代谢调节与发酵工程.ppt

代谢调控若干问题探讨,华东理工大学储炬,微生物的生命活动是由产能与生物合成的各种代谢途径组成的网络，互相协调来维持的。每一条途径是由一些特异的酶催化的反应组成的。许多这些反应的结果造就了一个新生的细胞。微生物要在自然界生存与竞争，就必需生长迅速，能很快适应环境。,微生物的代谢网络是受到高度调节,1)微生物生长在含有单一有机化合物为能源的合成培养基中，所有大分子单体(前体)，如氨基酸的合成速率同大分子，如蛋白质的合成速率是协调一致的。2)任何一种单体的的合成，如能从外源获得，只要它能进入细胞内，单体的合成自动中止。参与这些单体生成的酶的合成也会停止。,微生物的代谢网络是受到高度调节,3)微生物只有在某些有机基质，如乳糖存在时，才会合成异化这些基质的酶；4)如存在两种有机基质，微生物会先合成那些能异化更易利用的基质的酶，待易利用的基质耗竭才开始诱导分解较难利用基质的酶；5)养分影响生长速率，从而相应改变细胞大分子的组成，如RNA的含量,微生物的代谢网络是受到高度调节,微生物具有很强的适应环境变化的能力。它可以通过调整其代谢机能来响应环境的变化。如给予细菌不同的养分，细胞的大分子组成会起相应的变化。例如，改变培养基的成分，维持培养温度不变，可以改变鼠伤寒杆菌的生长速率，用倍增或世代时间来表示其生长速率，见表3-1。,微生物的代谢网络是受到高度调节,一种诱导酶表达控制作用的Jacob-Monod模型,代谢途径的各种调节方式,一种诱导酶表达控制作用的Jacob-Monod模型,分解代谢物阻遏的分子水平的机制,反馈阻遏在分子水平上的作用机制,反馈阻遏在分子水平上的作用机制,反馈抑制,这是一种常用于组成代谢的负向变构控制。,代谢工程,代谢工程（metabolicengineering），又称途径工程，是由美国学者BaileyJE(1991)首先提出8。他把代谢工程定义为，用重组DNA技术操纵细胞的酶运输和调节功能来改进细胞的活性。Stephanopoulos等认为，代谢工程是一种提高菌体生物量或代谢物产量的理性化方法。,研究内容,l).在微生物体内建立新的代谢途径以获得新的代谢物(如链霉菌的聚乙酮)；2)生产异源蛋白(如人体胰岛素，人血清白蛋白)；3)改进己存在的途径(如抗生素，工业酶的生产)。,研究方法,1)生理状态研究；2)代谢(物)流分析；3)代谢流控制分析；4)代谢途径热力学分析；5)动力学模型。目前代谢工程的研究工作主要集中在代谢分析上。,代谢流的研究任务,对已知途径而言，是了解生物过程环境变化时对代谢流及其分布的影响，确定流向终产物的比例；对未知途径而言，是主要途径的鉴别，副产物途径的了解以便指导遗传操作，克服微生物自身的遗传机制，去除副途径。,代谢工程可在以下几个方面得到广泛的应用：,1)改进由微生物合成的产物的得率和产率；2)扩大可利用基质的范围；3)合成对细胞而言是新的产物或全新产物；4)改进细胞的普通性能，如耐受缺氧或抑制性物质的能力；5)减少抑制性副产物的形成；6)环境工程方面；,代谢工程可在以下几个方面得到广泛的应用：,7)药物合成方面，作为中间体的手性化合物的制备；8)在医疗方面用于整体器官和组织的代谢分析；用于鉴别藉基因治疗或营养控制疾病的目标；9)信息传导途径方面，即信息流的分析，为了治疗疾病而进行基因表达的分析和调节，需了解信息流的相互作用和控制。,代谢工程,代谢工程的要素是将分析方法运用于与物流的定量化，用分子生物技术来控制物流以实现所需的遗传改造。,微生物次级代谢与调节,次级代谢产物是某些微生物在生命循环的某一个阶段产生的物质，它们一般是在产生菌生长中止后合成的。微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等。,微生物次级代谢的特征,次级代谢产物一般不在产生菌的生长期产生，而在随后的生产期形成。种类繁多，含有不寻常的化学键，如氨基糖、苯醌、香豆素、环氧化合物、麦角生物碱、吲哚衍生物、吩嗪、吡咯、喹啉、萜烯、四环类抗生素等。