张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 微生物生物工程基本理论的探索 张星元 无锡轻工大学生物工程学院江苏无锡214036 摘要:工业发酵是微生物群体活动的动态过程。此过程靠如下三 种流动来维系,即伴随能量形式的转换而发生的电子流动、伴随 异化和同化作用而发生的物质流动以及伴随不同水平上的代谢调 节而发生的信息流动。在分析以上三种流动的运行规律和工业发 酵大量信息的基础上,运用归纳逻辑的方法提出了关于微生物生 物工程的三个基本假说,即生物能支撑假说、代谢网络假说和细 胞经济假说。如果这些假说成立,就有可能对工业发酵的微生物 代谢进行导向。从而形成由三个假说和三个推理组成的微生物生 物工程(工业发酵)基本理论 关键词:生物能支撑假说;代谢网络假说;细胞经济假说;发酵 原理;代谢工程;微生物生物工程 Explorations of Basic theory of Microbial biotechnolog Zhang (School of Biotechnology, Wuxi University of Light Industry, Wuxi 214036, China) Abstract: Industrial fermentation is the processes in which microbial population functions. Those processes are supported and maintained by the three kinds of flows: o the electron flows which operate along with energy-form transformation, the metabolite flows which operate along with dissimilation and assimilation, O the information flows which operate along with the metabolic regulations in different levels. On the basis of the analysis of the operation rules of above three kinds of flows and the generalization of a great deal of information of industrial fermentation, the three basic hypothesis of industrial fermentation(microbial biotechnology) are developed as 无锡轻工大学 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 1 1 微生物生物工程基本理论的探索 张 星 元 （无锡轻工大学生物工程学院 江苏无锡 214036） 摘要：工业发酵是微生物群体活动的动态过程。此过程靠如下三 种流动来维系，即伴随能量形式的转换而发生的电子流动、伴随 异化和同化作用而发生的物质流动以及伴随不同水平上的代谢调 节而发生的信息流动。在分析以上三种流动的运行规律和工业发 酵大量信息的基础上，运用归纳逻辑的方法提出了关于微生物生 物工程的三个基本假说，即生物能支撑假说、代谢网络假说和细 胞经济假说。如果这些假说成立，就有可能对工业发酵的微生物 代谢进行导向。从而形成由三个假说和三个推理组成的微生物生 物工程（工业发酵）基本理论。 关键词：生物能支撑假说；代谢网络假说；细胞经济假说；发酵 原理；代谢工程；微生物生物工程 Explorations of Basic Theory of Microbial Biotechnology Zhang Xingyuan (School of Biotechnology, Wuxi University of Light Industry, Wuxi 214036, China) Abstract ： Industrial fermentation is the processes in which microbial population functions. Those processes are supported and maintained by the three kinds of flows: ○1 the electron flows which operate along with energy-form transformation, ○2 the metabolite flows which operate along with