纳他霉素生物合成的代谢调控

纳他霉素（也称匹马菌素）是由放线菌产生的一种多烯类大环内酯抗生素，具有低剂量、高效率、无臭无味、适用pH范围广、专一性好和安全性高等特点，不仅能够与膜上麦角固醇发生特异性作用来抑制真菌的生长，还能够有效地抑制真菌毒素的形成。因此，纳他霉素已被世界上大多数国家批准作为食品防腐剂应用于食品防腐领域，且不影响食品的自然成熟过程，如用于红酒、酸奶、生火腿、香肠和奶酪等；纳他霉素也被用于医疗领域和农业领域，用于治疗真菌感染和真菌污染等。纳他霉素的生物合成由PKSⅠ类聚酮合酶催化完成，合成过程受到多种因素的影响，如菌体密度、外界环境和信号分子等。近年来国内外市场对于纳他霉素的需求量一直在持续增长，目前的产能逐渐不能满足市场的需求。因此，国内外很多研究者采用菌株选育、发酵培养基和发酵工艺的优化等方法提高纳他霉素的产量，虽然收到一定的效果，但由于常规发酵的纳他霉素的产量较低，工业化生产进展缓慢，导致其价格相对较高，目前其主要集中应用于高附加值的食品中。
作者在国家自然科学基金的支持下，多年来一直从事纳他霉素的菌株选育和代谢调控方面的科学研究，并积累了一定的科研成果。本书正是围绕提高纳他霉素的发酵产量展开，主要内容包括纳他霉素生物合成过程的真菌诱导子调控、支链氨基酸调控、大孔树脂吸附耦合调控和优良菌株的选育与发酵条件优化等。可为纳他霉素或其他微生物次级代谢产物相关的研究和生产人员提供研究思路和技术指导。
本书是在国家自然科学基金和河南科技大学青年学术带头人基金资助下完成的。编写过程中得到化学工业出版社的大力支持和热情帮助，谨在此表示衷心的感谢。同时，我要深深地感谢江南大学硕士研究生史强，以及我的研究生韦兰兰、张颖、郑迎莹、沈文浩和王梦洋，他们为本书成稿付出了艰辛的劳动，正是他们的倾力协助和一贯支持，本书才得以完成。
由于时间仓促、资料有限，以及在研究过程中可能出现误差，书中难免存在错误与不妥之处，敬请读者谅解，并提出宝贵意见。

王大红
于河南科技大学
2020年7月

纳他霉素主要应用于食品、医疗、农业等领域，是国际公认的高效、安全的抗真菌生物防腐剂。纳他霉素的主要生产方式为微生物合成，本书的主要内容即围绕提高纳他霉素的发酵产量展开，包括纳他霉素生物合成过程中的真菌诱导子调控、支链氨基酸调控、大孔树脂吸附耦合调控和优良菌株的选育与发酵条件优化等。
本书可为纳他霉素或其他微生物次级代谢产物相关的研究和生产人员提供研究思路和技术指导。

第一章概述
第一节纳他霉素的概述1
一、纳他霉素的发现1
二、纳他霉素的化学结构与理化性质1
三、纳他霉素的抑菌机理2
四、纳他霉素的抑菌特点3
五、纳他霉素的应用3
第二节纳他霉素的生物合成和代谢调控4
一、纳他霉素的产生菌株4
二、纳他霉素的生物合成途径5
三、纳他霉素的代谢工程和半合成衍生物10
四、代谢调控机制12
第三节纳他霉素产量提高的方式、提取和检测17
一、纳他霉素产量提高的方法17
二、纳他霉素分离提取概况22
三、纳他霉素的检测22
第四节展望23

第二章促进纳他霉素生物合成的真菌诱导子筛选和鉴定
第一节真菌诱导子概述26
一、真菌诱导子的定义26
二、真菌诱导子的应用26
第二节促进纳他霉素合成的真菌诱导子筛选28
一、纳塔尔链霉菌及真菌培养特征的测定28
二、固定化酿酒酵母与纳塔尔链霉菌共培养34
三、真菌制备产物对纳他霉素合成的影响37
第三节真菌诱导子有效成分的分离与鉴定42
一、真菌诱导子有效成分的稳定性研究42
二、产黄青霉制备物中诱导子的分离44
三、真菌诱导子的化学结构研究47

第三章真菌诱导子对S.natalensis HW-2的影响
第一节真菌诱导子对S.natalensis HW-2的生理生化的影响55
一、真菌诱导子添加工艺的优化55
二、真菌诱导子对S.natalensis HW-2菌落和菌丝形态影响56
三、真菌诱导子对纳他霉素发酵过程的影响58
四、真菌诱导子对胞内ROS的影响58
五、真菌诱导子对胞内Ca2+含量的影响59
六、真菌诱导子对关键酶活的影响60
第二节真菌诱导子对S.natalensis HW-2转录水平的影响61
一、取样时间的确定62
二、RNA的提取与质检62
三、基因水平表达定量64
四、差异表达基因分析统计64
五、差异基因的GO功能注释66
六、差异基因的KEGG代谢通路分析68
七、GO富集和Pathway富集分析70
八、转录组测序的qRT-PCR验证77

第四章支链氨基酸对纳他霉素生物合成的影响
第一节支链氨基酸概述80
一、支链氨基酸的定义80
二、支链氨基酸在抗生素发酵中的应用80
三、支链氨基酸的作用机理80
第二节支链氨基酸对纳他霉素生物合成的影响81
一、支链氨基酸对纳他霉素产量的影响81
二、缬氨酸添加时间的优化82
三、缬氨酸对S.natalensis HW-2发酵过程的影响83
四、缬氨酸对糖酵解的影响84
五、缬氨酸对三羧酸循环的影响86
六、缬氨酸对胞外短链脂肪酸前体的影响87
七、缬氨酸对乙酰辅酶A生成的影响88
第三节L-缬氨酸对S.natalensis HW-2转录水平的影响89
一、取样时间确定90
二、原始数据质量评估90
三、差异基因表达分析统计92
四、GO富集分析92
五、KEGG富集分析95
六、qRT-PCR验证103
七、总结105

第五章纳他霉素原位吸附及发酵工艺优化
第一节大孔树脂吸附动力学和原位吸附工艺106
一、大孔树脂含水量测定106
二、树脂的吸附与解吸107
三、大孔树脂原位发酵工艺的优化110
第二节发酵培养基和发酵工艺优化111
一、发酵培养基优化111
二、响应面法优化发酵培养基组成117

第六章纳他霉素高产菌株的选育
第一节纳他霉素生产菌株的诱变122
一、纳塔尔链霉菌的诱变122
二、突变菌株的发酵过程曲线128
第二节差异菌株的转录组学分析129
一、测序数据质量评估130
二、基因水平表达分析131
三、差异基因表达分析134
四、突变菌株的主要代谢通路的变化141
五、qRT-PCR验证144

参考文献