一种菌可以产生结构相近的一簇抗生素。例如，产黄青霉能产生至少10个具有不同特性的青霉素。,微生物次级代谢的特征,一种微生物的不同菌株可以产生多种在分子结构上完全不同的次级代谢产物，例如，灰色链霉菌不仅可以用于生产链霉素，还可用来生产白霉素、吲哚霉素、灰霉素、灰绿霉素等。不同种类的微生物也能产生同一种次级代谢产物。次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感。其合成信息的表达受环境因素调节。如对抗生素的合成需在较低的磷酸盐浓度0.110mM范围内进行，而生长能耐受的范围平均要大10倍，即.3300mM。,微生物次级代谢的特征,微生物由生长期向生产期过渡时，菌体在形态学上会发生一些变化。例如，一些产芽胞的细菌在此时会形成芽胞，真菌和放线菌会形成孢子。因此，有人把次级代谢产物的合成作用看作是细胞分化的伴随现象。微生物的次级代谢产物的合成过程是一类由多基因控制的代谢过程。这些基因不仅位于微生物的染色体中，且位于质粒中，并且染色体外的基因在次级代谢产物的合成中往往起主导作用。,生长与次级代谢产物共用的代谢中间产物,由芳香中间体合成的抗生素和其它次级代谢物,可作为次级代谢物的前体的一些中间体,化合物类型中间体短链脂肪酸乙酸，丙酸，丙二酸，甲基丙二酸，丁酸异戊二烯单位甲羟戊酸，异戊烯焦磷酸氨基酸与芳香中间体正常蛋白质氨基酸，不常见氨基酸糖与氨基糖己糖，戊糖，丁糖，经修饰的己糖、氨基糖环己醇与氨基环己醇肌醇，肌糖胺，链霉胍，2-脱氧链霉胍，放线菌胺脒基精氨酸嘌呤和嘧啶碱腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，二甲基腺嘌呤，芳香中间体与芳香氨基酸莽草酸，分枝酸，预苯酸，对氨基苯甲酸，酪氨酸，色氨酸甲基S-腺苷酰甲硫氨酸,次级代谢调控策略探讨,发酵过程前期控制发酵过程控制策略前体添加策略,发酵前期的控制,菌形的控制；原材料质量；种子质量阿维菌素，青霉素，四环素，金霉素红霉素前50小时的控制(pmv,质量),红霉素发酵趋势曲线图,混沌现象,9小时左右CER、OUR、pH和DO都有一个对应的上升或下降峰。这种峰值的高低以及峰值出现的时间，反应了发酵初期的系统特征。出现混沌现象,黄豆饼粉以碳骨架通过氨基酸代谢进入菌体，有利于红霉内酯的形成。分析进一步提出了黄豆饼粉利用的时间、利用方式和不同碳源间的竞争性利用特性。,金霉素发酵趋势曲线图,基因工程人血清白蛋白(r-HSA)趋势曲线图,发酵过程控制策略,温度往往会影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能生产金霉素，在低于30下，合成金霉素的能力较强。合成四环素的比例随温度的升高而增大，在35下只产生四环素。,发酵过程控制策略,青霉素发酵采用变温05h30，540h25，40125h20，125165h25培养比25恒温培养提高青霉素产量近15。说明通过最适温度的控制可以提高抗生素的产量，进一步挖掘生产潜力还需注意其它条件的配合。,发酵条件的影响及其控制,要想控制发酵，使其按人的意志转移，目前还不能完全办到。因影响发酵的因素实在太多。有些因素还是未知的，且其主要影响因素也会变化。,发酵条件的影响及其控制,因此了解发酵工艺条件对过程的影响和掌握菌的生理代谢和过程变化的规律，可以帮助人们有效地控制微生物的生长和生产。,发酵条件的影响及其控制,微生物发酵的生产水平取决于生产菌种的特性和发酵条件(包括培养基)。为此，了解生产菌种与环境条件，如培养基、罐温、pH、氧的供需等的相互作用，菌的生长生理，代谢规律和产物合成的代谢调控机制将会使发酵的控制从感性到理性认识的转化。,培养基对发酵的影响,许多用于生产贵重商品的培养基的配方一般都不发表，视为公司的机密。这说明发酵培养基对工业发酵生产的重要性。,培养基对发酵的影响,先进的培养基组成和细胞代谢物的分析技术加上统计优化策略和生化研究对于建立能充分支持高产、稳产和经济的发酵过程是关键的因素。