近代生物技术建立时期（19世纪50年代至20世纪40年代）
这一时期的诞生与显微镜的发明、微生物的发现和微生物学的 问世密切相关。
1683年，荷兰人列文虎克(A.van Leeuwenhoek)制作显微镜， 人们认识到微生物的存在。
Leeuwenhoek在1683年寄给英国皇家协会信的部分内容。 A和B代表杆菌，C和D表示菌体运动的轨迹， E代表球菌 F代表长杆菌，G代表螺旋菌，H代表一簇球菌
生物工艺学
生命科学学院
胡庆森 qshu@
本课程的主要内容和考核方式
绪论（第1章） 菌种选育（第2章）
微生物代谢调节（第3章）
主要内容
微生物培养基及灭菌（第4、5章）
种子扩大培养 （第6章）
发酵工艺控制 （第7章）
平时成绩：20% （出勤率、课堂表现、课后习题） 期末考试：80% （闭卷，平时上课讲解的重点内容） 通过理解所学的知识，达到重点内容熟练掌握，具有初步分析和解决本专业 问题的能力。
2、分解代谢物阻遏（P65-66）

定义：培养基中某种基质的存在会减少（阻遏）细胞中其相 应酶的合成速率，这种现象称为分解代谢物阻遏。 现象：若微生物的培养基中存在一种以上可利用的养分，通 常它们会先分解那些最易利用的基质，只有该基质耗竭后才 开始分解第二种基质(如大肠杆菌在葡萄糖和乳糖上混合碳源 中生长)。
划线分离获得单菌落
青霉素抑菌实验
产品特点： 以厌氧发酵居多，不少工业过程陆续出现产物多数属于微生物 初级代谢产物，主要与细胞生长相关的产物及能量代谢相关的副产 物。
产品类型： 有机溶剂 乙醇、丙酮-丁酮-乙醇、丙酮-丁酮-异丙醇 多元醇 甘油 有机酸 乳酸、乙酸、丙酸、丙酮酸、柠檬酸、富马酸 早期以固态 酶制剂 淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、纤维素酶、凝乳酶 发酵生产 疫苗 卡介苗
1863年“微生物学之父”法国人巴斯德（L.Pasteur）指出所有的 发酵都是微生物作用的结果。（Pasteurization；利用减毒的病原 菌制成疫苗）
1881年细菌学奠基人德国的科赫（R.Koch）首先用染色法观察细 菌形态（固体培养皿表面划线培养获得单孢子菌落；发现结核菌）。 1926年美国的萨姆纳（J.B. Summer）首次证实结晶脲酶是蛋白质 1928年英国人弗莱明（A.Fleming）发现青霉素
加正效应物 不加
加负效应物
变构效应是反馈抑制的理论基础，是代谢调节的有效方法。
酶 （有活性）
终产物
终产物（调节物） 结合在效应物结合位点
酶 （无活性） 变构酶活性调节示意图
3、缔合与解离
能进行这种转变的蛋白质由多个亚基组成，蛋白质活化与钝化是通过组成 它的亚基单位的缔合与解离实现的。这类互相转变钝化是由共价修饰或若干 配基缔合启动的。
1958年 F.H.C.Crick发现中心法则。 1961-1965 M.W.Nirenberg，R.W.Holley, H.G.Khorana完成常见氨基酸密码子的 破译。 1974年美国人H.W. Boyer和S.N. Cohen在实验室内首次成功获得基因的克隆。 1982年美国Eli-Lilly药厂第一个基因工程产品胰岛素投入市场。
☞ 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
,特点是反应快速。
第二节 酶合成的调节

酶合成调节：主要指通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速
度的调节机制。

这类调节是在基因水平（原核生物主要在转录水平上）上进行。
酶合成的诱导 酶合成调节的方式 酶合成的阻遏 终产物阻遏 分解代谢物阻遏
4、竞争性抑制
一些蛋白质的生物活性受代谢物的竞争性抑制。
NAD+与NADH
葡萄糖+ATP
己糖激酶
6-磷酸葡萄糖+ADP
酶活调节方式小结 可逆共价修饰 （磷酸化酶）
共价修饰
不可逆共价修饰 （胰蛋白酶原激活）
变构控制
酶活调节 缔合与解离
反馈抑制
（天冬氨酸转氨甲酰酶）
竞争性抑制
（ATP vs ADP;NADH vs NAD）
诱导作用的分子机制（P70）：
Jacob与 Monod 最先提出诱导作用模型，也叫操纵子模型。
操纵子是一组功能上相关的基因，由启动基因（Promoter）、操纵基因 （Operater）、结构基因（Structural gene）三部分构成。 结构基因 调节基因 启动基因 操纵基因
R P O S S
1、诱导作用（induction）
定义：培养基中某种基质与微生物接触而增加（诱导）细胞中其相应酶 的合成速度。 诱导物：是指能起诱导作用的化合物。 诱导物常见的类型：基质、基质衍生物、产物 按照酶的合成与环境影响的关系来分，若酶的合成速度受基质浓度变化 的影响很小，这种酶称为组成酶（如EMP途径中的酶），反之，称 为诱导酶（如β-半乳糖苷酶）。

2.化学基团：磷酸基、甲基、乙基、腺苷酰基。 蛋白质的共价结合部位：一般为丝氨酸残基上的羟基（-CH2OH）。 3.共价修饰的分类：可逆共价修饰、不可逆共价修饰。
a、 可逆共价修饰

