【文章內(nèi)容簡介】 ADH不能通過電子傳遞鏈而再生成 NAD+， 只好將電子交給內(nèi)源的有機化合物乙醛，將乙醛還原成乙醇，從而實現(xiàn)還原力的平衡。從而導(dǎo)致生成乙醇的溢出代謝。 由此可見，乙醇的溢出代謝實際上是細胞內(nèi)生物氧化過程中形成的還原力相對于電子傳遞鏈的呼吸能力的溢出，推動了乙醛還原生成乙醇的發(fā)酵過程。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 46 從以上實例可以看到，溢出代謝的發(fā)生，不但要求微生物本身具有相應(yīng)的遺傳根據(jù)，還必須具備相應(yīng)的環(huán)境條件。 對于工業(yè)發(fā)酵來說，就是特定的生產(chǎn)菌種和與其對應(yīng)的生產(chǎn)工藝條件。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 47 代謝流“治理”的可能性和 現(xiàn)實性 代謝流具有流體流動的基本屬性，因此具有“治理”的可能性；微生物代謝的變動性和微生物遺傳的保守性，加上人的主觀能動性，能使可能變?yōu)楝F(xiàn)實。 本課程主要討論初級代謝產(chǎn)物的過量合成，兼顧次級代謝產(chǎn)物的合成。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 48 現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物活細胞來完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上不可缺少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個意義上， 微生物活細胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上不可缺少的微生物生物機器（或稱細胞機器） ，是發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機器。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 49 細胞機器與普通意義上的機器不同，它們 必須由代謝能 （ metabolic energy） 直接驅(qū)動 。在發(fā)酵工廠的生產(chǎn)線上，微生物必須完成微生物細胞機器的 在線制造（細胞增殖）和生產(chǎn)運行（目的產(chǎn)物的合成和輸出）的雙重任務(wù)。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 50 根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀， 把依靠化能異養(yǎng)型微生物合成某最終被分泌到胞外的初級代謝產(chǎn)物的過程，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過程來研究，并把代謝研究的重點放在碳的代謝上。 從而建立了 生物機器 （又稱 細胞機器 ）工作的基本模式。在此 工作模式 的基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)發(fā)酵中微生物代謝的 五段式 和初級代謝產(chǎn)物的過量合成的 五字策略 。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 51 在物競天擇的基礎(chǔ)上建立的細胞經(jīng)濟體系已經(jīng)經(jīng)受長期的實踐檢驗，并已成為微生物細胞生命活動的保障體系。微生物通過生存競爭而獲得的一整套自我調(diào)節(jié)機制，原本服務(wù)于微生物的自然競爭和生命保障，因此它不會大量的合成維持自我生存之外的代謝產(chǎn)物。而人類因自我發(fā)展的需要，卻希望微生物能夠大量地合成能滿足人類需求為目的產(chǎn)物（微生物的代謝產(chǎn)物）。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 52 微生物代謝產(chǎn)物的生物合成是系統(tǒng)工程，要完成這一類系統(tǒng)工程，必須依靠微生物的高度有序的生命活動，決不是打亂它，而是在可能的范圍內(nèi)對它進行有效的引導(dǎo)。 工業(yè)發(fā)酵呼喚人與微生物的合作，而在合作中，人處于主導(dǎo)的地位，人應(yīng)該發(fā)揮主觀能動作用。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 53 ⑴ 初級代謝產(chǎn)物的合成 初級代謝產(chǎn)物是指這樣一些低分子質(zhì)量的合成途徑的終產(chǎn)物，它們 是構(gòu)建生物大分子的分子模塊 ，是微生物營養(yǎng)性生長所必需的生長因子，如氨基酸、嘌呤和嘧啶的核苷與核苷酸以及維生素。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 54 初級代謝產(chǎn)物都是從中心代謝途徑的中間產(chǎn)物（ 12種前體代謝物）開始合成的。 因為它們都是微生物營養(yǎng)性生長所必需的，除了遺傳上有缺陷的菌株外，微生物細胞具有齊全的初級代謝途徑基因，也就是說 在合適的環(huán)境條件下它們的初級代謝途徑是普遍存在的 。初級途徑上的酶的特異性比次級代謝的酶的特異性要高。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 55 各種微生物的初級代謝產(chǎn)物的合成途徑基本相同，在同一屬微生物中，初級代謝產(chǎn)物合成途徑的差異是十分罕見的，但在合成的調(diào)節(jié)機制上有較大的差異。 