,发酵条件的影响及其控制,发酵条件的影响及其控制,培养基的成分对微生物发酵产物的形成有很大的影响。每一种代谢产物有其最适的培养基配比和生产条件。,发酵条件的影响及其控制,通常，用于次级代谢物生产的复合培养基配方多半是经验性的，因对生产菌的性质及所需化合物的生物合成知道得不多。培养基配方的设计主要根据过去文献报道，并通过试验调整。表5-6若干复合原材料的成分,培养基的优化,工业发酵通常采用两种培养基，一种用于培养种子；另一种用于产物合成。前者的功能主要在于支持细胞的生长。种子培养基的优化的目标在于生长，也有着眼于产生最多的孢子。,培养基的优化,典型的培养基优化方法是每次试验只改变1个成分(一维搜索)。这种方法很快被强有力的统计学方法所取代。这些方法对新老菌种的培养基优化均很有效率。下面介绍几种优化培养基的统计数学方法：,培养基的优化,(1)布列可特博曼(Plackett-Burman)设计法(2)响应平面设计(Responsesurfacedesign)(3)均匀设计方法,发酵过程优化,发酵过程优化的实质是代谢流优化的过程。,生长能量学对产物形成的影响,如将产气气杆菌作好气碳限制恒化培养，其呼吸强度qO2(这与能量产生的速率成正比)与生长速率之间呈线性关系，但此直线不通过原点。其截矩说明，生长速率为零的情况下细胞仍消耗氧。这是维持生命的能量需求。,生长能量学对产物形成的影响,但对一活细胞维持其生存所需的能量最低是多少呢？有两个证据说明除了维持生存的需要，还存在另一种能量的溢出。,生长能量学对产物形成的影响,Neijssel等指出，在产气气杆菌的恒化培养中在碳源过量(氮、硫或磷限制的)情况下，其呼吸强度qO2与生长速率之间仍旧存在线性关系，见图5-19。,生长能量学对产物形成的影响,但在=0(将直线外推到纵坐标)下其它养分限制所得的呼吸强度比碳限制培养物都要高。,生长能量学对产物形成的影响,因很难解释生长在过量碳源的维持能量需求要比葡萄糖限制的培养物的要高，故得出这样的结论，即在这些细胞中必然存在其它类型的能量消耗反应。,能量溢出(energy-spilling),另一个试验也得出同样的结论。如产气气杆菌在一好气葡萄糖限制的恒化器中以D=0.1h-1下生长，葡萄糖被耗竭，转化为CO2和新的细胞。这种培养物有活力和稳定，维持细胞完整的能量消耗并无浪费。,能量溢出(energy-spilling),这时，如向培养液添加额外的糖，会导致氧耗与CO2的释放速率迅速增加，但生长速率并未立即增加。由此得出结论，加进去的额外糖所产生的能量必然大部分被浪费掉。,能量溢出(energy-spilling),催化这些能量溢出(energy-spilling)反应的酶是组成型的。从发酵生理的观点分析，可以区分三种能量消耗的反应：新细胞材料的净合成；维持细胞完整与存活的能量需求；能量溢出反应(不管其作用是什么)。,能量溢出(energy-spilling),有不少有用的化合物是通过能量反应产生的，如葡萄糖酸、乳酸、醋酸、乙醇、丙酮、丁醇、异丙醇等。这些产物的大多数是由发酵过程形成的(从狭义看，没有呼吸链的参与)，其余涉及呼吸作用，此两种过程的共同点是其生产都是放能反应。,能量溢出(energy-spilling),能量用于维持与能量溢出反应对产物的形成起重要的积极作用。它们消耗能量，生产所需化合物，但不会过量生产无用的细胞，尽管会产生额外的热(这是能量溢出反应的不可避免的结果)。那么，如何优化能量流的分配呢？,优化能量流的策略：,1)若干类型的生长环境，如钾的限制，导致这种不经济的能量流失。2)有些微生物在分泌产物时会诱发能量溢出反应。,优化能量流的策略：,3)向生长培养基添加一些能促进能量浪费的化合物(条件是这类化合物不会干扰下游过程或对产品质量有不利的影响)。4)可用振荡的培养条件，即原则上添加能诱导能量溢出反应的一些化合物，如在碳限制条件下突然添加额外的碳源。,基质浓度对发酵的影响及其控制,碳源浓度对产物形成的影响以酵母的Crabtree效应为例。