生化工程-1-绪论.ppt

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1、生化工程,轻化学院廖问陶,生化工程：研究生物反应中的共性工程技术问题，是生物工程和化学工程的纽带。作为一项工程，需要把科学原理，技术要求和经济效益综合考虑，并解决实际的问题。,绪论,什么是生物技术？应用自然科学和工程学的原理，依靠生物体系的作用，对底物原料进行加工以提供各种产品或达到某种目的的技术。,生物技术的构成及其相互关系,一、基因工程二、细胞工程三、发酵工程四、酶工程五、蛋白质工程,生物技术的上、中、下游关系：上游加工：应用杂交选育，基因工程，细胞工程等手段，获得优良的菌株，细胞系，固定化菌体等。中游加工：以生物反应器为中心的生产加工。下游加工：产物的分离提取。,生物技术的发展,传统生物

2、技术：酿酒，醋，面包，酸奶。,近代生物技术时期,随着对微生物的认识不断深入，带动了生物技术的发展，建立了微生物的纯培养技术，实现了对发酵过程的人为控制，而青霉素的大规模生产标志着微生物发酵技术发展到了一个新的阶段。,主要的技术进展：通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问题。抗杂菌污染的纯种培养技术：无菌空气、培养基灭菌、无污染接种、大型发酵罐的密封与抗污染设计制造。意义：带动了抗生素工业的发展建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法推动了整个发酵工业的深入发展为现代发酵工程奠定了基础,大型发酵罐搅拌装置,现代生物技术的发展,现代生物技术的发展是以基因重组技术的建立为标志的，上个世纪5

3、0年代结构模型的阐述和建立，奠定了现代分子生物学的基础，给生物学和人类社会带来了一场革命。,采用基因工程和细胞生物学的方法，将不同来源的DNA进行体外剪切与重组，再把重组DNA转入受体细胞内，并进行繁殖和遗传下去。人们能够根据自己的意愿将微生物以外的基因导入微生物细胞中，从而达到定向地改变生物性状与功能创新的物种，使发酵工业能够生产出自然界微生物所不能合成的产物。,细胞融合技术、基因操作技术等生物技术发展，打破了生物种间障碍，能定向地制造出新的有用的微生物。增加微生物体内控制代谢产物产量的基因拷贝数，可以大幅度地提高目标产物的产量。将动、植物或某些微生物特有产物的控制基因植入细胞中，快速经济地

4、大量生产这些产物。将具有不同性能的多种质粒植入，使新菌株在清除污染或以非粮食物质为原料进行发酵生产或环境保护。,现代生物技术的前景,现代生物技术的发展一日千里，在农工医环境等方面都用途广泛，机遇与风险并存，其优势与缺点都很明显，并日益引起民众的关注重视。人类健康环境保护社会发展,发酵工程原理及其应用,发酵工程（fermentation）的定义:传统意义的发酵 生理学意义的发酵 工业发酵,借助微生物在有氧或无氧状态下的生命活动来制备微生物菌体自身，或者其初级和次级代谢产物的过程，称为发酵。是生物技术产业化的重要途径。发酵工程主要指在最适发酵条件下，在发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。

5、,发酵工程所利用的微生物主要是细菌、放线菌，酵母菌和霉菌 利用微生物的特点：(1)对周围环境的温度、压强、渗透压、酸碱度等条件有极大的适应能力(2)有极强的消化能力(3)有极强的繁殖能力,发酵工业的特点,条件温和，反应安全，成本低廉。可采用较廉价的原材料，甚至变废为宝。发酵所用的原料通常以淀粉或其他农副产品为主，只要加入少量的有机和无机氮源就可进行反应。可以利用废水和废物等作为发酵的原料进行生物资源的改造和更新。反应专一性强，可得到较为单一的代谢产物，可对一些比较复杂的化合物进行加工修饰。不受自然条件的限制。,发酵工艺方法简介,类别：根据对氧的需要区分：厌氧发酵，有氧发酵，兼性厌氧发酵 根据培

