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纳他霉素高产菌株的构建及其发酵工艺优化
纳他霉素是一种天然产生的抗生素，具有广泛的抗菌谱，特别是对耐药菌有良好的杀菌效果，因此在医学领域中具有重要的地位。本文将讨论如何构建高产的纳他霉素菌株并优化其发酵工艺。
一、纳他霉素的生物合成途径
纳他霉素是由钙菌属（Streptomycesnatalensis）产生的具有广谱抗菌活性的大环内酯类抗生素。纳他霉素结构复杂，由8-羟基-NSI-三糖（8-OH-NSI-trisaccharide）、烟酰胺、胺基乙酸组成，是一种二十八元环大环内酯类抗生素，它与异丙基搏多菌素、波多黎各霉素、志贺菌霉素等并列为强效大环内酯类抗生素之一。
纳他霉素的生物合成途径相对较为复杂，涉及不同的代谢途径和关键酶的参与。纳他霉素的生物合成途径主要分为三个阶段：第一阶段为合成糖基的过程，需要6个酶参与；第二阶段为合成丙酰辅酶A的过程，需要9个酶参与；第三阶段为合成纳他霉素的过程，需要13个酶参与。其中，重要的酶有：NSD-7424、NSD-7425、NSD-7426、NSD-7427、NSD-7428、NSD-7430、NSD-7436、NSD-7437、NSD-7438、NSD-7443、NSD-7444、NSD-7445和NSD-7446等。
二、纳他霉素高产菌株的构建
钙菌属是纳他霉素的天然产生菌株，因此最初的思路是从钙菌属中筛选出高产纳他霉素的菌株。但长期以来的研究表明，由于纳他霉素具有复杂的合成途径和调节机制，仅仅通过从自然环境中筛选高产菌株往往是不可行的。因此，实现高效纳他霉素的生产需要从多方面进行研究，如构建高产菌株、优化发酵工艺、调节代谢途径等。
1.构建高产菌株的基因工程方法
在纳他霉素的生物合成途径中，多个关键酶的活性水平都会影响纳他霉素的合成量。因此，利用基因工程方法对这些关键酶进行改造，或者调控其表达量都可以提高纳他霉素产量。
（1）通过基因突变选择高产菌株
传统的筛选高产菌株的方法是通过自然变异和筛选的方式进行。其中，利用化学诱变剂或电子束辐照等方法诱发突变，再通过高通量筛选技术寻找高产菌株。但这种方法需要费时费力，而且效率不高，所得到的高产菌株往往具有一定的不稳定性，这也往往限制了产量的提高。
因此，一个比较可行的方法是利用表达纳他霉素生物合成途径关键酶的重组菌株，通过遗传学手段改造关键酶的结构和表达水平，来实现纳他霉素生产的优化。例如，可以利用基因删减、基因重组、各种转录调控元件、人工合成的调控子等方式对生物合成途径中关键酶进行改造，从而提高其活性和表达水平。
（2）利用代谢工程方法改善生物合成途径
代谢工程方法可以通过菌株表达新的代谢途径或调节原有的代谢途径来达到提高纳他霉素产量的目的。例如，可以通过调节碳源的供应量和质量、添加品、调控能量代谢途径等方式，来调节生物合成途径中关键酶的活性和表达水平，从而实现纳他霉素产量的提高。
2.转录组学和代谢组学的应用
近年来，研究人员通过转录组学和代谢组学的技术手段，对高产纳他霉素的菌株进行了深入的研究。通过分析不同生长阶段下菌株的基因表达情况和代谢物组成，鉴定了不少与纳他霉素生物合成相关的基因和代谢物。
例如，通过对钙菌属进行全基因组序列分析和功能注释，发现了多个与纳他霉素合成途径相关的基因和蛋白质。利用这些信息，可以深入了解生物合成过程的机制，并通过基因工程等方法改造关键蛋白质的结构和表达，实现纳他霉素产量的提高。
三、纳他霉素的发酵工艺优化
纳他霉素发酵工艺的优化对于生产高质量高产量纳他霉素具有重要意义。在发酵过程中，需要优化控制好温度、pH、气体流量速率、营养成分和培养基公式等多个因素。
1.选择合适的菌株
根据纳他霉素的生物合成机制，选择合适的菌株是提高纳他霉素生产的前提。通过高通量筛选等方法选出高产菌株，并将其应用到实际生产过程中，可以使得纳他霉素的产量大幅提高。
2.控制发酵过程中的重要因素
温度和pH值是纳他霉素发酵过程中的两个重要调节因素。具体来说，温度需要在28到32摄氏度之间控制，pH则需要在6.5到7.2之间控制。此外，气体流量速率、营养成分和培养基配方也需要考虑到对纳他霉素生产的影响。
3.优化固态发酵工艺
固态发酵工艺是针对纳他霉素生产工艺中出现的诸多问题而提出的一种新的工艺策略。传统的发酵过程中，需要进行连续搅拌和通气，以保持培养基的均匀松散，从而保证菌株的充分发酵。而固态发酵工艺则取消了这些繁琐的操作，通过使培养基保持液态状态，进一步加快培养过程，从而能够有效地减少发酵时间，并提高纳他霉素的产量。
四、结论
纳他霉素作为一种强效的抗生素，在医学领域中具有广泛的应用前景。但是纳他霉素的生产过程相对较为复杂，需要从多个方面进行研究，才能提高其产量。因此，通过构建高产菌株和优化发酵工艺，是提高纳他霉素生产量的主要手段