dissimilation and assimilation, ○3 the information flows which operate along with the metabolic regulations in different levels. On the basis of the analysis of the operation rules of above three kinds of flows and the generalization of a great deal of information of industrial fermentation, the three basic hypothesis of industrial fermentation (microbial biotechnology) are developed as
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 2 follows: O the hypothesis of bioenergy support, the hypothesis of metabolic network, o the hypothesis of cell economy. If those hypotheses are true, then the results of metabolic guidance for industrial fermentation should be predicted. The theory of industrial fermentation put forward in this paper consists of the three descriptive hypotheses and three predictions Key words: the hypothesis of bioenergy support; the hypothesis of metabolic network; the hypothesis of cell economy biological principles of Industrial fermentation: metabolic engineering microbial biotechnol 0引言 随着生物化学、细胞生物学、应用分子生物学、遗传工程和 代谢工程的发展,工业发酵正在发生一个从技艺到科学的重大变 化,正在向微生物生物工程过渡。在生物工程受到广泛重视的今 天,有必要把微生物(菌种选育)、工业微生物学过程(发酵工 艺)和工业微生物学体系(生物反应器)作为一个整体,在科学 的水平上对工业发酵进行重新审视 1工业发酵的基本模式 1.1工业发酵理论研究的起点 认真观察当今发酵工业的现状,可知:①大多数的发酵法工 业生产的生产菌种一般均属于化能异养型微生物山,②工业发酵 产品大多数是从发酵液中提取的微生物细胞的胞外产物,③工业 发酵的目的产物和主要原料一般是有机化合物。工业发酵原理的 研究是从这个基础水平上开始的。 1.2工业发酵的基本模式 为了研究的方便,必须对 工业发酵的基本模式 复杂而多样的工业发酵进行合 理的简化。假定工业发酵依靠 化能异养型微生物的代谢来获 得微生物代谢的胞外产物,把 研究的重点放在含碳架的化合 物的代谢(碳代谢)上,经抽 象思维,则可为工业发酵建立 以微生物活细胞为中心的基本图1工业发酵的基本模式 模式:①培养基中的有机营养物质跨膜进入微生物活细胞,②微 生物细胞的代谢促成工业发酵的目的产物在细胞内生成,③在细 胞内生成的目的产物跨膜排放到培养介质中。也就是说,能源化 无锡轻工大学 2 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 2 2 follows: ○1 the hypothesis of bioenergy support, ○2 the hypothesis of metabolic network, ○3 the hypothesis of cell economy. If those hypotheses are true, then the results of metabolic guidance for industrial fermentation should be predicted. The theory of industrial fermentation put forward in this paper consists of the three descriptive hypotheses and three predictions. Key words: the hypothesis of bioenergy support； the hypothesis of metabolic network；the hypothesis of cell economy； biological principles of Industrial fermentation ； metabolic engineering ； microbial biotechnology 0 引言： 随着生物化学、细胞生物学、应用分子生物学、遗传工程和 代谢工程的发展，工业发酵正在发生一个从技艺到科学的重大变 化，正在向微生物生物工程过渡。