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1、工业微生物育种资料（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑 欢迎下载）第一章：绪论一、发酵工程1、概念：利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，生产有用物质一种技术系统。一般是在发酵罐中生产，是生物加工和生物制造实现产业化的核心技术。2、突出特点：以可再生资源为原材料； 反应条件温和（相比化学合成）多为常温常压，反应能耗低、选择性好、效率高的生产过程； 环境污染少，不产生重金属、有害化学物质；投资较小(与反应条件直接相关） 能生产目前化学生产不能生产或者生产困难的性能优异的产品。所以发酵工程已成为工业领域重点发展的行业。Eg:Aas,vit与有机酸、抗生素等。3、中国发酵
2、工程的现状：有一定的基础，但参差不齐与国外差距大，就产量而言，主要是糖化酶，高温-ainylase,碱性蛋白酶，以糖化酶为例，自1988年引进高产的菌株后，发酵水平一直鲜有提高，酶活性仍停留在3500 u/ml左右。而国外已达到50000 u/ml以上。由于剂型单一及质量不稳定，中国酶制剂产品很难进入国际市场，也挡不住国际市场产品进入国内市场，总的来说，中国生产的发酵产品的产业化程度很低，科研成果转化为生产力的周期长，速度慢，技术水平和装备水平还有待进一步提高等。所以与国外的差距大，生产成本明显高于国外。4、发酵工程队促进国民经济发展的重要作用。农业：如陈化粮的问题;； 能源：如石油的问题；
3、化学工业：医药工业（中国两大支柱产业）方面的提高等等。这些方面都能有效地提高民族工业的国际竞争力，实现国民经济的持续发展。5、发酵工程技术的内容。提供高性能生产菌种的菌种技术；实现低成本，大规模生产产品的发酵技术；获得合格产品的分离提取技术。二、工业微生物育种在发酵工业中的地位。工业微生物：应用于发酵工业的微生物，是指通过工业规模培养能够特定产品或者达到特定社会目标的微生物。1、 菌种技术的内容：菌种筛选技术；菌种选育技术；菌种保藏技术。筛选是指从自然界中获得具有生产目的产物的菌株； 选育是指提高菌株生产性能；保藏则是指保证菌种生产能力能长时间维持。 这些都是育种学的内容。2、 Bac育种的必
4、要性：菌种是发酵的基础，是生产的役马。既是发酵过程成败的关键，更是体现经济效益和工作效益的关键，一个好的工业菌种可以形成和发展出一个工业形成一个产业；同样，现代工业生物技术的发展，也不断要求有新的性能更优越的工业菌种的出现。人类社会可持续发展的需要。大自然中Bac资源及其丰富，据估计，地球上Bac的种类有106 到107种，而被人类了解的仅占10%全世界被描述的Bac种类仅占实际的2%，目前被人类利用的Bac仅占总量的1%，人类为了自身的生存与发展，必须从自然界中索取各种资源加以利用。现在，人口急剧膨胀，工业化速度加快，自然资源特别是矿物质能源过度，过快地被消耗，环境污染日趋严重等问题，迫使人
5、们加速开发Bac资源。利用Bac增产粮食，提供新的蛋白质资源、生产工业乙醇及氢气等洁净能源。加速环境治理，比如利用Bac初级代谢和次级代谢产物，如抗生素、Aas、酶、有机酸等。发酵工业发展的需要。例如：青霉素发酵水平的提高，弗莱明在20世纪20年代发现青霉素时，所产青霉素的菌种为青霉菌，发酵单位为2u/ml,1943年，美国最早使用黄青霉，所产青霉素的单位为250u/ml。后来Demerce用X射线诱变黄青霉菌株，得到青霉素单位为500u/ml。20世纪80年代，青霉素效价为85000u/ml。是中国发酵工业的现实需要。国内菌株的发酵水平与国外相比总的来说还比较落后，发酵产品的品种也较少，如酶
