新一代發(fā)酵工程技術(shù)

目錄
第1章 緒論 1
1.1 發(fā)酵工程基本內(nèi)容和發(fā)展歷史 1
1.1.1 天然發(fā)酵階段—以食品作為主要目標(biāo)產(chǎn)品的發(fā)酵（1680年以前） 2
1.1.2 純種培養(yǎng)發(fā)酵階段—從生活資料向生產(chǎn)資料的轉(zhuǎn)變（1680～1928年） 3
1.1.3 從厭氧發(fā)酵到好氧發(fā)酵—發(fā)酵工程目標(biāo)產(chǎn)物的拓展（1929～1940年） 4
1.1.4 從自然篩選到定向選擇—發(fā)酵工程技術(shù)水平的不斷提升（1940～1980年） 4
1.2 20世紀(jì)80年代后的發(fā)酵工程技術(shù) 5
1.2.1 菌種選育—從誘變篩選到代謝工程改造與優(yōu)化 6
1.2.2 過程控制—從離線控制到在線精準(zhǔn)控制 7
1.2.3 分離技術(shù)—全流程綠色環(huán)保的下游技術(shù) 7
1.2.4 發(fā)酵工程對其他行業(yè)的支撐作用 8
1.3 新一代發(fā)酵工程技術(shù) 14
1.3.1 21世紀(jì)人類發(fā)展面臨的主要問題 14
1.3.2 新一代發(fā)酵工程的支撐技術(shù) 19
1.3.3 新一代發(fā)酵工程技術(shù)的主要研究內(nèi)容 22
1.3.4 新一代發(fā)酵工程技術(shù)安全性與倫理問題 26
1.3.5 工業(yè)生物技術(shù) 28
參考文獻(xiàn) 29
第2章 發(fā)酵微生物菌種高通量篩選技術(shù) 31
2.1 發(fā)酵微生物選育技術(shù)概述 31
2.1.1 工業(yè)發(fā)酵過程的關(guān)鍵問題 31
2.1.2 高通量篩選技術(shù) 32
2.2 微生物菌種多樣性的獲得 33
2.2.1 物理誘變 33
2.2.2 化學(xué)誘變 34
2.2.3 適應(yīng)性進(jìn)化 34
2.2.4 基因工程改造 35
2.3 目標(biāo)產(chǎn)物的快速定量方法 37
2.3.1 紫外-可見光光譜檢測模型 37
2.3.2 熒光光譜檢測模型 38
2.3.3 基于電化學(xué)傳感器的篩選模型 39
2.3.4 基于生物傳感器的熒光光譜檢測模型 40
2.3.5 基于拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜和近紅外光譜的檢測模型 41
2.4 基于多孔板的高通量篩選技術(shù)及應(yīng)用實例 42
2.4.1 基于多孔板高通量篩選系統(tǒng)流程的構(gòu)建 42
2.4.2 應(yīng)用實例1：高產(chǎn)α -酮戊二酸解脂亞洛酵母菌株的篩選 43
2.4.3 應(yīng)用實例2：定向進(jìn)化酪氨酸酚裂解酶強化全細(xì)胞催化合成左旋多巴 54
2.5 基于流式分選和多孔板篩選的高通量篩選技術(shù)及應(yīng)用實例 63
2.5.1 基于流式分選和多孔板篩選的高通量篩選系統(tǒng)流程的構(gòu)建 63
2.5.2 應(yīng)用實例1：高產(chǎn)阿維菌素的阿維鏈霉菌的篩選 65
2.5.3 應(yīng)用實例2：高產(chǎn)紅曲色素的紫紅曲霉的篩選 75
2.5.4 應(yīng)用實例3：基于梯度強度啟動子-5'-UTR及定向進(jìn)化強化大腸桿菌合成柚皮素 83
2.6 基于微流控和流式分選的高通量篩選技術(shù) 95
2.6.1 基于微流控和流式分選的高通量篩選系統(tǒng)流程的構(gòu)建 95
2.6.2 應(yīng)用pH感應(yīng)器篩選強化丙酮酸的生產(chǎn) 97
2.7 工業(yè)發(fā)酵微生物菌種高通量篩選技術(shù)展望 110
參考文獻(xiàn) 112
第3章 基因快速編輯組裝與表達(dá)調(diào)控技術(shù) 114
3.1 微生物細(xì)胞基因工程改造技術(shù)概述 114
3.1.1 基因工程技術(shù) 115
3.1.2 基因工程的發(fā)展歷程 115
3.1.3 基因工程技術(shù)的開發(fā) 116
3.2 DNA體外快速編輯技術(shù) 118
3.2.1 易錯PCR 118
3.2.2 DNA改組 120
3.2.3 RECODE 122
3.3 高效DNA無縫組裝技術(shù) 127
3.3.1 Golden Gate組裝 127
3.3.2 Gibson組裝 128
3.3.3 DATEL組裝 130
3.4 基于質(zhì)粒系統(tǒng)的基因表達(dá)技術(shù) 133
3.4.1 質(zhì)粒簡介與分類 133
3.4.2 質(zhì)粒的數(shù)據(jù)庫與繪制軟件 133
3.4.3 質(zhì)粒表達(dá)系統(tǒng)在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 134
3.4.4 新型質(zhì)粒表達(dá)系統(tǒng) 135
3.4.5 未來質(zhì)粒表達(dá)系統(tǒng)的展望 139
3.5 基因敲除與基因整合技術(shù) 140
3.5.1 基因組改造 140