在生物工程受到广泛重视的今 天，有必要把微生物（菌种选育）、工业微生物学过程（发酵工 艺）和工业微生物学体系（生物反应器）作为一个整体，在科学 的水平上对工业发酵进行重新审视。 1 工业发酵的基本模式 1．1 工业发酵理论研究的起点 认真观察当今发酵工业的现状，可知：○1 大多数的发酵法工 业生产的生产菌种一般均属于化能异养型微生物 [1]，○2 工业发酵 产品大多数是从发酵液中提取的微生物细胞的胞外产物，○3 工业 发酵的目的产物和主要原料一般是有机化合物。工业发酵原理的 研究是从这个基础水平上开始的。 1．2 工业发酵的基本模式 为了研究的方便，必须对 复杂而多样的工业发酵进行合 理的简化。假定工业发酵依靠 化能异养型微生物的代谢来获 得微生物代谢的胞外产物，把 研究的重点放在含碳架的化合 物的代谢（碳代谢）上，经抽 象思维，则可为工业发酵建立 以微生物活细胞为中心的基本 模式：○1 培养基中的有机营养物质跨膜进入微生物活细胞，○2 微 生物细胞的代谢促成工业发酵的目的产物在细胞内生成，○3 在细 胞内生成的目的产物跨膜排放到培养介质中。也就是说，能源化 工业发酵的基本模式 Basic pattern of industrial fermentation 图 1 工业发酵的基本模式
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 合物进入细胞,经过代谢转换,以一种变化了的形式输出。细胞 结构与维持行使细胞功能的有序状态则是靠消耗能量来保证的。 在此基本模式的基础上,本文作者于1997年提出关于工业 发酵的三个基本观点 2工业发酵的三个基本观点2 2.1生物能支撑观点 微生物细胞是工业发酵的目的产物的生产者,微生物细胞的 生长和维持需要由其自身的能量转换机构从其他形式的能量转化 而形成的可被其自身直接使用的能量一生物能来支撑。因此工业 发酵显示生物学属性 2.2代谢网络观点* 由细胞内外的生化反应网络和跨膜的输送系统组成的代谢网 络4既没有绝对的起点,也没有绝对的终点,代谢网络中任何 个中间产物(包括可与代谢网络“联网”的任何一种化合物)都 可能被开发成为工业发酵的目的产物或原料。 2.3细胞经济观点 微生物细胞的经济性是在自然选择的过程中逐渐形成的。野 生的(未经人工变异的)微生物细胞在自然选择的过程中逐渐形 成竞争型的细胞经济。而工业发酵往往要以目的产物的生产为主 导,调整代谢网络中的代谢流,构建一种导向型细胞经济。从竞 争型细胞经济到导向型经济的转变取决于遗传和环境因素的信息 导向,这种导向必须遵循细胞经济的基本运行规律 3微生物生物工程基本理论的探索 从以上三个基本观点出发探索微生物生物工程(工业发酵) 的基本理论: 3.1三个基本假说 运用归纳逻辑的方法提出以下三个假说: 1.能量支撑假说:微生物细胞的生长和维持需要其自身能量 转换机构从其它形式的能量转化而形成的生物能来支撑。 2.代谢网络假说:微生物细胞是个远离平衡状态的开放体 系,微生物细胞的代谢和生长依赖于横跨细胞内外的代谢 网络来实现。 3.细胞经济假说:野生的(未经人工变异的)微生物细胞在 自然选择的过程中逐渐形成竞争型的细胞经济。 这个观点当初是目的产物观点,后来发展成代谢网络观点。 无锡轻工大学 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 3 3 合物进入细胞，经过代谢转换，以一种变化了的形式输出。细胞 结构与维持行使细胞功能的有序状态则是靠消耗能量来保证的。 在此基本模式的基础上，本文作者于 1997 年提出关于工业 发酵的三个基本观点。 2 工业发酵的三个基本观点 [2] 2．1 生物能支撑观点 微生物细胞是工业发酵的目的产物的生产者，微生物细胞的 生长和维持需要由其自身的能量转换机构从其他形式的能量转化 而形成的可被其自身直接使用的能量—生物能来支撑。因此工业 发酵显示生物学属性[4]。 2．2 代谢网络观点 由细胞内外的生化反应网络和跨膜的输送系统组成的代谢网 络[4]既没有绝对的起点，也没有绝对的终点，代谢网络中任何一 个中间产物 (包括可与代谢网络“联网”的任何一种化合物) 都 可能被开发成为工业发酵的目的产物或原料。 2．