基因工程菌的发酵

13基因工程菌的发酵基因工程菌的安全性基因工程菌的稳定性问题影响基因工程菌发酵的因素基因工程菌的高密度培养基因工程菌发酵的动力学模型13.1基因工程菌的安全性问题基因工程菌的安全性受到关注的原因–基因工程菌都含有外源DNA片段，其遗传结构与自然界中的DNA相比有较大的差别–一般含有抗生素抗性基因–有的含有病毒的遗传信息13.1基因工程菌的安全性问题基因工程菌泄露的防护措施–物理防护实验室规模上有P1-P4四个等级工业规模上则有LS1、LS2两个等级LS-1的设备标准–培养装置密闭–排气经过无菌过滤–生物防护EK1-EK3三个等级13.2基因工程菌的稳定性13.2基因工程菌的稳定性外源基因表达系统可以分为两种类型–质粒-宿主表达系统外源基因位于工程菌的质粒上存在质粒的不稳定性–整合型表达系统外源基因位于宿主菌的染色体上稳定性的问题相对不太严重13.2基因工程菌的稳定性引起质粒-宿主表达系统不稳定性的因素–不含质粒的细菌对工程菌的生长优势–质粒分配的不稳定性质粒在子代微生物中的不均一分配–质粒结构的不稳定性质粒DNA易发生突变，同时也容易受到宿主菌核酸酶的攻击13.2基因工程菌的稳定性考虑一个质粒-宿主表达系统kNPkPaS)2(NNbS2)1(211knkkF1213.2基因工程菌的稳定性13.2基因工程菌的稳定性13.2基因工程菌的稳定性培养条件对工程菌稳定性的影响–培养基的影响复合培养基(完全培养基)对质粒的稳定性有利基本培养基–比生长速率比生长速率高时有利于质粒稳定13.2基因工程菌的稳定性13.2基因工程菌的稳定性培养条件对基因工程菌稳定性的影响–温度高温时质粒的稳定性较差–pHpH接近于基因工程菌的最适生长pH时质粒的稳定性较高–溶氧在基因工程菌的发酵过程中保持较高的溶氧有利于质粒的稳定13.2基因工程菌的稳定性13.2基因工程菌的稳定性培养条件对工程菌稳定性的影响–细胞的固定化固定化细胞可以提高质粒的稳定性–外源基因的表达外源基因的表达会引起质粒的不稳定性问题采用可诱导的表达方式13.3发酵中影响基因表达的因素基因工程菌发酵的特殊性–生长速度比野生菌株慢–存在稳定性的问题–外源基因的表达一般需要诱导化学诱导–IPTG(异丙基硫代半乳糖苷)，乳糖等热诱导13.3发酵中影响基因表达的因素外源基因表达的一般过程–复制质粒的稳定性–转录诱导分解代谢物阻遏–翻译mRNA的半衰期(寿命)氨基酸是否供给充分–表达后的修饰和分泌13.3发酵中影响基因表达的因素培养基对基因工程菌发酵的影响–培养基的浓度和配比不但影响菌体的生长，而且影响外源蛋白的表达–一般而言营养丰富的复合培养基比合成培养基的效果好，缓慢利用的碳源比葡萄糖的效果好–不同的表达系统对营养物质有不同的要求–相同的表达系统在表达不同的外源蛋白时也对培养基有不同的要求13.3发酵中影响基因表达的因素发酵过程中比生长速率的影响–比生长速率的影响尚无定论–因不同的表达系统而异有的表达系统需要高的比生长速率有的则需要比较低的比生长速率有的工程菌的表达效率在比生长速率为零时(稳定期)最高13.3发酵中影响基因表达的因素13.3发酵中影响基因表达的因素13.3发酵中影响基因表达的因素温度的影响–温度影响质粒的稳定性–影响细胞内酶的活性和重组蛋白的合成速度–影响重组蛋白的稳定性较低的温度下重组蛋白稳定–有些表达系统采用热诱导诱导温度的确定13.3发酵中影响基因表达的因素溶氧(DO)的影响–溶氧对基因工程菌发酵的影响取决于工程菌的特性宿主菌为需要菌时一般要有较高的溶氧宿主菌为厌氧菌时则需要厌氧培养13.3发酵中影响基因表达的因素诱导–诱导时机由于外源蛋白的表达对工程菌的生长有抑制作用，故一般在对数生长后期进行诱导–诱导剂量过量诱导往往对细胞生长和代谢活性以及基因的表达具有抑制作用使用热诱导时不能用过高的温度13.3发酵中影响基因表达的因素代谢副产物的影响–常见的基因工程菌产生的抑制性代谢副产物大肠杆菌产生乙酸枯草杆菌产生乙酸和丙酸酵母产酒精–解决代谢副产物抑制的方法控制快速利用碳源(葡萄糖)的浓度使用缓慢利用碳源在线分离抑制物质13.3发酵中影响基因表达的因素13.3发酵中影响基因表达的因素13.3发酵中影响基因表达的因素基因工程菌的稳定性对发酵的影响–发酵液中丢失质粒的工程菌数量多–解决这一问题的方法构建更为稳定的工程菌使用整合型的表达系统使用可诱导的表达系统并控制诱导的时机，将基因工程菌的生长和外源蛋白的表达分开进行在发酵过程中使用抗生素抑制野生菌的生长13.4基因工程菌的高密度发酵若每个基因工程菌产生重组蛋白的能力相同，则重组蛋白的生产能力与菌体量成正比XqdtdPP13.4基因工程菌的高密度发酵实现基因工程菌高密度发酵的方法–流加培养技术–先采用合适的流加培养技术将基因工程菌培养到一定的浓度(如50gDCW/L)–然后通过诱导启动重组基因的表达13.5基因工程菌发酵动力学模型建立基因工程菌发酵动力学模型应从基因工程菌发酵与一般的微生物发酵的差别着手–质粒的不稳定性野生菌的生长优势结构的不稳定性分配的不稳定性–重组蛋白质的表达–诱导13.5基因工程菌发酵动力学模型Lee的模型–发表在BioengineeringandBiotechnology(生物工程与技术)上–充分考虑了质粒的不稳定性，将培养液中的微生物分为三种正常的基因工程菌质粒结构发生变化的工程菌野生菌–考虑了细胞内mRNA的合成与外源蛋白表达的关系13.5基因工程菌发酵动力学模型11111)1(XXdtdX11222)1(XXdtdX2211333XXXdtdX13.5基因工程菌发酵动力学模型dtdPYdtdXYdtdXYdtdXYdtdSP1111332211mmkGkdtmddoPˆˆˆˆ1PPkmkdtPdeoqˆˆˆˆ113.5基因工程菌发酵动力学模型11XdtdXdtdP13.5基因工程菌发酵动力学模型