生物工艺学知识点总结

生物工艺学期末复习资料1生物工艺学期末复习资料生物工艺学期末复习资料2生物工艺学知识点总结第一章绪论1、生物工艺学（biotechnology）：又称为生物技术，它是应用自然科学及工程学原理，依靠生物作用剂(biologicalagents)的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术。特点：多学科和多技术的结合；生物作用剂（生物催化剂）的参与；应用大量高、精、尖设备；建立工业生产过程或进行社会服务，。生物工艺学包含的四大块内容：原料预处理和培养基的制备、菌种的选育及代谢调节、生物反应过程的工艺控制、下游加工。2、生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称。生物催化剂特点：优点：①常温、常压下反应②反应速率大③催化作用专一④价格低廉缺点：稳定性差控制条件严格易变异（细胞）生物反应过程实质是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程(processengineering)。3、生物技术研究的主要内容：基因工程(DNA重组技术，geneengineering)、细胞工程(cellengineering)、酶工程(enzymeengineering)、发酵工程(fermentationengineering)、蛋白质工程(proteinengineering)、第二章菌种的来源1、工业生产常用的微生物细菌、酵母菌、霉菌、放线菌、担子菌、藻类。2.工业生产对微生物菌种的要求生物工艺学期末复习资料3培养基成分简单、廉价、来源广。生长迅速、发酵周期较短，抗杂菌和噬菌体能力强。目的产物产量高，产物类似物的产量低，且目的产物最好能分泌到胞外，利于产物分离。对温度、pH、离子强度、剪切力等环境因素不敏感。对溶氧的要求低，便于培养及降低能耗。菌种遗传性能稳定，不易变异和退化，不产生任何有害的生物活性物质和毒素。3、分离微生物新种的过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定。含微生物材料的预处理方法：物理方法（加热）；化学方法（pH）；诱饵法。诱饵技术：将固体基质加到待检的土壤或水中，待其菌落长成后再铺平板。分离的效率影响因素：1）培养基的养分；2）pH；3）加入的选择性抑制剂。4、高产培养基成分的选择准则：制备一系列的培养基，其中有各种类型的养分成为生长限制因素（C、N、P、O）；使用一聚合或复合形式的生长限制养分；避免使用容易同化的碳（葡萄糖）或氮（NH4+），它们可能引起分解代谢物阻遏；确定含有所需的辅因子(Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+)加入缓冲溶液以减小pH变化。5、代谢控制发酵（MetabolicControlfermentation）：用人工诱变的方法，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵形象地称为代谢控制发酵，最早在氨基酸发酵中得到成功应用。6、菌种的衰退表观现象有哪些？目的产物的产量下降营养物质代谢和生长繁殖能力下降发酵周期延长抗不良环境的性能减弱7、菌种的衰退的原因菌种保藏不当提供不了当的条件或不利的条件经诱变得到的新菌株发生回复突变生物工艺学期末复习资料48、菌种的复壮方法：纯种分离通过寄主体进行复壮淘汰已衰退的个体9、菌种的保藏的原理根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体的生长代谢活动尽量降低，以减少其变异。一般可通过保持培养基营养成分在最低水平，缺氧状态，干燥和低温，使菌种处于“休眠”状态，抑制其繁殖能力。10、菌种的保藏方法：A斜面冰箱保藏法B沙土管保藏法C石蜡油封存法D真空冷冻干燥保藏法E液氮超低温保藏法11与生物工程相关性较大的国内主要菌种保藏机构包括：工业微生物菌种保臧管理中心、农业微生物菌种保藏管理中心、普通微生物菌种保臧管理中心、抗生素菌种保藏管理中心11从自然环境中分离微生物菌种的的工艺过程生物工艺学期末复习资料5调查研究并充分查阅资料设计试验方案采样确定采样的生态环境增殖培养确定定性或半定量的快速检测方法纯种分离原种斜面确定发酵的基本条件筛选初筛（快速检测或1株1瓶摇瓶培养测定）复筛（1菌株3～5瓶培养）结合初步的工艺条件再复筛较优菌株斜面（3～5菌株）性能鉴定生产性能鉴定毒性试验菌种鉴定菌种保藏及作为进一步育种的出发菌株12.