3 细胞经济观点 微生物细胞的经济性是在自然选择的过程中逐渐形成的。野 生的（未经人工变异的）微生物细胞在自然选择的过程中逐渐形 成竞争型的细胞经济。而工业发酵往往要以目的产物的生产为主 导，调整代谢网络中的代谢流，构建一种导向型细胞经济。从竞 争型细胞经济到导向型经济的转变取决于遗传和环境因素的信息 导向，这种导向必须遵循细胞经济的基本运行规律。 3 微生物生物工程基本理论的探索[3] 从以上三个基本观点出发探索微生物生物工程（工业发酵） 的基本理论： 3．1 三个基本假说 运用归纳逻辑的方法提出以下三个假说： 1. 能量支撑假说：微生物细胞的生长和维持需要其自身能量 转换机构从其它形式的能量转化而形成的生物能来支撑。 2. 代谢网络假说：微生物细胞是个远离平衡状态的开放体 系，微生物细胞的代谢和生长依赖于横跨细胞内外的代谢 网络来实现。 3. 细胞经济假说：野生的（未经人工变异的）微生物细胞在 自然选择的过程中逐渐形成竞争型的细胞经济。 这个观点当初是目的产物观点，后来发展成代谢网络观点
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 3.2推理 运用演绎逻辑的方法从以上假说做出以下推理: 1.如果假说1成立,那么微生物能量代谢的副产物的形成与 分泌将成为工业发酵工艺控制的重要依据 如果假说2成立,那么代谢网络中任何一种中间产物(或 者是可借助化学、生物化学或生物学方法而与代谢网络 “联网”的任何一种化合物)都有可能被开发成为工业发 酵的原料或目的产物。 图2工业发酵中能量代谢副产物的生成 图2细胞组成物质的合成 LAF-GA-3-P -PIAccoAl-Aldhyde 画46 PG-区5 [GA-3-PHPYRHLA Alcohol 2 3-Pent anedione 四-@A→--回 Lycerol-F-P-Glyc四3 匣p6[ccm (ppc LAco HAc-亠→[x 回 BtCoA bents 四回…回位画四m isopen anol
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 4 4 3．2 推理 运用演绎逻辑的方法从以上假说做出以下推理： 1. 如果假说 1 成立，那么微生物能量代谢的副产物的形成与 分泌将成为工业发酵工艺控制的重要依据。 2. 如果假说 2 成立，那么代谢网络中任何一种中间产物(或 者是可借助化学、生物化学或生物学方法而与代谢网络 “联网”的任何一种化合物) 都有可能被开发成为工业发 酵的原料或目的产物。 图 2 工业发酵中能量代谢副产物的生成 图 2 细胞组成物质的合成[3]
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 1sta、[ Glycogen IR-5-PHPRPP 福 >His 回-…一國一-回/-时圖四一四 CoA CTPA++UP-Asp cIn RCO-ACPK CoQ 叫“画r西r 3.如果假说1、2、3和推理2成立,那么就有可能以目的产 物的生产为主导,借助育种和条件优化等的手段,调整代 谢网络中的代谢流,构建一种导向型的细胞经济,从而使 微生物细胞获得赖以生存的生物能,并且能在细胞外累积 目的产物。然而微生物的细胞经济从竞争型到导向型的转 变取决于遗传和环境因素的信息导向,对竞争型细胞经济 的过度偏离将导致细胞经济的崩溃 4工业发酵的23条基本概念 以上基本假说和预测从化能异养型微生物生物生命活动中 的电子流、碳架物质流,以及理化和生物信息流三个不同的侧面 审视工业发酵中微生物细胞的生命活动,使七十年代末出现“能 量流”、“信息流”和“信息流”的说法在工业发酵领域的到了 图3能量代谢副产物的形成 重安子既,即细肥比子、细肥笫二册可子细红价子。小」悟 助读者正确理解以上理论,下面分别从细胞能学(41-44)、 细胞第二解剖学(4.5-417)和细胞经济学(418-423)三个 方面构建工业发酵的23条基本概念,从微生物生物工程和代谢 工程的角度来支撑工业发酵的基本理论。 4.1微生物细胞能为其自身提供生物能 无锡轻工大学 5 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 5 5 3. 如果假说 1、2、3 和推理 2 成立，那么就有可能以目的产 物的生产为主导，借助育种和条件优化等的手段，调整代 谢网络中的代谢流，构建一种导向型的细胞经济，从而使 微生物细胞获得赖以生存的生物能，并且能在细胞外累积 目的产物。然而微生物的细胞经济从竞争型到导向型的转 变取决于遗传和环境因素的信息导向，对竞争型细胞经济 的过度偏离将导致细胞经济的崩溃。 4 工业发酵的 23 条基本概念 以上基本假说和预测从化能异养型微生物生物生命活动中 的电子流、碳架物质流，以及理化和生物信息流三个不同的侧面 审视工业发酵中微生物细胞的生命活动，使七十年代末出现“能 量流”、“信息流”和“信息流”的说法在工业发酵领域的到了 具体化。工业发酵的三个基本观点对应于微生物生物工程的三个 重要学说，即细胞能学、细胞第二解剖学和细胞经济学。为了帮 助读者正确理解以上理论，下面分别从细胞能学（4.1—4.4）、 细胞第二解剖学（4.5—4.17）和细胞经济学（4.18—4.23）三个 方面构建工业发酵的 23 条基本概念，从微生物生物工程和代谢 工程的角度来支撑工业发酵的基本理论。 4．1 微生物细胞能为其自身提供生物能 图 3 能量代谢副产物的形成[3]