如酵母生长在高糖浓度下，即使溶氧充足，它还会进行厌氧代谢，从葡萄糖产生乙醇。,基质浓度对发酵的影响及其控制,当葡萄糖浓度大于0.15g/L时便产生乙醇。为了阻止乙醇的形成需控制生长速率和葡萄糖浓度分别低于0.22h1和0.15g/L。在这种情况下采用补料-分批或连续培养可以避免Crabtree效应的出现。,基质浓度对发酵的影响及其控制,温度对产物合成的影响,温度还会影响生物合成的方向。例如，四环素发酵中金色链霉菌同时能生产金霉素，在低于30下，合成金霉素的能力较强。合成四环素的比例随温度的升高而增大，在35下只产生四环素。,温度对产物合成的影响,近年来发现温度对代谢有调节作用。在低温20，氨基酸合成途径的终产物对第一个酶的反馈抑制作用比在正常生长温度37的更大。故可考虑在抗生素发酵后期降低发酵温度，让蛋白质和核酸的正常合成途径关闭得早些，从而使发酵代谢转向产物合成。,发酵过程中pH变化的规律,微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH通常是不一样的。这不仅与菌种特性，也与产物的化学性质有关。如各种抗生素生物合成的最适pH如下：链霉素和红霉素为中性偏碱，6.8-7.3；金霉素、四环素为5.9-6.3;青霉素为6.5-.6.8;柠檬酸为3.5-4.0。,氧的供需对发酵的影响及其控制,在28氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有7mg/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中DO可在几分钟之内便耗竭，使DO成为限制因素。,氧的供需对发酵的影响及其控制,所谓临界氧是指不影响呼吸所允许的最低溶氧浓度。如对产物而言，便是不影响产物合成所允许的最低浓度。,CO2对发酵的影响,这将导致许多基质的跨膜运输受阻，影响了细胞膜的运输效率，使细胞处于“麻醉”状态，生长受抑制，形态发生变化。,氧的供需对发酵的影响及其控制,值得注意的是，在培养过程中并不是维持DO越高越好。即使是专性好气菌，过高的DO对生长可能不利。氧的有害作用是通过形成新生O，超氧化物基O2和过氧化物基O22，或羟基自由基OH,破坏许多细胞组分体现的。,CO2对发酵的影响,溶解在发酵液中的CO2对氨基酸，抗生素等发酵有抑制或刺激作用。,CO2对发酵的影响,CO2对细胞的作用机制是影响细胞膜的结构。溶解CO2主要作用于细胞膜的脂肪酸核心部位，而HCO3则影响磷脂，亲水头部带电荷表面及细胞膜表面上的蛋白质。当细胞膜的脂质相中CO2浓度达到一临界值时，膜的流动性及表面电荷密度发生变化。,混合效果,发酵的好坏很大程度上取决于混合的效果。有关混合与氧传质的理论请参阅Reuss的经典著作。,混合效果,使用一7L发酵罐，两种不同形式的搅拌器，3种不同的补料分批培养模式进行研究。头两种模式是在装备有6平叶涡轮式搅拌器，在罐顶或罐底补料方式；第3种补料分批培养模式是采用斜6平叶涡轮式搅拌器，罐顶补料方式。,混合效果,栅桨式(Maxblend)搅拌器,栅桨式(Maxblend)搅拌器,物理因素对发酵的影响,超声波微弱的超声波对细胞产生的破坏作用很小，能增强细胞膜的通透性，从而强化细胞的物质运输。它被广泛用于生物细胞的破碎、降解、变性与大分子共聚。它对胞内酶的生产起协同加速作用。在混合废纸的糖化与发酵期间超声波具有促进乙醇生产作用85。,物理因素对发酵的影响,超声波在庆大霉素发酵期间用超声波处理罐外循环的发酵液，结果明显促进抗生素的分泌(比未处理的提高3.8倍)，从而使总生物效价提高1.7倍86。超声波开始处理的时间与剂量对抗生素的发酵单位有影响。,物理因素对发酵的影响,微波微生物在微波处理下其自身分子会作高速运动，吸收微波能力，转化为热，出现的生物物理与生物化学变化，随后发生机体结构与机能的变化，称为生物效应。大剂量处理会导致菌的死亡。