发酵调控学完整版

•协调染色体复制和细胞分裂的信号
细胞周期
细胞周期(Cell cycle)：
细胞的一系列可鉴别的周而复始的生长活动。这些活动的顺序不变,完成一个活动后才能进行下一个活动。
图1细胞周期
细胞周期
•典型的真核生物细胞周期如图所示: S, M和G1, G2分别代表DNA合成,有丝分裂期和两次间隙。
•若生长速率因养分多寡而改变, S, G2和M几乎不变,只有G1改变。
为了控制菌体的生长，需要了解生长的方式，细胞分裂和调节的规律，测量微生物生长的各种办法，微生物生长繁殖的形式与工业生产的关系，环境变化对微生物生长的影响。因此，研究微生物的生长分化规律无疑是发酵调控原理的一个重要组成部分。
细胞周期
对于个体细胞行为，主要关心
•染色体启动、复制和分离
•新细胞壁材料的合成与插入
D＝20时，时间如何分配？
染色体复制的启动
染色体复制的启动受启动因子(origin),一种特异调节性蛋白的正向控制。当启动因子增加到某一临界水平,启动便开始。在这以后启动因子被毁或稀释。合成启动因子达到有效浓度所需的时间恰好等于培养物增代时间。
染色体复制的启动
大肠杆菌在启动时的启动因子数量与细胞质量之比在各种生长速率下是一样的。这一比例实际上是染色体启动因子的浓度。细胞似乎能检出启动因子的浓度。当它达到一临界值时便启动新一轮的复制。启动的直接后果是启动因子的浓度提高一倍。
1镜检法
用电子显微镜观察单个细胞的生长，定时拍照。由此发现大肠杆菌在分裂时细胞个子的变化不大。
细胞周期的研究方法
1镜检法
说明似乎存在一种控制细胞个子大小的因子，即尺寸因子(size factor),可能是启动细胞质量(initiation mass)。
1镜检法
缺点:细胞由培养液转移到固体表面,会受到干扰。
•MTG: mean generation time
细胞周期
•原核生物在低生长速率下的细胞周期,与真核生物相似。
•其染色体复制期C相当于S；
•细胞分裂期D相当于G2+M；
•C和D不随生长速率变化,只有G1可变动。细胞周期的各项活动怎样去适应生长速率变化的需要？
染色体复制与细胞分裂的调节
•染色体复制怎样与细胞分裂协调？
在高速生长下,如细胞周期为30 min,染色体复制不能在一个周期内完成。
为此，未等前一轮复制结束，后一轮复制又在原点上启动。
可以把C期的启动和终止,以及细胞分裂看作是不可更改的活动顺序,称为C+D周期。
染色体复制与细胞分裂的调节
•若增代时间少于C+D时间, C+D周期重叠，其重要特征是分配到子细胞的染色体已开始新的一轮复制。这类染色体称为二叉染色体(dichotomous)。
染色体复制的启动
启动不会重新发生直到其浓度因生长而降到临界值。这种控制机制构成一种生物钟。它是以细胞体积或其它有关参数为依据。据此，染色体复制的启动频率是DNA合成速率的控制步骤。
染色体复制的启动
O/M=I启动，启动后，2O/M=I’,
I’>I不再启动，M增加，M2M，使I’逐渐下降，2O/2M=O/M=I，
细胞大小的分布频率与蛋白质合成速率的关系
蛋白质合成速率与细胞长度(体积)成正比，从而与细胞年龄成正比。
(2)过滤洗脱法
将细胞粘附在固体支持物，如硝化纤维膜上，然后将其倒置，让生长培养基从上到下通过，新生的细胞便被洗脱到培养基中，呈一种特征性的振荡模式，见图1－23。
过滤洗脱法
又开始启动。
启动和复制是性质截然不同的两种过程
启动的过程需要蛋白质合成，如蛋白质合成受阻，已启动的DNA合成能完成，但不能启动新一轮DNA合成。
•曾检出其产物负责启动而不负责随后复制的基因；；
•加入利福平或氯霉素抑制RNA或蛋白质合成或除去营养缺陷型所需的氨基酸都能阻止启动，但允许复制继续百度文库成；
•培养物进入稳定生长期后，中止生长的细胞含有完整的染色体。
染色体复制的启动
•启动总是在染色体上的专一位置上进行。此位点称为复制或染色体原点。在大肠杆菌此位点很靠近ilv座位。
•在大肠杆菌和枯草杆菌中复制叉以两个方向沿染色体运行，大约在离原点180度地方相遇。
染色体复制的启动
启动的频率取决于细胞量增长的速率，即生长停止，启动也随着停止是预料中的事。
细胞周期的研究方法
细胞年龄变化较大时,细胞大小变化不大。
2同步培养(Synchrony)法
(1)密度梯度离心沉降法
按细胞的大小/年龄把在对数生长期的培养物分级。
H2O/D2O密度梯度沉降法:
能应用于任何品种,不会施加渗透压强的影响。
从某一密度带便可分离出同质的细胞群体，随后培养。
细胞大小的分布频率与蛋白质合成速率的关系
•Biotechnology, 3nd ed Vol.3;Bioprocessing.
Rehm H-JB
微生物发酵代谢调控与发酵过程优化技术
•代谢调控是研究内在的调节机制，而过程优化则是外在控制，是建立在相关参数的分析上的，这两个方向相辅相成，前者为后者的基础，而后者是使理论变为现实的手段。
1微生物生长与调节
(2)生物合成的前体
(3)次级代谢物的生物合成
(4)抗生素生物合成的控制
课程内容
4发酵过程控制
(1)控制的策略
(2)参数的指导作用
(3)参数相关分析
(4)过程控制的评价
主要参考书
•现代工业发酵调控学，储炬，李友荣，化学工业出版社，北京。2002年1月
•Biotechnology, 2nd ed. Vol.1; Biological Fundamentals. Rehm H-JB
图2大肠杆菌的染色体复制和细胞分裂的时间分配示意图
染色体复制和细胞分裂的调节规律
•染色体复制未完成，细胞就不会分裂。不管生长速率如何，大肠杆菌的细胞分裂总是出现在染色体复制完成之后。
•不管生长速率如何，C和D所需时间大致不变。
•C和D可以依次或同时(指上一轮的D和下一轮的C )进行。
思考题
加倍时间最小为多少？C＝40，
发酵调控学
生物工程学院
储炬
课程内容
1微生物生长分化调节的规律
(1)细胞周期内有关生长的活动，DNA合成与细胞分裂的调节
(2)丝状菌生长分化的调节
2初级代谢的调节机制
(1)调节的生化基础
(2)代谢调节的方式与内容：诱导、分解代谢物调节、反馈调节
课程内容
3次级代谢物的生物合成的调节
(1)次级代谢物的概念