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物的细胞不 同,微生物细胞能独立存在,自主生活。因此每个微生物细胞 都具有能量转换机构,这种机构可把其它形式的能量转换成能被 其自身直接使用的生物动能(如ATP,GTP)和生物势能(储 存在膜上的质子运动势ΔP),暂且把生物动能和生物势能一起 称为生物能。在生物能的直接支撑下,活细胞才能维持其高度有 序的状态。 4.2细胞能量转换机构的组成 化能异养型微生物细胞的能量转换机构包括:需要生物能 来激活的有关酶和这些酶的辅酶、细胞质膜(原核微生物)和线 粒体的内膜(真核微生物),以及这些膜上的电子传递链和 ATP酶、涉及底物水平磷酸化的酶和在能量代谢和主动输送中 起辅助作用的有关载体系统 4.3微生物代谢中的电子流和电子回路 工业发酵普遍使用的化能异养型微生物靠生物氧化把化学能 转化为可被微生物直接利用的生物能。微生物细胞的生物氧化过 程必须借助于辅酶,并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程 伴随着电子(或质子)的流动,形成跨膜的质子回路 4.4生物氧化和辅酶的再生 在微生物活细胞中,参与生物氧化反应的脱氢酶的辅酶本身 不能跨过膜,被局限在其所在的细胞空间内。它们必须被再生和 回用,以维持能量代谢。脱氢酶的辅酶在细胞的氧化还原反应中 接受电子而被还原成还原型辅酶,还原型辅酶又把电子释放给电 子受体,从而实现脱氢酶的辅酶的再生。根据最终电子受体的类 型,可把生物氧化分成有氧呼吸、无氧呼吸和发酵(形成能量代 谢副产物)三个类型。 能源化合物 一电子传递链一外源电子受体 电子供体) (NAD 图4微生物呼吸过程中的电子传递和脱氢酶辅酶的回用 无锡轻工大学 6 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 6 6 微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物的细胞不 同，微生物细胞能独立存在，自主生活[7]。因此每个微生物细胞 都具有能量转换机构，这种机构可把其它形式的能量转换成能被 其自身直接使用的生物动能 （ 如 ATP，GTP ）和生物势能（储 存在膜上的质子运动势ΔP）， 暂且把生物动能和生物势能一起 称为生物能。在生物能的直接支撑下，活细胞才能维持其高度有 序的状态。 4．2 细胞能量转换机构的组成 化能异养型微生物细胞的能量转换机构包括：需要生物能 来激活的有关酶和这些酶的辅酶、细胞质膜（原核微生物）和线 粒体的内膜（真核微生物），以及这些膜上的电子传递链和 ATP 酶、涉及底物水平磷酸化的酶和在能量代谢和主动输送中 起辅助作用的有关载体系统。 4．3 微生物代谢中的电子流和电子回路 工业发酵普遍使用的化能异养型微生物靠生物氧化把化学能 转化为可被微生物直接利用的生物能。微生物细胞的生物氧化过 程必须借助于辅酶, 并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程 伴随着电子（或质子）的流动，形成跨膜的质子回路。 4．4 生物氧化和辅酶的再生 在微生物活细胞中，参与生物氧化反应的脱氢酶的辅酶本身 不能跨过膜，被局限在其所在的细胞空间内。它们必须被再生和 回用，以维持能量代谢。脱氢酶的辅酶在细胞的氧化还原反应中 接受电子而被还原成还原型辅酶，还原型辅酶又把电子释放给电 子受体，从而实现脱氢酶的辅酶的再生。根据最终电子受体的类 型，可把生物氧化分成有氧呼吸、无氧呼吸和发酵（形成能量代 谢副产物）三个类型。 e - e - e - e - e - 能源化合物 电子传递链 外源电子受体 （电子供体） (NADH) (NADH) (NAD+ ) 图 4 微生物呼吸过程中的电子传递和脱氢酶辅酶的回用[3] e - e - e -