6、养基物理性状区分：固体和液体发酵 根据从微生物生长特性区分：分批发酵，连续发酵和补料分批发酵,固体发酵：指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水下溶性固态基质中，用一种或多种微生物进行的生物反应过程。优点：培养基对菌的影响较小；操作简单，设备投资少，适应性强，原料广泛，价格低廉；通气量小，能耗低；产物提取容易；无废水或很少废水产生。缺点：工作强度较大；不易搅拌均匀；生产效率较低；不易散热；产物不纯；不易监测控制等。,液体发酵:1.液体表面发酵法：劳动强度大，效率低，占地范围大，易染杂菌。2.液体厌氧发酵法：生产效率高，能耗少，操作简单，但是用途受限制。3.液体深层通气发酵法：易于自动控制

7、，产品纯度高，质量稳定，设备利用率高，劳动强度小等。,固体发酵：适合于传统发酵工艺，生产比较简单的产品。液体深层发酵：适合于大规模工业化生产。,发酵工业的产物,微生物菌体：酵母，单细胞蛋白酶制剂：医药，食品加工，活性饲料代谢产物：初级代谢产物（氨基酸，蛋白质，核酸，脂类），次级代谢产物（抗生素等）生物转化（新型抗生素，药物合成）,按发酵产品和用途分类,酿酒与食品有机溶剂抗生素酶制剂氨基酸核酸维生素菌体蛋白生理活性物质医药,生物材料：PTT纤维，PLA纤维（聚乳酸酯）微生物冶金和开采生物农药与生物肥料环境保护与废物处理生物能源,发酵的过程,(1)用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2)

8、培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3)将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中(4)将接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物(5)将产物抽提并进行精制，以得到合格的产品(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水,工业发酵的流程,菌种的选育,发酵工业菌种概述菌种的分离筛选菌种的鉴定菌种的改良菌种的保藏,发酵工业菌种概述,细菌放线菌酵母菌霉菌未培养微生物,最常用的工业微生物,细菌醋杆菌属的醋化醋杆菌、弱氧化醋杆菌乳酸杆菌枯草杆菌丙酮丁醇梭菌大肠杆菌谷氨酸棒状杆菌,最常用的工业微生物,酵母菌酿酒酵母假丝酵母属产朊假丝酵母解脂假丝酵母热带假丝酵母毕赤酵母属、汉逊酵母属,最常

9、用的工业微生物,霉菌曲霉属米曲霉黑曲霉青霉属青霉菌：点青霉、产黄青霉桔青霉根霉属德氏根霉米根霉、小麦曲根霉红曲霉属紫红曲霉,最常用的工业微生物,放线菌链霉菌属小单孢菌属地中海诺卡氏菌米苏里游动放线菌,未培养微生物,定义：指迄今所采用的微生物纯培养分离及培养方法还未获得纯培养的微生物，其在自然环境微生物群落中占有非常高的比例，约为99。研究方法 模拟自然培养法:原位培养、培养条件优化、单细胞操作 宏基因组分析法,菌种的分离筛选,对菌种的要求：低廉易得的培养基 快速的生长周期 易于控制 抗污染 适应性强 稳定不退化 非病原菌,菌种的来源根据资料直接向有科研单位、高等院校、工厂或菌种保藏部门索取或购

10、买；从大自然中分离筛选新的微生物菌种。,菌株的选择性分离,新菌种的分离是要从混杂的各类微生物中依照生产的要求、菌种的特性，采用各种筛选方法，快速、准确地把所需要的菌种挑选出来。实验室或生产用菌种若不慎污染了杂菌，也必须重新进行分离纯化。,菌种分离的基本流程,定方案：首先要查阅资料，了解所需菌种的生长培养特性。采样：有针对性地采集样品。增殖：人为地通过控制养分或培养条件，使所需菌种增殖后，在数量上占优势。（加入唯一营养源，施加选择压力等）分离：利用分离技术得到纯种。发酵性能测定：进行生产性能测定。这些特性包括形态、培养特征、营养要求、生理生化特性、发酵周期、产品品种和产量、耐受最高温度、生长和发