6、制剂。丹麦的诺维公司生产有-amylase糖化酶、蛋白酶、果胶酶、核酸酶、纤维素酶等品种，尽各种规格即达100多种，国内生产的一直是三大当家酶种，即糖化酶、-amylase和蛋白酶。此外，再加上近年来陆续开发的少量品种如纤维素酶、凝乳酶、异构酶等，品种数量达到30多种。但淀粉酶的产量占酶制剂总量的75%，其他酶类则更是，品种也不全，产品结构不合理，远不能满足各行各业的需要。3、 菌种选育的意义。决定发酵产品能否具有工业的价值；是发酵成败与否的关键；是提高发酵工业产品的产量和质量增加了产品的品种的关键。4、 工业Bac菌种的生产要求。稳：遗传稳定，有利于产品优良性状的传递；性能稳定，能保持较长的
7、良好经济性能，菌种的优良性能不易退化；目的产物的产量稳定，不随生产批次的改变而改变；繁殖快，易产生营养细胞、孢子或其他繁殖体；菌种生长快，种子的生长必须旺盛，在短时间内就能达到产品最佳生产期；目的产物产生的时间快，产生目的产品的时间短，即发酵时间短，提高生产效益；纯：菌种纯。是纯种，防止产品含有杂质，避免发生倒灌；易：菌种易分离提纯（以获得纯种，而且一旦感染上杂菌，能容易分离纯化）；易于突变，对诱变剂敏感，有利于菌种加强；强：抵抗能力强，有自身保护机制，能抵抗杂菌污染。即稳、快、纯、易、强。只有具备了这些条件的菌株，才能保证发酵产品的产量和质量。这既是发酵工业的最低要求，也是发酵工业的最大目的
8、。三、遗传学的形成和发展。遗传学时生命科学领域中一门核心学科。1、 主要研究内容：遗传物质的结构； 遗传信息的传递；遗传信息的功能； 遗传信息的表达。2、 分类：传递遗传学，级经典遗传学。主要研究遗传物质纵向传递的规律及基因型与表型的关系；分子遗传学。主要研究基因结构，功能和纵向传递（结构是指其化学本质与精细结构，功能指他的表达、调控、重组和变异）；群体遗传学，研究群体中基因频率和基因型频率以及影响其平衡的各种因素。3、 特点：推理性强，是一门推理性的学科。遗传学的研究方法是根据自然现象和实验数据推理出一种假设，然后通过实验加以验证； 多学科交叉与融合。遗传学主要建立在生物化学、细胞生物学和统
9、计学的基础上，但又涉及生命科学的各个领域；发展快。遗传学的发展非常快，新理论、新技术、新成果层出不穷；应用性强。转化为生产力的周期短，以其为理论基础，已派生出许多应用学和植物等微生物育种学、优生学、生物工程等。4、 遗传学的发展。遗传学的发展大致可分为三个时期：细胞遗传学时期（1910-1940）。此时期主要是确立了遗传学的染色体说。摩尔根提粗了连锁交换定律，并确定基因直线排列在染色体上 ，形成经典遗传学的理论体系；微生物遗传学和生化遗传学时期（1941-1969）。这一时期的特点是遗传学研究的对象从真核生物转向原核生物，并更深入地研究基因的精细结构和生化功能；分子遗传学时期（1953双螺旋结
10、构模型的建立到现在）四、工业微生物育种的进展。（一）工业微生物育种的基础：遗传与变异。所谓遗传是指亲代和子代相似的现象，而变异是指亲代与子代之间或同一亲代产生的不同子代之间存在的某种差异，变异提供遗传的材料，遗传则保证优良性状的积累。（二）工业微生物育种技术的发展阶段。1、自然选育：自然选育是不经人工处理而利用微生物的自发突变进行的纯种分离方法。单菌落分离，是一种简单易行的育种方法。例如：酒精发酵，利用自然选育纯种是酒精生产稳定（包括性能、产量、生产时间等方面的稳定）但是突变频率高与低，存在很大局限性。2、诱变育种（上世纪90年代）以人工诱发基因突变为基础的育种技术。例如：抗生素的生产，特别是