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 能源化合物 (电子供体) R一8;一内电子受体(生成发产物 (NAD) 图5微生物发酵过程中的电子传递和脱氢酶辅酶的回用13 4.5生化反应途径和代谢途径 系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径;若这条 途径在活细胞里运行,则为代谢途径。 4.6生化反应网络和代谢网络 生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络,代谢途径 与跨膜输送系统按代谢规律汇成(物质)代谢网络 4.7代谢网络的联网问题 代谢中间化合物都在代谢网络上,有些有机化合物虽然不在 代谢网络中但仍有可能与代谢网络联网。所谓“联网”就是用化 学、生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去,从而使 它与微生物的代谢建立联系。联网可以用化学、生物化学或生物 学方法(含DNA重组技术)来实现。广义的联网包含代谢网络 细节不同的生命有机体之间接力赛式的代谢联系。已在网上或者 可以联网的化合物都可能被开发为工业发酵的产物或原料。 4.8代谢流和碳架物质流 代谢中间化合物在代谢途径或代谢网络中流动形成代谢流。 在代谢分析和代谢工程中,代谢流往往首先是指碳架物质流。 4.9代谢主流 微生物细胞在一定的培养条件下进行新陈代谢时,代谢中间 化合物在代谢网络中流动,流量相对集中的代谢流叫做这种微生 物在该培养条件下的代谢主流。代谢主流的流量测定是代谢工程 的内容的重要组成部分之 4.10载流途径 从字面上讲,有代谢物流通过的代谢途径均为载流途径;其 中,代谢主流流经的代谢途径为主要载流途径。代谢工程没有必 要硏究所有的载流途径的物流量,因此在研究物流量时它所谓的 载流途径一般是指主要载流途径。 4.11代谢主流的变动性和选择性 无锡轻工大学 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 7 7 能源化合物 内源电子受体（生成发酵产物） （电子供体） (NADH) (NADH) (NAD+ ) 图 5 微生物发酵过程中的电子传递和脱氢酶辅酶的回用[3] 4．5 生化反应途径和代谢途径 一系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径；若这条 途径在活细胞里运行，则为代谢途径。 4．6 生化反应网络和代谢网络 生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络，代谢途径 与跨膜输送系统按代谢规律汇成（物质）代谢网络。 4．7 代谢网络的联网问题 代谢中间化合物都在代谢网络上，有些有机化合物虽然不在 代谢网络中但仍有可能与代谢网络联网。所谓“联网”就是用化 学、生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而使 它与微生物的代谢建立联系。联网可以用化学、生物化学或生物 学方法（含 DNA 重组技术）来实现。广义的联网包含代谢网络 细节不同的生命有机体之间接力赛式的代谢联系。已在网上或者 可以联网的化合物都可能被开发为工业发酵的产物或原料。 4．8 代谢流和碳架物质流 代谢中间化合物在代谢途径或代谢网络中流动形成代谢流。 在代谢分析和代谢工程中，代谢流往往首先是指碳架物质流。 4．9 代谢主流 微生物细胞在一定的培养条件下进行新陈代谢时，代谢中间 化合物在代谢网络中流动，流量相对集中的代谢流叫做这种微生 物在该培养条件下的代谢主流。代谢主流的流量测定是代谢工程 的内容的重要组成部分之一。 4．10 载流途径 从字面上讲，有代谢物流通过的代谢途径均为载流途径；其 中，代谢主流流经的代谢途径为主要载流途径。代谢工程没有必 要研究所有的载流途径的物流量，因此在研究物流量时它所谓的 载流途径一般是指主要载流途径。 4．11 代谢主流的变动性和选择性
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 微生物的代谢主流处于不断变化之中,其方向、流量甚至 所流经的途径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性 和代谢主流对代谢网络中的途径的选择性。这种变动和选择的根 据在微生物细胞的遗传物质,选择的原因是微生物所处的环境条 件的变化 4.12理想载流途径 为了提高产物对原料的转化率,就要求代谢主流(根据代 谢分析的结果推定的)经设定的载流途径流到目的产物。因为这 样的载流途径是带有主观导向性的虚拟的载流途径,所以把它们 叫做理想载流途径。 4.13微生物生物工程的难题 既然代谢主流对网络中的途径有选择性,而工业发酵的目标 又是要微生物的代谢主流经理想载流途径,流到目的产物,因此 就有必要去解决理想载流途径的设计问题和代谢主流的合理导向 问题。