11、酵最适温度、最适pH值、提取工艺等。,工业菌种的分离原则,1.根据发酵条件来筛选适应菌种。2.菌的生长温度应尽量高。3.菌对环境和设备的适应性和稳定性。4.菌种的生产效率和毒性，副产物等。,菌种的筛选与分离,施加选择压力（1）控制培养基成分（2）控制培养条件（3）抑制不需要的菌类 利用菌种的生理活性特点,根据目的菌株及其产物特点分 选择性分离方法 随机分离方法(定向筛选选择压力)(用筛选方案-检测系统进行间接分离）富集液体培养 固体培养基条件培养(初筛)菌种纯化 复筛,菌种纯化 初步工艺条件摸索 再复筛 生产性能测试 较优菌株1-3株保藏及进一步做生产试验 某些必要试验和 或作为育种的出发菌株

12、 毒性试验等,菌种的纯种分离（1）划线法：简单、快捷。（2）稀释法：菌落单一均匀。,固体培养基划线接种法,还可以怎么画？,稀释涂抹接种法,生产性能的测定,一般采用两步法：初筛：以量为主 复筛：以质为主,菌种选择的总趋势,野生菌变异菌自然选育代谢控制育种诱发基因突变基因重组的定向育种,菌株的选育,菌种选育的理论基础,微生物遗传的相对稳定和变异性。由于变异的存在，使获得新性状的菌种成为可能遗传变异的根本原因是基因的改变：基因突变和基因重组,菌种选育的方法,菌种选育可分为自然选育、诱变育种、杂交育种、基因工程等方法。自然选育、诱变育种是利用基因突变来获得优良菌种。杂交育种、基因工程是通过DNA重组来

13、获得优良菌种。,菌种选育的方法,自然选育概念：利用微生物在一定条件下产生自发突变的原理，通过筛除衰退型菌株，获得优良菌株的纯种选育的方法。可以纯化、复壮菌种，这是因为菌种在自发突变过程中，多数发生负向变异。为什么菌种多数倾向于发生负向变异？,菌种退化和变异的原因,总的来说：内因外因1.遗传基因型的分离 要点：遗传物质的多样化，群体繁殖2.自发突变原因：1）沙土管长期保藏 2)连续传代 3）新陈代谢产生的诱变物质 4）增变基因、死亡基因的存在3.经诱变剂处理后的退化变异,优点：简单易行缺点：效率低、进展慢以微生物的自然变异作为基础的生产选种机率并不很高，一个基因的自然突变频率仅10-6-10-1

14、0左右。,诱变育种：诱变育种是一种纯种选育方法。以人工诱变手段诱发微生物基因突变，改变遗传结构和功能，通过筛选，从变异体中找出产量高、性状优良的突变株的过程。,物理诱变化学诱变生物诱变,物理诱变：包括各种射线照射，超声波，激光照射，离子流，失重等等物理因素的造成的菌种遗传物质的突变,化学诱变剂能和DNA相互作用，改变其结构，并引起遗传变异的化学物质。主要有碱基类似物、吖啶类、烷化剂特点：高效、经济、但多数是强致癌物，应注意安全。,生物诱变剂噬菌体可用于抗噬菌体菌种的选育，其原理可能与诱发抗性突变有关,菌种诱变育种的步骤,诱变育种步骤出发菌株的选择处理菌悬液的制备诱变处理中间培养分离和筛选,出发

15、菌株的选择 1.选择纯种 2.平均发酵单位要高，且发酵单位的波动幅度不大，摇瓶间所测得结果的最高值和最低值之差要小。3.有良好的代谢特性4.选择对诱变剂敏感的菌株。5.选用多个出发菌株进行诱变收效较快。,处理菌悬液的制备,为什么要将菌株制成菌悬液来进行诱变？,诱变处理诱变剂的选择 野生型菌株(遗传性不稳定):用缓和的诱变剂。遗传性稳定的菌株:先要用强烈的不常用的诱变谱广的诱变剂处理，使其发生强烈的变异，然后再用缓和的诱变剂进行处理或多次自然分离。,要考虑诱变剂的作用机理和菌株的遗传背景、生理状态等来选择诱变剂，多种诱变剂复合使用效果好。最适剂量：一般杀菌率90%99%较好，甚至99.9%，也有