大多数共价调节是通过特定部位的丝氨酸、苏氨酸的侧 链（-OH）的磷酸化和去磷酸化来调节的。
磷酸化酶
b、 不可逆共价修饰
①3’-5’环腺苷单磷酸（cAMP）; ②微生物细胞内存在一种蛋白质，称为受体蛋白 （A聚合酶和模板NDA的结合以及mRNA合成的开始，都需要有cAMP和 CRP同时存在。
☞分解代谢物阻遏是由于cAMP的不足造成的，这是因为支持低生长速率的
碳源比 迅速利用的碳源造成细胞内更高的cAMP
该阶段的特点： 微生物学通过对微生物形态和生理的观察与研究建立的时期， 为工业、农业、医学开始做出比以往更多的贡献，出现了不少新品 种和新成就。
近代生物技术的全盛时期（20世纪40年代-20世纪70年代）
出现于20世纪40年代，是以青霉素的工业开发获得成功为标志。
最初采用表面培养生产，以麸皮为培养基，发酵效价单位约为40 u/mL，纯度20%， 收率30%。
☆大肠杆菌利用葡萄糖造成细胞内cAMP含量过低， cAMP无法与受体蛋白CAP
结合成复合物，导致RNA聚合酶无法结合到操纵基因位点，分解乳糖的相关酶基因 不能正常进行转录和翻译，因此当葡萄糖存在时，菌株表现为不能利用乳糖。
酶合成调节小结
酶合成的诱导(β-半乳糖苷酶)
酶合成调节的方式 酶合成的阻遏 终产物阻遏（随后讲解）
☆反馈阻遏：指终产物（或终产物的结构类似物）阻扰催化该途径的
快速
微调 蛋白质水平
相对缓慢
粗调 基因水平
本章以下内容围绕微生物细胞如何实现这两种调节方式展开论述
代谢调节的部位
第一节 酶活性调节
酶活性调节可以归纳为以下几种方式： 共价修饰、变构效应、缔合与解离、竞争性抑制。
1、共价修饰

1.定义：蛋白质分子中的一个或者多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或者
解开，使其活性改变的作用。
第一章 绪论 第一节 生物技术的概念与特点
IECDO给出的定义：应用自然科学和工程学的原理，依靠生 物作用剂（biological agents）的作用将物料进行加工以提供产品 或用以为社会服务的技术。 特点：①一门多学科、综合性的科学技术②反应过程 中需要生物催化剂的参与③最终目的是建立在工业生产过程或进行 社会服务。
组织溶纤原激活剂(t-PA)
这一时期出现了一项属于细胞工程的巨大成就-单克隆抗体技术 。这一技术 的基础是细胞融合，基本原理是通过融合两种细胞而同时保持两者的主要特征。
繁殖快速 骨髓 瘤细胞
产生目的 抗体基因 脾脏淋 巴细胞
杂交瘤 细胞 繁殖快速+产生目的抗体基因
动、植物细胞培养技术的应用：动物细胞生产单克隆抗体、糖蛋白 干细胞的培养
生物学
生物 技术 化学
工程学
(Moo-Young, 1985)
1.2 生物技术的发展历史（四个阶段）
经验生物技术时期（从人类出现到19世纪中期）
代表性的产品或技术: 在石器时代后期，我国人民利用谷物酿酒，公元10世 纪,我国就有了预防天花的活疫苗。 公元前221年（周代后期），作豆腐、酱和醋，另外还有 泡菜、奶酒、干酪等制作以及面团发酵、粪便和秸杆的沤 制等。 特点 知其然不知其所以然，有关实践没有上升到理论，更 不能以理论来指导提高、实践。
基因工程的基本操作步骤
2.载体的选择
1.目的基因的获取
3.目标基因与载体NDA的体外连接
4.重组体DNA导入受体细胞
5.重组细胞的筛选和鉴定
基因工程产品发展概况
目前，世界上已经批准上市的基因工程药物就有几十种，集中在 多肽或蛋白质的生化药物中，如：胰岛素、人生长激素等。
部分利用基因工程技术研制的产品 纤维素酶 人胰岛素 人生长激素(GH) 表皮生长因子(EGF) 肿瘤坏死因子 白细胞介素-2(IL-2) 尿激酶原 猪生长激素(PGH) 牛生长激素(BGH) , -干扰素 乙型肝炎疫苗 集落刺激因子(CSF) 红细胞生成素(EPO) 抗血友病因子
1943年，美英科学家研究出5 m3的机械通风发酵罐，采用深层培养法使发酵效价为 200 u/mL ，纯度60%，收率75%。 机械搅拌和通气装臵的发酵罐代替扁瓶或锥形瓶
不久其他抗生素如链霉素、新霉素相继问世。很快又发展了其他发酵产品， 如维生素（19世纪40年代）、氨基酸（19世纪50年代）、酶制剂（19世纪60年 代） 、核苷酸、多糖、有机酸。
本阶段形成两项技术：固定化酶（细胞）技术和生物转化技术。
固定化技术应用实例
生物转化技术在两步法生产Vc中应用
现代生物技术建立和发展时期（从20世纪70年代末开始）
以分子生物学理论为先导，基因工程的技术能作为生物技术新产品的一项开发手 段和关键技术算起。 1944年美国微生物学家O.T.Avery证明了基因的化学本质是DNA。 1953年美国J.D.Watson和F.H.C.Crick提出DNA双螺旋模型。