l 4.14代谢的“五段式” 无锡轻工大学 8 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 8 8 微生物的代谢主流处于不断变化之中，其方向、流量甚至 所流经的途径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性 和代谢主流对代谢网络中的途径的选择性。这种变动和选择的根 据在微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生物所处的环境条 件的变化。 4．12 理想载流途径 为了提高产物对原料的转化率， 就要求代谢主流（根据代 谢分析的结果推定的）经设定的载流途径流到目的产物。因为这 样的载流途径是带有主观导向性的虚拟的载流途径，所以把它们 叫做理想载流途径。 4．13 微生物生物工程的难题 既然代谢主流对网络中的途径有选择性，而工业发酵的目标 又是要微生物的代谢主流经理想载流途径，流到目的产物，因此 就有必要去解决理想载流途径的设计问题和代谢主流的合理导向 问题。[11] 4．14 代谢的“五段式”[1]
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 在工业发酵生产中,培养器中的微生物细胞的代谢是分步进 行的。胞外营养物质(一般要经胞外酶降解后)从培养介质跨膜 进入细胞,(一般要)经过“注入途径”、“中心途径”和“发 散途径”等三段连续的代谢途径的代谢,才能在胞内生成目的产 物,最后,目的产物跨过细胞质膜排出细胞,回到培养介质。因 此典型的理想载流途径应该由以上五段承担不同代谢分工的依次 衔接的代谢途径组成。这就是载流途径的“五段式”。在这条载 流途径上流动的代谢主流对应地也有五段,这就是代谢主流的 五段式”(图1)。 4.15设计育种和发酵工艺控制的五字策略 在“代谢主流”和代谢的“五段式”等概念的基础上,从 不同的角度出发,提出能作为一个整体用于设计育种以及发酵工 艺控制的“进、通、节、堵、出”的“五字策略”:①进,促进 细胞对碳源等营养物质的吸收;②通,使来自上游和各个注入分 支的碳架物质能畅通地流向目的产物;③节,阻塞与目的产物的 形成无关或关系不大的代谢支流,使碳架物质相对集中地流向目 的产物;④堵,消除或削弱目的产物进一步代谢的途径;⑤出 促进目的产物向胞外空间分泌。 4.16代谢网络的节点及其刚性5 微生物代谢网络中的途径的交叉点(代谢流的集散处)叫做 节点,微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比率的改变的特性 叫做节点的刚性。节点的刚性建筑在微生物代谢的自动调节机制 上。因此在应用“五字策略”制订育种方案时应该设法绕过强刚 图6设计育种和发酵工艺控制的五字策略
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 9 9 在工业发酵生产中，培养器中的微生物细胞的代谢是分步进 行的。胞外营养物质（一般要经胞外酶降解后）从培养介质跨膜 进入细胞，（一般要）经过“注入途径”、“中心途径”和“发 散途径”等三段连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成目的产 物，最后，目的产物跨过细胞质膜排出细胞，回到培养介质。因 此典型的理想载流途径应该由以上五段承担不同代谢分工的依次 衔接的代谢途径组成。这就是载流途径的“五段式”。在这条载 流途径上流动的代谢主流对应地也有五段，这就是代谢主流的 “五段式”（图 1）。 4．15 设计育种和发酵工艺控制的五字策略[1] 在“代谢主流” 和代谢的“五段式”等概念的基础上，从 不同的角度出发，提出能作为一个整体用于设计育种以及发酵工 艺控制的“进、通、节、堵、出”的“五字策略”：①进，促进 细胞对碳源等营养物质的吸收；②通，使来自上游和各个注入分 支的碳架物质能畅通地流向目的产物；③节，阻塞与目的产物的 形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目 的产物；④堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；⑤出， 促进目的产物向胞外空间分泌。 4．16 代谢网络的节点及其刚性 [5] 微生物代谢网络中的途径的交叉点（代谢流的集散处）叫做 节点，微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比率的改变的特性 叫做节点的刚性。节点的刚性建筑在微生物代谢的自动调节机制 上。因此在应用“五字策略”制订育种方案时应该设法绕过强刚 图 6 设计育种和发酵工艺控制的五字策略 N P P 进 通 节 堵 出