11、青霉素生产。诱变育种到目前为止还是很重要的育种方法，尤其是发酵工业中优良高产菌株的选育。3、杂交育种（20世纪40年代）微生物的杂交育种不是简单的物种之间优良性状的组合而是建立在诱变育种的基础上，而且克服生物物种之间相似性的影响（即亲和性）。杂交不仅发生在种内，也可以成功地发生在种间和属间。杂交主要是消除诱变剂的“疲劳效应”等副反应，集不同菌株的优良性状于一体。4、推理育种。（20世纪50年代）又称代谢控制育种。是根据微生物代谢产物的生物合成途径和代谢调节机制，通过人工诱发突变的技术，筛选获得改变微生物正常代谢途径的突变株，从而人为地是目标代谢产物选择性地大量合成和积累的技术，以谷氨酸发酵为标
12、志，意味着诱变由盲目性走向理性。5、代谢工程育种（即传统意义的基因工程育种）利用基因重组技术对细胞代谢网络进行有目的的定向修饰，先对细胞的分解和合成代谢中的多步级联反应进行合理设计，然后利用DNA重组技术强化或灭活控制代谢途径的相关基因。6、基因组重排育种（基因组改组）是2002年新报道的对微生物整个基因进行重排的育种方法。采用的具体方法是先用诱发突变或点突变技术产生复杂子代组合库，然后采用循环原生质体融合，使其产生同源重组，产生各种各样的突变组合。第二章微生物细胞的结构与分裂第一节 微生物细胞结构与功能细胞是生命活动的基本单位，一切有机体（除病毒外）都是由细胞构成。细胞是构成有机体的基本单位
13、；细胞具有独立有序的自控代谢体系，是代谢与功能的基本单位；细胞是遗传的基本单位，具有遗传的全能性。细胞是多层及非线性的复杂结构体系，是物质与信息、能量过程精巧结合的综合体，是高度有序的，具有自组装和自组织能力的体系。微生物的分类：微生物通常是指那些单细胞的或由相同组织构成的多细胞有机体。分为五类：1、病毒。真病毒、类病毒。2、真细菌（具有原核细胞结构）古细菌3、真菌4、藻类。5、原生动物体。按细胞结构及遗传信息分为真核微生物和原核微生物。一、 细胞壁的结构与功能。功能：对细胞起保护作用；维持细胞行动；对物质的交换起部分调节作用（有些分子能进入有些则不能）；决定细菌的抗原性、致病性急对病毒的敏感
14、性。1、主要成分。肽聚糖。细胞壁的有效成分。但G-含量低。双糖单位 N-acety/glucosamine (G) N-acety/ muramic acid (M) G、M以-1、4糖苷键连在一起，该键是溶菌酶的作用位点。短肽。由4个Aas（有时是5个）残基组成，且D型和L型交错出现，一般连在M上。肽桥。连接前前后后两个肽聚糖的一小段Aas.NH2前一短肽中的第4个Aa相连，而-COOH与后一肽聚糖单位的短肽中的第三个Aa相连（青霉素抑制转肽酶的活力，使短肽和肽桥不能形成）；磷酸壁。G+特有，分两种类型，即壁磷壁酸和膜磷壁酸，青霉素可阻碍壁磷壁酸中甘油磷酸链与肽聚糖分子间进行共价结合。膜磷壁酸甘油磷酸链与细胞膜的磷脂共价结合。脂多糖（LPS）为G-所特有，有类脂A，核心多糖和O-特异性侧链三部分组成。LPS是细菌的内毒素，其物质基础是类脂A，O-特异性侧链决定抗原特异性（由3-5个单糖组成的重复单位聚合而成）。PW，G-含量多一些，G+则少一些。2、G+与G- 细胞壁成分及结构的差异。肽聚糖含量 高（G+） 低（G-）肽聚糖层 层数多 交联度高、厚 层次少、交联度低、薄磷壁？ 有 无Pw 低（约10%） 高（约60%）类脂 无或少量 高（2%-3%）诱菌酶分解作用 敏感 不敏感对？霉素作用3、缺壁细胞（1）原生质体与原生质球 原生质体-一般由G+形成 原生质球-
