 要领域的基础知识还相当匮乏。 目前可从以下几方面理解氨基酸 的代谢基础：

①具有生物工程学重要性的微生物的 基本代谢途径及其对应的酶的性质; ②酶及其调节方式,途径及其调节方 式 ③中心代谢途径及离心途径代谢流量 的定量分析; ④对跨膜传送(基质吸收和产物分泌) 的详尽的了解。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 7

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 7 ①具有生物工程学重要性的微生物的 基本代谢途径及其对应的酶的性质； ②酶及其调节方式，途径及其调节方 式； ③中心代谢途径及离心途径代谢流量 的定量分析； ④对跨膜传送（基质吸收和产物分泌） 的详尽的了解

目的产物的合成途径是理解氨基酸 生产的前提和核心内容。相关的代谢途 径不仅包括那些直接导致某特定氨基酸 的合成的专用途径,也包括提供前体碳 架物的途径、从专用途径分流最终导致 副产物生成的分支途径、相应氨基酸自 身被降解的途径、以及那些提供还原力 和代谢能量的途径。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 8

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 8 目的产物的合成途径是理解氨基酸 生产的前提和核心内容 。相关的代谢途 径不仅包括那些直接导致某特定氨基酸 的合成的专用途径，也包括提供前体碳 架物的途径、从专用途径分流最终导致 副产物生成的分支途径、相应氨基酸自 身被降解的途径、以及那些提供还原力 和代谢能量的途径

除了以上这些反映代谢途径基本 信息的资料外,代谢流量的相对固定 的分布以及代谢流量的动力学响应同 样是至关重要的。这既涉及到中心代 谢途径(提供碳架物质、还原力及代 谢能)的代谢流的定量分析,又涉及 到特定氨基酸专用的合成途径的代谢 流的定量分析。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 9

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 9 除了以上这些反映代谢途径基本 信息的资料外，代谢流量的相对固定 的分布以及代谢流量的动力学响应同 样是至关重要的。这既涉及到中心代 谢途径（提供碳架物质、还原力及代 谢能）的代谢流的定量分析，又涉及 到特定氨基酸专用的合成途径的代谢 流的定量分析

此外,基质吸收和目的产物输出等 有方向性的跨膜反应对于氨基酸的生产 也是极其重要的。除大肠杆菌外,一般 工业微生物基质吸收方面的知识是相当 欠缺的。氨基酸跨膜输出的研究领域近 年才受到关注。方向性的跨膜反应的机 理、微生物能学及氨基酸分泌的调节等 方面的知识对于理解氨基酸生产过程也 是相当重要的。 2021/221 张星元:发酵原理(讲座) 10

2021/2/21 张星元：发酵原理（讲座） 10 此外，基质吸收和目的产物输出等 有方向性的跨膜反应对于氨基酸的生产 也是极其重要的。除大肠杆菌外，一般 工业微生物基质吸收方面的知识是相当 欠缺的。氨基酸跨膜输出的研究领域近 年才受到关注。方向性的跨膜反应的机 理、微生物能学及氨基酸分泌的调节等 方面的知识对于理解氨基酸生产过程也 是相当重要的