初級代謝產(chǎn)物合成的途徑是穩(wěn)定的，不同微生物物種的調(diào)節(jié)機制是可以弄清楚或基本弄清楚的，這就是對這種合成代謝流“治理”的基礎(chǔ)。 這種“治理”要用到遺傳手段（ 遺傳脫鉤 ），并輔之以培養(yǎng)條件的優(yōu)化（ 環(huán)境協(xié)調(diào) ），以求達到 初級代謝產(chǎn)物過量合成的目的。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 56 Ⅰ . 初級代謝產(chǎn)物過量合成的五字策略 在分析細胞機器的生產(chǎn)運行時，可把它看作是分步進行的過程。首先細胞外的營養(yǎng)物質(zhì)從環(huán)境（培養(yǎng)基）跨膜進入細胞；然后，一般要經(jīng)過向心、中心和離心 3 段連續(xù)的代謝途徑的代謝，才能在胞內(nèi)生成目的產(chǎn)物；最后，目的產(chǎn)物經(jīng)過膜排出細胞，回到環(huán)境（發(fā)酵醪液）。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 57 “載流途徑”泛指承載代謝物流的代謝途徑。 “載流路徑” 泛指由不止一條載流途徑按序首尾銜接而組成的代謝通道。 在發(fā)酵工程領(lǐng)域， “載流路徑”作為發(fā)酵工程的專用術(shù)語，被定義為從主要有機原料到目的產(chǎn)物一組載流途徑的有序組合。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 58 典型的 載流路徑 是指存在于代謝網(wǎng)絡(luò)中的這樣的代謝通道，即 由多至五段承擔(dān)不同代謝分工的、依次銜接的代謝途徑組成的代謝通道。 因此有 載流路徑的五段式 之稱。在這條載流路徑上流動的代謝主流對應(yīng)地也有五段，從而派生出 代謝主流的五段式 。載流途徑的五段式和代謝主流的五段式統(tǒng)稱為 微生物代謝的五段式 。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 59 在此五段式的基礎(chǔ)上，從不同的角度出發(fā)，提出能作為一個整體，用于設(shè)計育種以及發(fā)酵工藝控制的五字策略（簡稱 工業(yè)發(fā)酵的五字策略 ）：進、通、節(jié)、堵、出?！? 五字策略 ” 就是從合作的良好愿望出發(fā)，發(fā)揮人的主觀能動作用，主動與微生物合作實現(xiàn)工業(yè)發(fā)酵效益的策略。這個策略來自初級代謝產(chǎn)物過量合成的研究，故實際上是 初級代謝產(chǎn)物過量合成的五字策略 。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 60 N P P 進 出 通 節(jié) 堵 工業(yè)發(fā)酵的“五字策略” 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 61 高產(chǎn)菌種的代謝特征：不同來源的碳架物質(zhì)暢通地“注入”載流路徑，高速生成并順利釋出目的產(chǎn)物，如下圖。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 62 進 ：在育種和發(fā)酵控制方面都要促進細胞對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。在發(fā)酵過程中，一般都希望菌體能迅速達到一定的濃度，因此，就必需選用生長旺盛的菌株，這類菌株吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力往往也較強。同時要選擇適當(dāng)?shù)娜菀孜盏呐囵B(yǎng)基，和適宜的培養(yǎng)條件，以促進微生物的生長。為了消除底物在培養(yǎng)過程中的抑制作用，有的還采用流加的培養(yǎng)方法。為了促進微生物的生長和支持目的產(chǎn)物的合成，還要從代謝生理學(xué)的角度優(yōu)化流加條件。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 63 通 ：在育種方面，解除對途徑中某些酶的反饋調(diào)節(jié)；在發(fā)酵控制方面，誘導(dǎo)這些酶的合成或激活這些酶，從而使來自各代謝物流（除碳架物流外還包括其他支持生物合成的物流）能夠暢通地注入載流路徑，匯入代謝主流，流向目的產(chǎn)物。特別是當(dāng)發(fā)酵進入目的產(chǎn)物合成階段后，必需確保載流路徑暢通，代謝主流優(yōu)勢明顯。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 64 這些酶包括用于目的產(chǎn)物自身合成的酶（如下圖中酶①～⑤）和用于目的產(chǎn)物的前體合成的酶（ 如下圖中酶和⑥，用于前體 C的合成，酶⑦⑧，用于前體 D的合成）。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 65 例如在谷氨酸的發(fā)酵過程中，作為谷氨酸合成原料的 NH4+ 的缺乏， 就可能使谷氨酸合成途徑的中斷，導(dǎo)致谷氨酸產(chǎn)量下降，大量 α酮戊二酸積累。當(dāng)然，合成途徑中的任何一個限制因子，都可能產(chǎn)生類似的情況。因此，在發(fā)酵過程中應(yīng)盡可能的使通向載流路徑的代謝途徑暢通無阻，使不同的營養(yǎng)物質(zhì)能順利地注入代謝主流，最終流向目的產(chǎn)物。 2022/8/17 張星元：發(fā)酵原理 66 節(jié) ：采用育種或發(fā)酵控制手段，節(jié)制載流路徑上與目的產(chǎn)物的形成無關(guān)或關(guān)系不大的代謝支流，使碳架物質(zhì)相對集中地流向目的產(chǎn)物。這里所謂的 “ 節(jié)制 ” 是指封閉或削弱以目的產(chǎn)物合成途徑的起始底物（如下圖中的