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举例说明代谢调控在发酵工业中的重要性
农学与生物科技学院生物技术专业杨丹222010326022039 微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。从细胞水平上来看，微生物的代谢调节能力要超过复杂的高等动植物。这是因为，微生物细胞的体积极小，而所处的环境条件却十分多变，每个细胞要在这样复杂的环境条件下求得生存和发展，就必须具备一整套发达的代谢调节系统。在长期进化过程中，微生物发展出一整套十分有效的代谢调节方式，巧妙地解决了这一矛盾。通过代谢调节微生物可最经济地利用其营养物，合成出能满足自己生长、繁殖所需要的一切中间代谢物，并做到既不缺乏也不剩余任何代谢物的高效“经济核算”。
（一）微生物细胞的调节机制：
（1）酶合成的调控
1.诱导——促进酶的合成
2.阻遏——抑制酶的合成（包括终产物阻遏和分解代谢物阻遏）
(2)酶活性的调控
1.一定数量的酶通过其分子结构的改变来调节催化反应的速率。
控制机制：终产物抑制或激活；通过辅酶水平的活性调节；酶原的活化；潜在酶的活化
2.细胞膜渗透性的控制:根据酶在代谢调节中作用不同分为：调节酶（变构酶、同功酶、多功能酶）、静态酶和潜在酶。
（二）代谢控制发酵的基本思想
（1）切断支路代谢
1.选育营养缺陷型突变株：原菌株由于发生基因突变，致使合成途径中某一步骤发生缺陷，从而丧失了合成某些物质的能力，必须在培养中外源补加该营养物质才能生长的突变型菌株。最典型例子：高丝氨酸营养缺陷型或苏氨酸营养缺陷型菌株达到赖氨酸的积累。
2.选育渗漏缺陷突变株：遗传性障碍不完全的缺陷型。（注：这种突变只是其中某一种酶的活性降低，而不是完全丧失。不能合成过量的最终产物，故不会造成反馈抑制而影响中间代谢产物的积累。）
（2）解除菌体自身的反馈调节
1.选育抗类似物突变株（代谢拮抗物抗性突变株）形成途径：变构酶结构基因突变；调节基因突变。
2.酶活性的利用
3.营养缺陷型回复突变株的应用：调节酶的失活与否，可能直接表现为某种营养缺陷型。可以采用回复突变的方法，从回复突变株中获得多途径中的调节酶接触反馈调节的调节突变株。
（3）增加前体物的合成：通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株以及克隆某些关键酶的方法，增加目的产物的前体合成，有利于目的产物的大量积累。
（4）去除终产物
（5）特殊调节机制的利用：①多种产物控制机制的利用，②平衡合成的利用，③代谢互锁的利用，④优先合成的变换。
(6）条件突变株的应用
（7）选育不生成副产物的菌株
（8）选育生产代谢拮抗物质的菌株
(三）举例说明其重要性
1.赖氨酸的代谢控制与发酵
赖氨酸←
1）切断或减弱支路代谢
1.切断支路代谢：选育和应用营养缺陷型菌株，切断丙氨酸、苏氨酸和蛋氨酸的分支途径以积累Lys。
2.变换优先合成：渗漏缺陷型的选育（高丝氨酸渗漏突变株）降低HD酶（高丝氨酸脱氢酶）活性：增强代谢流从优先合成Met和Thr转向合成Lys，Met和Thr 、Thr合成减少，解除了Thr+Lys的协同反馈抑制。
2)解除反馈抑制:选育抗结构类似物突变株
1.解除AK酶的反馈调节:通过诱变，使编码AK酶（天冬氨酸激酶）的结构基因发生突变，使AK酶对Lys及结构类似物不敏感，即使苏氨酸过量，该激酶也不与Lys或类似物结合。
2.解除PS酶的代谢调节
3.解除代谢互锁：赖氨酸与亮氨酸的生物合成之间存在代谢互锁，应考虑选育亮氨酸缺陷型，抗亮氨酸结构类似物突变株。
3)去除终产物:选育细胞膜通透性突变株，解除反馈调节。
1.选育生物素缺陷型:生物素是脂肪酸合成中CoA的辅酶。选育生物素缺陷型阻断生物素合成并限制外源供应量，导致磷脂含量不足，细胞膜结构不完整。
2.选育油酸缺陷型。
3.选育甘油缺陷型。
4.选育温度敏感性突变株。
4)增加前体物的合成:反馈抑制（调节）并不意味着完全阻止合成反应，通过受控制反应物的第五积累能拮抗性地克服这种抑制，关键酶AK所催化的底物Asp（天门冬氨酸），AK酶的反应速度与底物Asp浓度间的关系呈S型，随着Asp的增多，AK酶和Asp亲和力协同性地增大。根据变构酶S型动力学性质，应设法增加前体物质Asp 的浓度，以抵消变构抑制剂的影响。可以选育丙氨酸缺陷型，抗Asp 结构类似物的突变株。
5)选育温度敏感突变株:其突变位置发生在亮氨酸合成酶系，高丝氨酸脱氢酶或丙酮酸-L-氨基酸转氨酶编码的基因中，均有利于积累Lys缺陷型。
6）利用细胞工程和基因工程技术构建赖氨酸工程菌株：细胞融合选育高产Lys菌株
7）重组DNA技术选育高产Lys菌株：Renerend将E.coli的Lys生物合成途径中Asp-β-半醛（ASA）脱氢酶，二氢吡啶2、6二羧酸（DDP或Ps）合成酶，PPP还原酶和二氨基庚二酸（DAP）脱羧酶的基因Asd,dapA,dapB,LysA从染色体上切下，分别连接到拷贝数高的质粒PBR322上，配制成杂种质粒PADI PDA1 PDB2 PLA17等，亲代株TocR21（此菌为Asp激酶即AK酶）的反馈抑制被解除。证明通过DNA重组技术基因扩增的方法能够改良Lys菌株的性能并提高产率
（四）总结
根据以上的介绍可以初步了解发酵工业中代谢调控的类型，代谢调控工业发酵的思想与方法。最后以工业上赖氨酸的生产为实例具体的说明了代谢调控在发酵工业中的重要性：工业上根据赖氨酸合成过程中的代谢途径为理论基础，运用代谢调控的各种方法对发酵菌株及发酵过程进行改良，以获得高产量的赖氨酸。此实例充分说明了代谢调控在发酵工业中的重要性。