3.5.2 基因重組方式 140
3.5.3 基因敲除與整合技術(shù) 141
3.6 基因的表達(dá)調(diào)控技術(shù) 146
3.6.1 乳糖操縱子調(diào)控模型 147
3.6.2 細(xì)菌sRNA在表達(dá)調(diào)控中的應(yīng)用 148
3.6.3 MS-DOS調(diào)控系統(tǒng) 151
3.6.4 CRISPR/dCas9調(diào)控系統(tǒng) 155
3.7 基因組精簡與基因組人工合成技術(shù) 157
3.7.1 基因組精簡策略 158
3.7.2 人工合成基因組 160
3.8 本章小結(jié) 163
參考文獻(xiàn) 164
第4章 微生物細(xì)胞系統(tǒng)改造與精準(zhǔn)調(diào)控 166
4.1 微生物細(xì)胞代謝過程及其調(diào)控機制 166
4.1.1 微生物細(xì)胞代謝過程概述 166
4.1.2 碳吸收與分解代謝的調(diào)控 167
4.1.3 中心碳代謝途徑及其調(diào)控 167
4.1.4 能量代謝的調(diào)控 170
4.1.5 氮吸收與代謝的調(diào)控 171
4.1.6 氨基酸的攝取與代謝的調(diào)控 172
4.1.7 蛋白質(zhì)合成的調(diào)控 173
4.2 微生物代謝過程的經(jīng)典調(diào)控策略 174
4.2.1 微生物代謝經(jīng)典調(diào)控策略概述 174
4.2.2 理性代謝工程 174
4.2.3 反向代謝工程 177
4.2.4 進(jìn)化工程 178
4.3 微生物代謝過程的靜態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控 179
4.3.1 代謝過程靜態(tài)調(diào)控策略簡介 179
4.3.2 基于啟動子工程的精準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)控 180
4.3.3 基于核糖體結(jié)合序列文庫的精準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)控 181
4.3.4 基于蛋白支架自組裝的精準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)控 182
4.3.5 模塊化工程 183
4.4 微生物代謝過程的動態(tài)調(diào)控 185
4.4.1 代謝過程動態(tài)調(diào)控策略簡介 185
4.4.2 基于響應(yīng)外源添加誘導(dǎo)物的動態(tài)調(diào)控策略 186
4.4.3 基于響應(yīng)細(xì)胞自身中間代謝物濃度的動態(tài)調(diào)控策略 186
4.4.4 基于特殊元件或響應(yīng)特殊條件的動態(tài)調(diào)控策略 187
4.4.5 基于打開-關(guān)閉邏輯的兩段式以及基于雙向響應(yīng)元件往復(fù)式邏輯的動態(tài)調(diào)控策略 189
4.5 微生物代謝過程的能量代謝與輔因子調(diào)控策略 190
4.5.1 能量代謝與輔因子調(diào)控的重要性 190
4.5.2 調(diào)整碳源種類及改造碳源吸收途徑以調(diào)控ATP的供給 191
4.5.3 控制pH以調(diào)控ATP的供給 191
4.5.4 調(diào)控呼吸鏈反應(yīng)強度調(diào)節(jié)ATP的供給 192
4.5.5 代謝工程改造調(diào)節(jié)ATP的合成或消耗途徑 192
4.5.6 調(diào)控消耗ATP的無效循環(huán)提高化學(xué)品合成效率 192
4.5.7 使用NADP(H)非依賴性反應(yīng)維持細(xì)胞內(nèi)輔因子平衡 193
4.5.8 合理的途徑設(shè)計維持輔因子平衡 194
4.6 基于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微生物細(xì)胞精準(zhǔn)調(diào)控 195
4.6.1 基于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微生物代謝調(diào)控概述 195
4.6.2 線粒體工程 196
4.6.3 過氧化物酶體工程 198
4.6.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體工程 200
4.7 生物信息學(xué)策略指導(dǎo)的微生物細(xì)胞系統(tǒng)改造 201
4.7.1 生物信息學(xué)對微生物細(xì)胞系統(tǒng)改造的重要性 201
4.7.2 基于組學(xué)的微生物細(xì)胞系統(tǒng)改造 201
4.7.3 基因規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)模型 204
參考文獻(xiàn) 206
第5章 微型反應(yīng)器與組合優(yōu)化技術(shù) 209
5.1 發(fā)酵過程優(yōu)化的復(fù)雜性與微型反應(yīng)器技術(shù) 210
