一篇文章可帮你深刻理解葡萄糖效应：生物工程师认知基础

细履平沙

本文摘要
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         二次生长，代谢流迁移，诱导失败经常是次级代谢产物生产失败的分析结论，但什么是二次生长，其产生的机理，以及如何克服呢？同样的，工业使用的糖是PTS糖还是非PTS糖，也是一个需要认真对待的问题。
        本文不仅给出了迄今为止最靠谱的解释，而且还包括了两个典型应用。赶紧晒到朋友圈吧，朋友！

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01
基础概念
分解代谢产物阻遏
1942 年, Monod 观察到大肠杆菌在两种混合碳源环境中优先利用其中容易代谢的一种，通常是葡萄糖，只有等葡萄糖耗尽后再开始利用另一种碳源, 他将其称为二次生长。
这种葡萄糖代谢对其他碳源利用的抑制作用被称为分解代谢产物阻遏，有时也称为葡萄糖效应(Glucose effect)。
不良效果
1，次级代谢产物已经开始，但是当葡萄糖添加过量时，却使次级代谢过程终止，又重新转向初级代谢，致使了发酵过程失败。
2，对使用乳糖作为诱导物的发酵系统，由于PTS糖的存在，导致诱导物起不到诱导乳糖操纵子的效果。
什么是PTS？
1964 年 , Kundig 等在大肠杆菌发现了一种新的转运并同时磷酸化糖类的系统，即：磷酸烯醇丙酮酸糖磷酸转移酶系统（PTS）。PTS转运系统能够转移磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸基团到膜外的六碳糖上，从而实现糖的磷酸化和跨膜转运的“一体化”反应。

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02
机理1：PTS的影响


EⅡA对非PTS系统的抑制
PTS  转运系统的关键酶EII，由三个结构域组成 ，分别是EIIA，EIIB和EIIC，而去磷酸化状态的EⅡA能够抑制非PTS转运系统的酶活。导致的后果是：当存在葡萄糖分子时，即使细胞外乳糖水平很高, 也不能被转运到大肠杆菌的细胞内, 进而无法作为胞内诱导物诱导乳糖操纵子的表达。
葡萄糖耗尽后，去磷酸化形式的EⅡAGlc下降，抑制作用被解除。
什么是PTS糖和非PTS糖？

在PTS糖类和non-PTS糖类共存的环境中,细菌优先利用PTS糖类作为碳源, PTS糖类耗尽时才能继续利用non-PTS糖类生长。
1、PTS糖包括：葡萄糖、甘露糖、甘露醇、果糖、纤维二糖、海藻糖、N- 乙酰葡萄糖胺、β- 葡萄糖苷等。
2、非PTS糖包括：麦芽糖、乳糖、阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、甘油、蜜二糖等。
cAMP 对分解代谢产物阻遏效应的影响
cAMP激活需要磷酸化形式的EⅡAGlc， 葡萄糖的存在导致去磷酸化状态EⅡAGlc 的减少,  因此间接导致cAMP水平下降,  进一步导致乳糖操纵子不能表达。而一旦葡萄糖耗尽，则EⅡAGlc-P得到积累，它激活腺苷酸环化酶合成cAMP。

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03
机理2：全局性转录调控
Mlc阻遏蛋白与分解代谢产物阻遏效应
在富含葡萄糖的环境， Mlc会与 EⅡBGlc 结合,  而失去了阻遏 ptsⅠ 、ptsH 、ptsG等基因表达的能力,  使葡萄糖经PTS转运进入细胞的效率明显升高,  分解代谢产物阻遏效应更加明显；当环境没有葡萄糖时, EⅡBGlc  主要呈磷酸化状态, EⅡBGlc-P  并不与 Mlc结合, 使Mlc阻遏PTS转运系统相关基因的表达,导致 PTS转运系统效率下降。
YeeⅠ与分解代谢产物阻遏效应
YeeⅠ (Mlc titration factor A)是一种全局性转录调控因子，它直接通过蛋白与蛋白之间的相互作用结合 Mlc 阻遏蛋白 , 激活参与 PTS 系统的基因转录 , 使得菌体在葡萄糖和乳糖环境中分解代谢产物阻

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04应用案例
基因重组
通过基因重组的方法，将枯草芽孢杆菌的α-淀粉酶基因整合在质粒上，然后将重组表达质粒导入枯草芽孢杆菌菌株基因组中的半乳糖苷酶基因lacZ位点，获得含有重组α-淀粉酶基因的工程菌株，该重组菌株可以克服葡萄糖等还原性糖引起的碳代谢阻遏现象，显著的提高了α-淀粉酶产量。
诱变筛选
使用葡萄糖的类似物D-2-脱氧葡萄糖作为筛选压力，对诱变菌株进行筛选，可获得解除葡萄糖代谢物阻遏效应的纤维素酶高产菌株。

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