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ε-聚赖氨酸(ε-poly-L-lysine, ε-PL)是链霉菌(Streptomyces)合成的L-赖氨酸(L-lysine)聚合物，通常由25-35个L-赖氨酸残基组成。本研究以本课题组以亚甲基蓝(methylene blue)法分离到的1株产ε-聚赖氨酸的不吸水链霉菌(Streptomycesahygroscopicus GIM8)为实验菌株，对其合成产物进行确证，并确定其分子量和聚合度；主要研究ε-聚赖氨酸生物合成及代谢调控，包括：ε-聚赖氨酸的产生菌细胞效应研究；生物过程细胞活性研究；L-赖氨酸及D-赖氨酸对ε-聚赖氨酸生物合成影响差异研究；原位分离发酵研究；固定化细胞原位分离发酵研究；调控细胞活性的补料分批发酵研究，主要结果如下：德拉根夫(Dragendorff)试剂反应显示菌株GIM8发酵产物不同于α-聚赖氨酸；经离子交换、葡聚糖过柱等步骤获得的纯化产物RG经6mol/L HCl水解后的薄层层析表明赖氨酸(lysine)是分离纯化产物的惟一组分；经红外光谱、1H-NMR、13C-NMR和HMBC谱确证分离产物RG为ε-聚赖氨酸，因此，菌株GIM8为ε-聚赖氨酸产生菌。Tricine-SDS-PAGE电泳显示菌株GIM8生物合成的ε-聚赖氨酸分子量约为3300Da；基质辅助激光解析电离质谱(MALDI-TOF-MS)表明其聚合度主要在28-34间，可见菌株GIM8所合成ε-聚赖氨酸适合作为食品工业用防腐剂。生理条件下(pH7.0) ε-聚赖氨酸大量吸附至产生菌细胞，酸性pH4.0时极少量吸附细胞；荧光显微镜分析表明异硫氰酸荧光素(Fluorescein isothiocyanate, FITC)标记的ε-聚赖氨酸吸附至细胞表面，未进入细胞内；pH7.0时ε-聚赖氨酸对产生菌细胞具有膜破坏活性，致使膜通透性增加、细胞质膜损伤及代谢活性降低；透射电子显微镜镜(Tranmission electron microscopy, TEM)显示细胞质膜是主要作用位点；pH4.0时ε-聚赖氨酸抑制胞内物质泄漏，但仍然能使细胞活性降低，推测其进入胞内发生作用。基于ε-聚赖氨酸生物合成发生于酸性条件，而酸性条件下ε-聚赖氨酸仍显著降低合成细胞活性，研究以D152为吸附剂的原位分离发酵，显示ε-聚赖氨酸合成阶段置入树脂的原位分离发酵产率达2.86g/L，与对照的0.81g/L增长253%；将尼龙布包裹的树脂系于5L生物反应器支架上的原位分离补料分批发酵，产率从3.76g/L增长至23.4g/L。考虑到ε-聚赖氨酸生物合成强烈依赖于细胞密度以及其作为终端代谢产物和所具有的强抑菌活性，将细胞固定化及原位分离发酵技术优化整合，即采用丝瓜络为固定化材料，发酵过程以自然吸附的方式达到细胞固定的固定化发酵，以提高细胞生长量；以D152为原位分离吸附剂避免产物的抑菌活性和/或反馈抑制效应的原位分离发酵，结果显示固定化细胞原位分离发酵摇瓶产量达3.64g/L，显著高于单一的发酵技术（原位分离的2.73g/L和固定化细胞发酵的0.54g/L），且固定化细胞可重复利用3次，细胞总生产能力达8.05g/L。BacLight Live/Dead染色的共聚焦图片显示ε-聚赖氨酸发酵前期(0-12h)大部分细胞具有活性；发酵中后期(18-72h)得不到典型的BacLight图片。 CTC(5-cyano-2,3-ditolyl tetrazolium chloride)染色的共聚焦图片显示0-18h细胞代谢活性逐渐增强，后开始下降；培养至48h时，此时ε-聚赖氨酸生物合成停止，细胞仅显示微弱活性；比色法显示接种6h后细胞活性略有降低，后逐渐上升(6-18h)，ε-聚赖氨酸的合成阶段(18-24h)活性快速下降，后以较低速度持续下降，48h时，此时ε-聚赖氨酸生物合成已经终止，细胞代谢活性仅为起始活性15.9%。从产物合成及细胞活性变化可知高细胞代谢活性有利于ε-聚赖氨酸合成，基于此研究调控细胞代谢活性的发酵工艺，发现在摇瓶培养ε-聚赖氨酸合成阶段补加0.5%酵母抽提物，细胞密度、细胞活性及细胞生产力可得到显著提高；间断补加酵母抽提物的补料分批发酵，在30L生物反应器中的产率从16.3g/L增长至28.2g/L，提高73%。ε-聚赖氨酸生物合成阶段L-赖氨酸大都直接参与生物合成，从而提高产率；D-赖氨酸主要被细胞分解利用提高了细胞密度，由此生物合成得到增强，显见两对映异构体促进ε-聚赖氨酸生物合成的机制明显不同；薄层层析表明L-赖氨酸和D-赖氨酸在产生菌细胞内均不形成有毒物质尸胺(cadaverine)；液相色谱-质谱联用(LC-MS)显示L-赖氨酸在胞内分解代谢为5-氨基戊酸(5-aminovalerate)、甲基哌啶(pipecolate)及L-α-氨基已二酸(L-α-aminoadipate)；D-lysine代谢为L-α-氨基已二酸；在化学合成培养基中L-赖氨酸不是细胞适合的有机氮源；这些研究结果为以L-赖氨酸为底物生物转化法生产ε-聚赖氨酸提供了理论依据。本论文研究结果有助于提升对ε-聚赖氨酸生物合成的进一步认识，可为ε-聚赖氨酸生物过程优化及控制提供一定理论依据，为大规模工业化发酵生产ε-聚赖氨酸打下了一定的基础。