生物工程专业相关的主要数据库有哪些？维普中文科技期刊数据库、中国期刊全文数据库、万方系列数据库、scienceonline、springerlink等。第三章菌种选育1、常用菌种选育方法（1）自然选育:是指在生产过程中，不经过人工处理，利用菌种的自发突变(spontaneousmutation)而进行菌种筛选的过程。特点：自发突变的频率较低，变异程度不大。所以该法培育新菌种的过程十分缓慢。应用：自然选育在工业生产中可以达到纯化菌种，防止菌种衰退，稳定生产，提高产量的目的。（2）诱变育种:是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群，促进其突变率大幅度提高，然后采用简便、快速和高效的筛选方法，从中挑选少数符合育种目的的突变株，以供生产实践或科学研究使用。诱变育种的理论基础是基因突变。生物工艺学期末复习资料6诱变育种的典型流程8出发菌株（砂土管或冷冻管）原种特性考察斜面单孢子悬液诱变处理摇瓶培养24h菌悬液稀释涂平板处理前后计数并统计存活率观察单菌落形态挑选单菌落传种斜面摇瓶初筛与对照组比较挑出高产斜面保藏菌株传种斜面摇瓶复筛挑出高产菌株（稳定性和特性）培养基优化小试中试与对照组比较诱变育种的典型流程常用诱变剂：物理诱变剂、化学诱变剂（碱基类似物、与碱基反应的物质、在DNA分子中插入或缺失一个或几个碱基物质）、生物诱变剂（3）分子育种（DNA重组、基因工程）：用人为的方法将所需的某一供体生物的遗传物质DNA分子提取出来，在离体条件下切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后导入某一受体细胞中，让外来的遗传物质在其中进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。（4）杂交育种(Hybridization)：常规杂交育种(Hybridization)：一般是指人为利用真核微生物的有性生殖或准性生殖或原核微生物的接合、F因子转移、转导和转化等过程，促使两个具有不同遗传性状的菌株发生基因重组，以获得性能优良的生产菌株。原生质体融合技术：通过人工方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合，并产生重组子的过程，亦称为“细胞融合”(cellfusion)。原生质体融合的基本过程：原生质体形成、原生质体融合、原生质体的再生。3.抗噬菌体菌株的检出方法：平板点滴法、单层琼脂法、双层琼脂法。4、工程菌的不稳定性表现质粒的不稳定（质粒的丢失、重组质粒的DNA片段脱落）、表达产物的不稳定生物工艺学期末复习资料7第三章微生物的代谢调节1、微生物代谢调节方式概念：微生物在生长过程中机体内的复杂代谢过程是相互协调和高度有序的，并对外界环境的改变能够迅速做出反应,其原则是经济合理地利用和合成所需的各种物质和能量,使细胞处于平衡生长状态。微生物代谢分为初级代谢和次级代谢。代谢流向的调控分为代谢物的合成和代谢物的降解；通过快速启动蛋白质的合成和有关的代谢途径，平衡各代谢物流和反应速率来适应外界环境的变化。代谢速度的调控分为酶量（粗调）（酶合成的诱导和酶合成的阻遏）和酶活（细调）（酶活性的激活、酶活性的抑制）反馈阻遏是转录水平的调节，产生效应慢；影响催化一系列反应的多个酶反馈抑制是酶活性水平调节，产生效应快。只对是一系列反应中的第一个酶起作用2、微生物初级代谢调节包括酶活调节、酶合成调节、遗传控制（1）酶活性的调节（细调）：一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。酶活调节的影响因素包括：底物和产物的性质和浓度、压力、pH、离子强度、辅助因子以及其他酶的存在等等。特点是反应快速。酶活性的调节包括：酶活性的激活和酶活性的抑制（反馈抑制）（2）酶合成的调节：通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制。这类调节在基因转录水平上进行，对代谢活动的调节是间接的、缓慢的（3）酶合成的阻遏：在某代谢途径中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成的阻遏。