张星元:发酵原理电子讲义附录1-2 性节点,否则育种计划将难以兑现。 4.17代谢网络的刚性5 微生物自动抵制代谢网络中代谢物流量分布的改变的特性叫 做代谢网络的刚性。代谢网络的刚性与主要刚性节点的刚性大 小、分布及数量密切相关。 4.18微生物活细胞和细胞的经济性 微生物活细胞是个远离平衡状态的开放体系,是一种靠消耗 能量而维持低熵的稳定的动态的特殊结构一一耗散结构巴。从 微生物细胞对能量和化学物质的内外交换、增收节支、协调自强 等规律的客观存在出发,把微生物细胞作为按特殊的经济规律运 行的经济实体来看待,并且把这种按特殊的经济规律运行的、有 利于生存竞争的新陈代谢特性叫做细胞经济性。细胞的经济性可 以以生成细胞的重量与消耗基质的重量之比值一一细胞经济系数 来衡量。 4.19正常代谢和竞争型细胞经济 微生物在生存竞争中进化的方向是发展其自身的适应能力和 提高细胞运行的经济系数。经生存竞争而幸存下来的野生型微生 物在其所栖身的环境中是富有竞争能力的,并且它们的代谢中间 物在代谢网络中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞生长、繁 殖和在竞争中获胜。在上述条件下,细胞处于正常代谢状态,细 胞经济体系呈现竞争型经济的特色。 4.20异常代谢和导向型细胞经济 如果工业生产要求微生物在胞外累积某种代谢中间产物, 则须对微生物的代谢流进行导向。根据已获得的代谢分析的信 息,应用“五字策略”就有可能设计理想载流途径和配套的发酵 培养工艺条件,进而改造菌种、调整工艺,将代谢主流导向理想 载流途径。在导向成功的情况下,细胞处于异常代谢状态,细胞 经济体系呈现导向型经济的特色 4.21细胞经济受到严格的制约 工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得产品,导向型细胞经济 固然有利于特定的代谢产物的生产,但竞争型细胞经济向导向型 细胞经济的转化受到能量代谢、还原力的平衡等条件的严格制 约,表现出代谢网络的刚性。若细胞经济实体的运行状态过度偏 离竞争型运行状态,活细胞的高度有序状态将受到严重冲击,最 终导致细胞经济的崩溃 4.22信息流指导下的工业发酵 无锡轻工大学 0 生物工程学院 http:/www.wxulie http://biotech.wxuli.edu.cn
张星元：发酵原理电子讲义 附录 1-2 无锡轻工大学 生物工程学院 http://www.wxuli.edu.cn http://biotech.wxuli.edu.cn 10 10 性节点，否则育种计划将难以兑现。 4．17 代谢网络的刚性 [5] 微生物自动抵制代谢网络中代谢物流量分布的改变的特性叫 做代谢网络的刚性。代谢网络的刚性与主要刚性节点的刚性大 小、分布及数量密切相关。 4．18 微生物活细胞和细胞的经济性 微生物活细胞是个远离平衡状态的开放体系，是一种靠消耗 能量而维持低熵的稳定的动态的特殊结构——耗散结构[20]。从 微生物细胞对能量和化学物质的内外交换、增收节支、协调自强 等规律的客观存在出发，把微生物细胞作为按特殊的经济规律运 行的经济实体来看待，并且把这种按特殊的经济规律运行的、有 利于生存竞争的新陈代谢特性叫做细胞经济性。细胞的经济性可 以以生成细胞的重量与消耗基质的重量之比值——细胞经济系数 来衡量。 4．19 正常代谢和竞争型细胞经济 微生物在生存竞争中进化的方向是发展其自身的适应能力和 提高细胞运行的经济系数。经生存竞争而幸存下来的野生型微生 物在其所栖身的环境中是富有竞争能力的，并且它们的代谢中间 物在代谢网络中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞生长、繁 殖和在竞争中获胜。在上述条件下，细胞处于正常代谢状态，细 胞经济体系呈现竞争型经济的特色。 4．20 异常代谢和导向型细胞经济 如果工业生产要求微生物在胞外累积某种代谢中间产物， 则须对微生物的代谢流进行导向。根据已获得的代谢分析的信 息，应用“五字策略”就有可能设计理想载流途径和配套的发酵 培养工艺条件，进而改造菌种、调整工艺，将代谢主流导向理想 载流途径。在导向成功的情况下，细胞处于异常代谢状态，细胞 经济体系呈现导向型经济的特色。 4．21 细胞经济受到严格的制约 工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得产品，导向型细胞经济 固然有利于特定的代谢产物的生产，但竞争型细胞经济向导向型 细胞经济的转化受到能量代谢、还原力的平衡等条件的严格制 约，表现出代谢网络的刚性。若细胞经济实体的运行状态过度偏 离竞争型运行状态，活细胞的高度有序状态将受到严重冲击，最 终导致细胞经济的崩溃。 4．22 信息流指导下的工业发酵