Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms--Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics(Chinese version Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel2605176E-mailbiozhang@163.com 微生物生物工程的3个基本观点 寻找工业发酵和生物制药的钥匙 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3 种流动来维系:1.伴随能量形式的转换而发生的电子流动;2,伴 随异化和同化作用而发生的物质流动;3.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3种流动的运行规律以及 归纳工业发酵和生物制药的大量信息的基础上,提出了关于微生 物生物工程的三个基本观点:1.生物能支撑观点,2.代谢网络观 点,3.细胞经济观点。这些观点揭示了工业发酵的生物学属性, 工业发酵的能力和潜力,以及工业发酵的行为规范。 关键词:生物能支撑;代谢网络;细胞经济;工业发酵;代谢工 程;生物制药 Three basic viewpoints of Biotechnology of microbiology Searching for the key to Industrial Fermentation and bi pharmaceutics Zhang Xingyuan (School of Biotechnology, Wuxi University of Light Industry, Wuxi 214036, China Abstract 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 无锡轻工大学 生物工程学院
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms—Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics (Chinese version) Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel 2605176 E-mail biozhang@163.com 21-2-21 无锡轻工大学 生物工程学院 1 微生物生物工程的 3 个基本观点 ——寻找工业发酵和生物制药的钥匙 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 3 种流动来维系：1. 伴随能量形式的转换而发生的电子流动；2. 伴 随异化和同化作用而发生的物质流动；3. 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 3 种流动的运行规律,以及 归纳工业发酵和生物制药的大量信息的基础上，提出了关于微生 物生物工程的三个基本观点：1. 生物能支撑观点，2. 代谢网络观 点，3. 细胞经济观点。这些观点揭示了工业发酵的生物学属性， 工业发酵的能力和潜力, 以及工业发酵的行为规范。 关键词：生物能支撑；代谢网络；细胞经济；工业发酵；代谢工 程；生物制药 Three Basic Viewpoints of Biotechnology of Microbiology —Searching for the Key to Industrial Fermentation and Biopharmaceutics Zhang Xingyuan (School of Biotechnology, Wuxi University of Light Industry, Wuxi 214036, China) Abstract ： 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
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms--Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics(Chinese version Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), inaTel2605176E-mailbiozhang@163.com 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 and bio-pharmaceutics, the three basic viewpoints of industrial fermentation are put forward: O the viewpoint of bioenergy support, the viewpoint of metabolic network, o the viewpoint of cell economy. Those viewpoints may reveal the biological attribution, the power and potentiality of industrial fermentation, as well as the law of the un ity of opposites in the field of industrial fermentation Key words: bioenergy support metabolic network economy: fermentation principles; metabolic eng ineering bio pharmaceutics 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,工业发酵正在经历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)、微生物学过程(发酵工艺) 和微生物学体系(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]l 1工业发酵的3个基本观点 从工业发酵的现状出发,主要根据对碳元素代谢及其控制, 菌种是化能异养型微生物,产物是微生物细胞排出细胞的代谢中 间产物的工业发酵提出以下基本观点: 1.1生物能支撑观点 微生物细胞是工业发酵产物的生产者,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形成的 生物能来支撑。因此工业发酵具有生物学属性凹]。 无锡轻工大学 2 生物工程学院
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms—Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics (Chinese version) Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel 2605176 E-mail biozhang@163.com 21-2-21 无锡轻工大学 生物工程学院 2 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 and bio-pharmaceutics, the three basic viewpoints of industrial fermentation are put forward: ○1 the viewpoint of bioenergy support, ○2 the viewpoint of metabolic network, ○3 the viewpoint of cell economy. Those viewpoints may reveal the biological attribution, the power and potentiality of industrial fermentation, as well as the law of the unity of opposites in the field of industrial fermentation. Key words: bioenergy support ； metabolic network ； cell economy； fermentation principles；metabolic engineering；biopharmaceutics 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，工业发酵正在经历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）、微生物学过程（发酵工艺） 和微生物学体系（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]。 