5.2 微型生物反應(yīng)器技術(shù) 215
5.2.1 微型生物反應(yīng)器的類型 215
5.2.2 微型生物反應(yīng)器技術(shù)簡介 217
5.3 微型生物反應(yīng)器流體力學(xué)分析方法 222
5.3.1 攪拌式微型生物反應(yīng)器的流體力學(xué)特性 222
5.3.2 攪拌式微型生物反應(yīng)器能量耗散速率的測量與模擬 226
5.3.3 振蕩型微型生物反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)特性 227
5.3.4 振蕩型微型生物反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)研究 230
5.4 基于微型生物反應(yīng)器的發(fā)酵條件組合優(yōu)化技術(shù) 231
5.4.1 實驗設(shè)計 232
5.4.2 實驗設(shè)計軟件與微型反應(yīng)器系統(tǒng)整合 234
5.4.3 發(fā)酵條件組合優(yōu)化實例 235
5.4.4 其他基于微型反應(yīng)器的發(fā)酵條件優(yōu)化方法 236
5.5 微型生物反應(yīng)器支撐的發(fā)酵過程放大技術(shù) 237
5.5.1 發(fā)酵過程的放大和縮小 237
5.5.2 基于微型反應(yīng)器的發(fā)酵工藝放大 239
5.5.3 微型反應(yīng)器的發(fā)展方向 241
參考文獻(xiàn) 242
第6章 基于多參數(shù)檢測分析與組學(xué)技術(shù)的發(fā)酵過程實時動態(tài)優(yōu)化與控制 245
6.1 發(fā)酵過程中的過程參數(shù)的檢測方法 246
6.1.1 物理參數(shù) 247
6.1.2 化學(xué)參數(shù) 247
6.1.3 生物參數(shù) 250
6.2 基于多參數(shù)過程分析技術(shù)的發(fā)酵過程實時與動態(tài)優(yōu)化 253
6.2.1 傳統(tǒng)發(fā)酵過程控制與優(yōu)化技術(shù) 253
6.2.2 發(fā)酵過程控制與優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展與趨勢 255
6.2.3 基于PAT平臺優(yōu)化糖基化畢赤酵母產(chǎn)人類干擾素α2b的發(fā)酵過程 259
6.3 基于代謝物組學(xué)分析的發(fā)酵過程優(yōu)化技術(shù) 263
6.3.1 代謝物組學(xué)及其相關(guān)技術(shù) 264
6.3.2 基于代謝物組學(xué)分析的丙酸發(fā)酵過程優(yōu)化 265
6.3.3 小結(jié) 272
6.4 基于過程分析技術(shù)的發(fā)酵過程自動控制 272
6.4.1 發(fā)酵過程檢測的轉(zhuǎn)變：從點源數(shù)據(jù)到面源數(shù)據(jù) 272
6.4.2 發(fā)酵過程控制：從結(jié)果控制到過程控制 275
6.4.3 發(fā)酵過程監(jiān)控：從兩端化的監(jiān)控到過程預(yù)警 282
6.4.4 發(fā)酵過程持續(xù)改進(jìn)：從產(chǎn)品保證到產(chǎn)品提升 286
參考文獻(xiàn) 288
第7章 發(fā)酵產(chǎn)品的聯(lián)產(chǎn)技術(shù) 291
7.1 發(fā)酵產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)的必要性 291
7.2 解脂亞洛酵母聯(lián)產(chǎn)α-酮戊二酸和丙酮酸 293
7.2.1 α-酮戊二酸和丙酮酸的應(yīng)用 293
7.2.2 α-酮戊二酸和丙酮酸的生產(chǎn)方法 294
7.2.3 解脂亞洛酵母聯(lián)產(chǎn)α-酮戊二酸和丙酮酸的必要性 295
7.2.4 解脂亞洛酵母聯(lián)產(chǎn)α-酮戊二酸和丙酮酸的基因工程改造 297
7.2.5 解脂亞洛酵母聯(lián)產(chǎn)α-酮戊二酸和丙酮酸發(fā)酵過程優(yōu)化 302
7.2.6 α-酮戊二酸和丙酮酸聯(lián)產(chǎn)的耦合分離提取 311
7.3 鈍齒棒桿菌聯(lián)產(chǎn)L-精氨酸和聚-β-羥基丁酸酯 320
7.3.1 L-精氨酸與聚-β-羥基丁酸酯的應(yīng)用 320
7.3.2 L-精氨酸與聚-β-羥基丁酸酯的生產(chǎn)方法 321
7.3.3 聯(lián)產(chǎn)L-精氨酸與聚-β-羥基丁酸酯的鈍齒棒桿菌的構(gòu)建及調(diào)控 323
7.3.4 重組鈍齒棒桿菌聯(lián)產(chǎn)L-精氨酸與聚-β-羥基丁酸酯的過程優(yōu)化 326
7.3.5 聯(lián)產(chǎn)L-精氨酸和聚-β-羥基丁酸酯的分離提取 328
7.4 丙酸桿菌聯(lián)產(chǎn)丙酸和維生素B12 328
7.4.1 丙酸桿菌屬細(xì)菌的表征及應(yīng)用 328
7.4.2 丙酸的生物合成 330
7.4.3 丙酸桿菌中丙酸生物合成途徑的調(diào)控 332<>