16、低至40-60%的,突变菌株的筛选：直接摇瓶筛选法 工作量大，效率低 琼脂块筛选法 简单、快速，但不准确 半理性化筛选 自动化筛选（筛选几千个菌落数/天）,理性化筛选（rational screening）是运用遗传学、生物化学的原理，根据产物已知的或可能的生物合成途径、代谢调控机制和产物分子结构来进行设计和采用一些筛选方法，以获得能大量形成发酵产物的高产突变株。,影响诱变效果的因素,出发菌株的遗传特性诱变剂菌种的生理状态 被处理菌株诱变前的预培养和诱变后的培养条件以及诱变处理时的外界条件例如碱基类似物、亚硝基胍等只对分裂中的DNA有效，对静止的或休眠的孢子或细胞无效；而如紫外线、亚硝酸、烷化

17、剂、电离辐射等能直接与DNA起反应，因此对静止的细胞也有诱变效应，但是对分裂中的细胞更有效。因此，放线菌、真菌的孢子在诱变前稍加萌发可以提高诱变率。,诱变处理前后的培养条件对诱变效果有明显的影响。可有意地于培养基中添加某些物质（如核酸碱基、咖啡因、氨基酸、氯化锂、重金属离子等等）来影响细胞对DNA损伤的修复作用，使之出现更多的差错，而达到提高诱变率的目的。例如菌种在紫外线处理前，在富有核酸碱基的培养基中培养，能增加其对紫外线的敏感。紫外线诱变处理后，将孢子液分离于富有氨基酸的培养基中，则有利于菌种发生突变。,诱变育种的一些问题,诱变手段的复合化与多样化诱变强度的控制正向突变与反向突变变异菌株的

18、筛选,现代菌种选育技术,杂交育种原生质体融合技术基因工程技术,杂交育种,理论基础基因重组将两个不同性状个体内的遗传基因转移到一起，经过遗传分子间的重新组合，形成新遗传型个体的方式，称为基因重组（gene recombination）。,基因重组,重组与杂交的关系：重组：分子水平，一般在体外杂交（hybridization）：细胞水平杂交中必然包含着重组；重组则不限于杂交这一形式。,接合：细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒,一、常规的杂交育种,(一)遗传标记杂交育种

19、所用的亲本菌株通常要有一定的遗传标记以便于筛选。如营养缺陷型、抗药性突变型等等，遗传标记的方法通常是将两个用来杂交的野生型菌株，经过诱变得到两株不同的遗传特性菌株作为杂交的直接亲本菌株。,(二)异核体形成获得异核体有许多种方法，例如完全培养基混合培养法。将两个直接亲本(营养缺陷型)的孢子混合接种于液体完全培养基中，培养l2天，挑出生长的菌丝体，将菌丝取出，撕碎，置于基本培养基平板上培养七天，由菌丝碎片长出的菌丝即为异核体。异核体是两个直接亲本菌株经过细胞间的接合而形成的，即在一条菌丝里含有两个遗传特性不同的细胞核，共同生活在均一的细胞质里，能够互补营养，因此能在基本培养基上生长。,(三)杂合二

20、倍体的形成杂合二倍体形成的方法是在基本培养基平板上分离异核体所产生的分生孢子，异核体的分生孢子里偶尔有两个遗传性状不同的细胞核发生了融合，这样就形成了杂合二倍核。这个杂合二倍核经过繁殖，就可以得到杂合二倍体。异核体自发形成杂合二倍体的频率较低，因此必须人为地提高形成杂合二倍体的频率。常用的方法有：提高异核体的培养温度，用紫外线照射异核体，用樟脑蒸气熏异核体菌丝等。,(四)染色体交换和单倍体化杂合二倍体一般是稳定的，但也有极少数杂合二倍体的细胞核在无性繁殖的细胞分裂过程中偶然发生染色体交换和单倍体化，产生很多类型的二倍体或单倍体分离子。用诱变剂处理则使得分离子的类型更多，这些分离子从表型上可以分