,物理因素对发酵的影响,微波采用2450MHz，127.5W的微波，从庆大霉素发酵60h开始，每隔12h一次处理40s，直到120h发酵结束，结果使庆大霉素的分泌率提高近1倍，其生物效价提高近5087。这是由于适当剂量的微波的次级效应，使菌体的膜渗透性变大，产物的反馈阻遏减轻，庆大霉素的生物合成加强所致。,物理因素对发酵的影响,磁场非均匀磁场(5.26.1特斯拉)的影响比均匀磁场的要大得多。高磁场对细菌的影响在不同生长期的效果不一样。,物理因素对发酵的影响,电流电流对活细胞的作用的研究结果说明，对细胞的电刺激作用会诱发DNA与蛋白质的合成、膜渗透性与细胞生长的变化。Nakanishi等(1998)研究了电流对酵母生长与乙醇生产的影响89。,补料的判断和依据,在谷氨酸发酵中菌的某一生长阶段的摄氧率与基质消耗速率之间存在着线性关联。据此，补料速率可藉摄氧率控制，将其控制在与基质消耗速率相等的状态。测定分批加糖过程中尾气氧浓度，可求得摄氧率(OUR),OUR与糖耗速率(qSX)之间的关系式如式5-45所示。,补料的判断和依据,KOUR/qSX耗氧量(mmolO2)/糖耗(mmol),补料的判断和依据,利用K值和摄氧率可间接估算糖耗。按反应式5-46，理论上计算可得K值为1.5。但实际上最佳K值为1.75。C6H12O61.5O2NH3C5H9O4NCO23H2O（5-46）,补料的判断和依据,图5-32显示3批谷氨酸发酵中糖浓度的控制受K值的影响。K1.51情况下糖耗估计过高，发酵罐中补糖过量；K2.16的情况下糖耗又过低；只有在K1.75的情况下加糖速率等于糖耗速率。,DO-发酵液中溶解氧浓度、OUR-菌体代谢耗氧速率、CER-二氧化碳释放速率、RQ-呼吸商-代谢途径、KLa-生物反应器中氧传递速率、pH酸碱度、菌体浓度、等40多个参数9-25小时之间RQ呈低谷状必需限制补葡萄糖,0-8小时:OUR、CER、DO、pH、RQ、F不同水平8.9小时:OUR与CER继续上升呈分枝态pH迅速上升RQ呈低谷状非葡萄糖碳源利用25小时前:必需限制补加葡萄糖速率(RGLU),发酵过程控制策略,发酵过程中pH变化的规律微生物生长阶段和产物合成阶段的最适pH通常是不一样的。这不仅与菌种特性，也与产物的化学性质有关。如各种抗生素生物合成的最适pH如下：链霉素和红霉素为中性偏碱，6.8-7.3；金霉素、四环素为5.9-6.3;青霉素为6.5-.6.8。,发酵过程控制策略,pH的变化会影响各种酶活、菌对基质的利用速率和细胞的结构，从而影响菌的生长和产物的合成。pH值还会影响菌体细胞膜电荷状况，引起膜渗透性的变化，从而影响菌对养分的吸收和代谢产物的分泌。,发酵过程控制策略,溶解在发酵液中的CO2对氨基酸，抗生素等发酵有抑制或刺激作用。大多数微生物适应低CO2浓度(0.02-0.04%v/v)。当尾气CO2浓度高于4时微生物的糖代谢与呼吸速率下降；当CO2分压为0.08105Pa时，青霉素比合成速率降低40。因此，即使供氧已足够，还应考虑通气量，需降低发酵液中CO2的浓度。,发酵过程控制策略,工业发酵罐中CO2的影响值得注意，因罐内的CO2分压是液体深度的函数。在10M高的罐中，在1.01105Pa的气压下操作，底部的CO2分压是顶部的两倍。为了排除CO2的影响，需综合考虑CO2在发酵液中的溶解度、温度和通气状况。,发酵过程控制策略,RQ值可以反映菌的代谢情况，如酵母培养过程中RQ=1,表示糖代谢走有氧分解代谢途径，仅供生长，无产物形成；如RQ1.1，表示走EMP途径，生成乙醇；RQ=0.93,生成柠檬酸；RQ0.7,表示生成的乙醇被当作基质再利用。,发酵过程控制策略,菌在利用不同基质时，其RQ值也不同。如大肠杆菌以各种化合物为基质时的RQ值见下表。,发酵过程控制策略,发酵过程控制策略,在实际生产中测得的RQ值明显低于理论值，说明过程中存在着不完全氧化的中间代谢物和葡萄糖以外的碳源。如油的存在(它的不饱和与还原性)使RQ值远低于葡萄糖为唯一碳源的RQ值，在0.50.7范围，并随葡萄糖与油量之比波动。