末端代谢产物阻遏:由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的(反馈)阻遏。分解代谢物阻遏：当细胞内同时存在两种可利用底物（碳源或氮源）时，利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成。这种阻遏并不是由于快速利用生物工艺学期末复习资料8底物直接作用的结果，而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的，所以称为分解代谢物阻遏（过去被称为葡萄糖效应）。3、改变细胞膜通透性的方法A限制培养基中生物素浓度在1～5mg/L，控制细胞膜中脂质的合成；B加入青霉素，抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；C加入表面活性剂如吐温80或阳离子表面活性剂(如聚氧化乙酰硬脂酰胺)，将脂类从细胞壁中溶解出来，使细胞壁疏松，通透性增加；D控制Mn2+、Zn2+的浓度，干扰细胞膜或细胞壁的形成；E可以通过诱变育种的方法，筛选细胞透性突变株。5、人工控制微生物代谢的两种手段：（1）生物合成途径的遗传控制（2）发酵条件的控制6.生物素对谷氨酸合成的影响（1）生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化产生草酰乙酸，进而有利于谷氨酸的合成；（2）生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可间接地影响细胞膜的透性。生物工艺学期末复习资料957例1：谷氨酸棒杆菌（生物素缺陷型）生产谷氨酸PEPPyrAcCoAOAAakgGluMalPCPEP：磷酸烯醇式丙酮酸；Pyr：丙酮酸；AcCoA：乙酰辅酶A；OAA：草酰乙酸；αkg：α-酮戊二酸；Glu：谷氨酸；Mal：苹果酸；PC：丙酮酸羧化酶生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，生物素在低于亚适浓度之前，增加生物素有利于丙酮酸的羧化产生草酰乙酸，进而有利于谷氨酸的合成；生物素是催化脂肪酸生物合成的初始酶乙酰辅酶A羧化酶的辅酶，该酶催化乙酰辅酶A羧化生成丙二酸单酰辅酶A，再经一系列转化合成脂肪酸，而脂肪酸又是构成细胞膜磷脂的主要成分，因此生物素可间接地影响细胞膜的透性。生物素对谷氨酸合成的影响第四章微生物次级代谢与调节1、次级代谢产物：某些微生物在生命循环的某一个阶段产生的物质，它们一般是在菌生长终止后合成的。其生物合成至少有一部分是与核内和核外的遗传物质有关，同时也与这类遗传信息产生的酶所控制的代谢途径有关。微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等。2、初级与次级代谢途径相互连接次级代谢物通常是由初级代谢中间体经修饰后形成的修饰初级代谢中间体的三种生化过程生物氧化与还原、生物甲基化、生物卤化3、前体：指加入到发酵培养基中的某些化合物，它能被微生物直接结合到产物分子中去，而自身的结构无多大变化有些还具有促进产物合成的作用。中间体是指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质，他们均被进一步代谢，最终获得该途径的终产物。4、次级代谢物生物合成的原理①一旦前体被合成，在适当条件下它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径。②在某些情况下单体结构单位被聚合，形成聚合物。这些特有的生物合成中间生物工艺学期末复习资料10体产物需做后几步的结构修饰，修饰的程度取决于产生菌的生理条件。有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的。第五章发酵培养基1、培养基通常指人工配制的供微生物生长、繁殖、代谢和合成所需产物的营养物质和原料，同时，培养基也为微生物等提供除营养外的其它生长所必需的环境条件培养基提供微生物生长繁殖和产物合成所需的碳源、氮源、无机盐、生长因子、水和氧气等2、工业发酵培养基的要求：①培养基能够满足产物最经济地合成②发酵后所形成的副产物尽可能的少③培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应。④所用培养基应能满足总体工艺的要求，如不应影