1 工业发酵的 3 个基本观点 从工业发酵的现状出发，主要根据对碳元素代谢及其控制， 菌种是化能异养型微生物，产物是微生物细胞排出细胞的代谢中 间产物的工业发酵提出以下基本观点： 1．1 生物能支撑观点 微生物细胞是工业发酵产物的生产者，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形成的 生物能来支撑。因此工业发酵具有生物学属性[2]
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms--Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics(Chinese version Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), inaTel2605176E-mailbiozhang@163.com 代谢网络观点 由生化反应网络和跨膜的输送步骤组成的代谢网络既没有 绝对的起点,也没有绝对的终点。代谢网络中任何一种中间产物 (或可借助生物学、化学方法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巴2或原料 1.3细胞经济观点4 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。 2.工业发酵的21条基本概念 以上三个基本观点从电子流、物质流和信息流三个不同侧面 反映工业发酵的运动本质;对应于微生物生物工程的三个重要学 说,即细胞能学(2.1-2.4)、第二解剖学(2.5-2.15)和细胞 经济学(216-221)提出21条基本概念叫。 2.1微生物细胞能为其自身提供生物能 微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物细胞不同 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 直接使用的能量(如ATP,GTP和储存在膜上的△P,暂且把这 种形式存在的能量称为生物能),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5]。 2.2细胞能量转换机构的组成 微生物细胞的能量转换机构包括:需要生物能来激活的有 关的酶和这些酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和真核微生物线 粒体的内膜,以及这些膜上的电子传递链和ATP酶,还有在能 量代谢和主动输送中起辅助作用的有关载体。 2.3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 无锡轻工大学 生物工程学院
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms—Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics (Chinese version) Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel 2605176 E-mail biozhang@163.com 21-2-21 无锡轻工大学 生物工程学院 3 1．2 代谢网络观点 由生化反应网络和跨膜的输送步骤组成的代谢网络[3]既没有 绝对的起点，也没有绝对的终点。代谢网络中任何一种中间产物 (或可借助生物学、化学方法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[2]或原料。 1．3 细胞经济观点[4] 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。 2. 工业发酵的 21 条基本概念 以上三个基本观点从电子流、物质流和信息流三个不同侧面 反映工业发酵的运动本质；对应于微生物生物工程的三个重要学 说，即细胞能学（2.1—2.4）、第二解剖学（2.5—2.15）和细胞 经济学（2.16—2.21）提出 21 条基本概念[1]。 2．1 微生物细胞能为其自身提供生物能 微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物细胞不同， 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 直接使用的能量（如 ATP，GTP 和储存在膜上的ΔP，暂且把这 种形式存在的能量称为生物能），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[5]。 2．2 细胞能量转换机构的组成 微生物细胞的能量转换机构包括：需要生物能来激活的有 关的酶和这些酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和真核微生物线 粒体的内膜，以及这些膜上的电子传递链和 ATP 酶，还有在能 量代谢和主动输送中起辅助作用的有关载体。 2．3 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
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms--Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics(Chinese version Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel2605176E-mailbiozhanga163.com 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,形成微生物代谢的跨膜的质子I 2.4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在有 关的细胞空间内必须被再生和回用。还原型辅酶把电子释放给电 子受体而得到再生,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3种类型。 2.5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。 2.6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 与跨膜输送步骤按代谢规律汇成(物质)代谢网络。 2.7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 网上但仍有可能与代谢网络联网。所谓“联网”,就是用化学 或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。联网可以用化学或生物学方法(含 DNA重组技术)来实现。广义的联网包含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。 2.8代谢流和碳架物质流 代谢物在代谢途径中流动形成代谢流。在代谢工程领域,代 谢流往往是指碳架物质流。 2.9代谢主流 在一定的培养条件下,代谢物在代谢网络中流动,流量相对 集中的代谢流叫做该培养条件下的代谢主流。代谢主流的流量测 定是代谢工程的重要组成部分。 10载流途径 代谢主流流经的代谢途径为主要载流途径,简称载流途径 2.11代谢主流的变动性和选择性 微生物的代谢主流处于不断变化之中,其方向、流量甚至 代谢主流的载流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途径的选择性。这种变动和选择的 无锡轻工大学 生物工程学院