21、为亲本型分离子和重组型分离子两种。,杂交育种的优点：由于杂交育种选用了已知性状的供体菌和受体菌作为亲本，因此，不论在方向性还是自觉性方面，均比诱变育种前进了一大步。利用杂交育种往往还可以消除某一菌株在经过长期诱变处理后所出现的产量上升缓慢的现象，因此，它是一种重要的育种手段。,原生质体融合育种,原生质体融合育种 原生质体：植物或微生物细胞去掉壁以后的内含物称原生质体原生质体融合育种是基因重组育种的一种重要方法,原生质体融合育种步骤标记菌株的筛选和稳定性验证。原生质体制备。等量原生质体加聚乙二醇促进融合。涂布于再生培养基，再生出菌落。选择性培养基上划线生长，分离验证，挑取融合子进一步试验、保藏。

22、生产性能筛选。,原生质体融合育种的关键标记菌种的选择获得标记菌种的方法是采用常规诱变育种，筛选出营养缺陷型或和抗药性菌株。这里最重要的是标记必须稳定。采用抗药性菌株除可作标记外，在实验室中还可排除杂菌污染的干扰。为的是确证融合的成功，可以采用多标记菌种。,原生质体的制备原生质体的制备主要是在高渗压溶液中加入细胞壁分解酶，将细胞壁分离剥离，结果剩下由原生质膜包住的类似球状的细胞，它保持原细胞的一切活性。在放线菌和细菌中，制备原生质体主要采用溶菌酶；酵母和霉菌一般可用蜗牛酶或纤维素酶等。为什么要在高渗透压溶液中？,影响原生质体制备的因素菌体的前处理 为了使酶作用的效果好一些，可将菌作一些前处理。如

23、细菌加入亚抑制剂量的青霉素。菌体的培养时间 为了使细胞易于原生质体化，一般选择增殖期的菌体。酶浓度 对于不同种属的微生物，不仅对酶的种类要求不同，就是对酶的浓度也有差异。另外，最佳酶浓度还随不同的生长期的菌体而变化。,酶处理温度(2040)破壁时的pH值渗透压稳定剂 等渗透压稳定剂在原生质体制备中，不仅起到保护原生质体免于膨裂，而且还有助于酶和底物的结合，渗透压稳定剂多采用甘露醇，山梨醇，蔗糖等有机物和KCl和NaCl等无机物。,原生质体的融合,PEG40006000，30-40%CaCl2 0.05mol/L,原生质体的再生,再生培养基：渗透压稳定剂各种营养成分 影响再生的因素：菌种，原生质

24、体的制备过程，培养基成分等融合子的选择原生质体的诱变,基因工程育种,基因工程的定义：又称为重组DNA技术，是指按人们的科研或生产需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质（DNA片段），在体外切割，拼接形成重组DNA,然后将重组DNA与载体的遗传物质重新组合，再将其引入到没有该DNA的受体细胞中，进行复制和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并使之稳定地遗传给下一代。,目的基因的获得载体系统的构建与选择基因与载体的连接转化宿主细胞重组子的筛选与鉴定,菌种的退化、复壮与保藏,菌种的衰退 衰退的原因：1.菌种保藏不当2.菌种生长条件没有得到满足3.菌种天生具有的变异性,菌种的复壮：1.纯种分离 2.通过寄主体进行复壮 3.淘汰已衰退的个体,菌种保藏 1.原理 保证微生物的存活，生理活性降至最低。低温、干燥、缺氧、缺营养物质,2.方法,（1）斜面保藏法（2）沙土管保藏法（3）菌丝速冻保藏法（4）石蜡油封存法（5）冷冻干燥保藏法（6）超低温保藏法,