,发酵过程控制策略,如在生长期提高油与葡萄糖量之比(O/G),维持加入总碳量不变，结果，OUR和CER上升速度减慢；且菌浓增加也慢；若降低O/G，则OUR和CER快速上升，菌浓迅速增加。这说明葡萄糖有利于生长，油不利于生长。由此得知，油的加入主要用于控制生长，并作为维持和产物合成的碳源。,发酵过程控制策略,在分批发酵中糖量过会多造成细胞生长过旺，供氧不足。解决这个问题可在过程中加糖和补料。补料的作用是及时供给菌合成产物的需要。对酵母生产，过程补料可避免因crabtree效应引起的乙醇的形成，导致发酵周期的延长和产率降低。通过补料控制可调节菌的呼吸，以免过程受氧的限制。,发酵过程控制策略,补糖速率的最佳点与KLa有关。KLa大的(=400h-1)，补糖速率也需相应加大，结果生产水平也会相应提高，见曲线a。供氧能力差的设备，其补料速率也相应减小，才能达到这一设备的最高生产水平，但其最高发酵单位要比供氧好的设备低23。,发酵过程控制策略,发酵过程控制策略,补料时机的判断对发酵成败也很重要，时机未掌握好会弄巧成拙。那么，究竟以什么作依据更有效和安全？有用菌的形态，发酵液中糖浓度，DO浓度，尾气中的氧和CO2含量，摄氧率或呼吸商的变化作为依据。不同的发酵品种有不同的依据。一般以发酵液中的残糖浓度为指标，对次级代谢产物，还原糖浓度一般控制在5g/L左右的水平。,发酵过程控制策略,青霉素发酵是补料系统用于次级代谢物生产的范例。在分批发酵中总菌量、粘度和氧的需求一直在增加，直到氧受到限制。据此，可通过补料速率的调节来控制比生长速率和氧耗，使菌处于半饥饿状态，以使发酵液有足够的氧，从而达到高产目标。,发酵过程控制策略,在青霉素发酵中加糖会引起尾气CO2含量的增加和发酵液的pH下降，见下图。这是由于糖被利用产生有机酸和CO2，并溶于水中，而使发酵液的pH下降。糖、CO2、pH三者的相关性可作为青霉素工业生产上补料控制的参数。尾气CO2的变化比pH更为敏感。故可测定尾气CO2的释放率来控制加糖速度。,发酵过程控制策略,发酵过程控制策略,Takagi等(1998)在头孢菌素C发酵中通过测定CO2的生成速率来调节补糖速率，从而控制细胞的生长。CER可以作为糖耗速率与生长速率的有效参数。据此，他们提出了一种控制生长策略，用于通过补糖速率，使CER按预设的标准轨迹进行。,前体的限制性,前体常常是次级代谢物生物合成的限制因素。如在发酵过程中加入苯乙酸可强烈地促进苄青霉素的生产；丙酸或丙醇促进大环内酯抗生素的生物合成。肽类抗生素的形成中非蛋白的氨基酸成分通常是限制因素。如粘菌素的生物合成受-氨基丁酸和,-二氨基丁酸的限制；杆菌肽的生产受鸟氨酸的限制.,前体的限制性,乙酰CoA的缺少会限制四环素的生产。金黄色链霉菌的低产菌株的特征是乙酰CoA倾向于走三羧酸循环而被氧化；高产菌株没有这一倾向。Streptomycesnourseivarpolifungini合成制霉菌素的能力的提高与其前体，丙二酸和甲基丙二酸合成的增加有关。,前体的限制性,前体物资可能不能被细胞吸收。不能被运送到次级代谢产物合成的部位。添加的物质不是次级代谢产物合成过程起限定作用的物质。,添加前体的策略,外源前体在发酵液中的残留浓度过高，会使生产菌中毒，不利于抗生素的合成。但前体不足也不行。因此，研究适当的前体添加策略对有些抗生素的高产稳产有重要意义。,次级代谢物的生物合成,一旦前体被合成，它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径。在某些情况下单体结构单位被聚合，形成聚合物，如聚酮化物，寡肽和聚醚类抗生素等。这些特有的生物合成中间产物需作后几步的结构修饰。修饰的深度取决于产生菌的生理条件。最后，有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的。,次级代谢物的生物合成,把前体引入次级代谢物生物合成的专用途径了解这方面所涉及的生物合成酶的知识很重要。这种专用途径的第一个酶特别