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms—Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics (Chinese version) Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel 2605176 E-mail biozhang@163.com 21-2-21 无锡轻工大学 生物工程学院 4 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，形成微生物代谢的跨膜的质子回 路。 2．4 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在有 关的细胞空间内必须被再生和回用。还原型辅酶把电子释放给电 子受体而得到再生，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 3 种类型。 2．5 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。 2．6 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 与跨膜输送步骤按代谢规律汇成（物质）代谢网络。 2．7 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 网上但仍有可能与代谢网络联网。所谓“联网”，就是用 化学 或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。联网可以用化学或生物学方法（含 DNA 重组技术）来实现。广义的联网包含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。 2．8 代谢流和碳架物质流 代谢物在代谢途径中流动形成代谢流。在代谢工程领域，代 谢流往往是指碳架物质流。 2．9 代谢主流 在一定的培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对 集中的代谢流叫做该培养条件下的代谢主流。代谢主流的流量测 定是代谢工程的重要组成部分。 2．10 载流途径 代谢主流流经的代谢途径为主要载流途径，简称载流途径。 2．11 代谢主流的变动性和选择性 微生物的代谢主流处于不断变化之中，其方向、流量甚至 代谢主流的载流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途径的选择性。这种变动和选择的
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms--Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics(Chinese version Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel 2605176 E-mail biozhang 163 com 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。 2.12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)从设定的途径流过,使它成为载流途径。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,所以把它叫 做理想载流途径。 2.13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 又是要让微生物的代谢主流流经理想载流途径,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导向问题。 2.14理想载流途径的五段式 通常在发酵生产中培养微生物的时候,胞外营养物质跨膜进 入细胞经三段连续的代谢途径(一般是“注入途径”、“中心途 径”和“发散途径”)生成目的产物,最后,在胞内形成的目的 产物经过膜排出细胞。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。这就是理想载流 途径的“五段式”46]。 2.15设计育种和发酵工艺控制的五字策略 在理想载流途径的“五段式”和“代谢主流”的等概念的基 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” μ4:①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。 2.16代谢网络的节点及其刚性3 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。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机 制。因此在应用“五字策略”制订育种方案时必须设法绕过强刚 性节点,否则育种计划将难以兑现。 2.17代谢网络的刚性 无锡轻工大学 生物工程学院
Three Basic View Points of Biotechnology of Microorganisms—Searching for the Key to Industrial Fermentation and Bio-pharmaceutics (Chinese version) Zhang Xingyuan, Biotechnology school, Wuxi University of Light Industry, Wuxi (214036), China Tel 2605176 E-mail biozhang@163.com 21-2-21 无锡轻工大学 生物工程学院 5 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。 2．12 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）从设定的途径流过，使它成为载流途径。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，所以把它叫 做理想载流途径。 2．13 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 又是要让微生物的代谢主流流经理想载流途径，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导向问题。 2．14 理想载流途径的五段式 通常在发酵生产中培养微生物的时候，胞外营养物质跨膜进 入细胞经三段连续的代谢途径（一般是“注入途径”、“中心途 径”和“发散途径”）生成目的产物，最后，在胞内形成的目的 产物经过膜排出细胞。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。这就是理想载流 途径的“五段式” [4,6]。 2．15 设计育种和发酵工艺控 制的五字策略 在理想载流途径的“五段式”和“代谢主流”的等概念的基 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” [4,6]：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。 2．16 代谢网络的节点及其刚性 [3] 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。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机 制。因此在应用“五字策略”制订育种方案时必须设法绕过强刚 性节点，否则育种计划将难以兑现。 2．17 代谢网络的刚性 [3]