張星元:發酵原理電子講義附錄1 12 微生物生物工程基本理論的探索 張星元 (無鍚輕工大擊生物工程學院江蘇無鍚214036) 摘要∶工業發酵是微生物群體活動的動態過程。此過程靠如下三 種流動來維繫’即伴隨能量形式的轉換而發生的電子流動丶伴隨 異化和同化作用而發生的物質流動以及伴隨不同水平上的代謝調 節而發生的資訊流動。在分析以上三種流動的運行規律和工業發 酵大量資訊的基礎上’運用歸納邏輯的方法提岀了關於微生物生 物工程的三個基本假說·即生物能支撐假說丶代謝網路假說和細 胞經濟假說。如果這些假說成立’就有可能對工業發酵的微生物 代謝進行導向。從而形成由三個假說和三個推理組成的微生物生 物工程(工業發酵)基本理論 關鍵字∶生物能支撐假說∶代謝網路假說;細胞經濟假說;發酵 原理;代謝工程;微生物生物工程 Explorations of Basic Theory of Microbial Biotechnology Zhang X (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 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 rule 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 follows: O the hypothesis of bioenergy support, O the hypothesis of metabolic network, o the hypothesis of cell economy. If those hypotheses are true, then the results of metabolic guidance for
張星元：發酵原理電子講義 附錄 1-3 12 微生物生物工程基本理論的探索 張 星 元 （無錫輕工大學生物工程學院 江蘇無錫 214036） 摘要：工業發酵是微生物群體活動的動態過程。此過程靠如下三 種流動來維繫，即伴隨能量形式的轉換而發生的電子流動、伴隨 異化和同化作用而發生的物質流動以及伴隨不同水平上的代謝調 節而發生的資訊流動。在分析以上三種流動的運行規律和工業發 酵大量資訊的基礎上，運用歸納邏輯的方法提出了關於微生物生 物工程的三個基本假說，即生物能支撐假說、代謝網路假說和細 胞經濟假說。如果這些假說成立，就有可能對工業發酵的微生物 代謝進行導向。從而形成由三個假說和三個推理組成的微生物生 物工程（工業發酵）基本理論。 關鍵字：生物能支撐假說；代謝網路假說；細胞經濟假說；發酵 原理；代謝工程；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 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
張星元:發酵原理電子講義附錄1 13 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 biola principles of Industrial fermentation metabolic engineering microbial biotechnology 0引言 隨著生物化學丶細胞生物學丶應用分子生物學丶遺傳工程和 代謝工程的發展’工業發酵正在發生一個從技藝到科學的重大變 化’正在向微生物生物工程過渡。在生物工程受到廣泛重視的今 天,有必要把微生物(菌種選育)丶工業微生物學過程(發酵工 藝)和工業微生物學體系(生物反應器)作爲一個整體’在科學 的水平上對工業發酵進行重新審視。 1工業發酵的基本模式 1·1工業發酵理論研究的起點 認真觀察當今發酵工業的現狀’可知∶①大多數的發酵法工 業生產的生產菌種一般均屬於化能異養型微生物叫,工業發酵 產品大多數是從發酵液中提取的微生物細胞的胞外產物,③工業 發酵的目的產物和主要原料一般是有機仁合物。工業發酵原理的 硏究是從這個基礎水平上開始的。 1·2工業發酵的基本模式 爲了研究的方便,必須對 複雜而多樣的工業發酵進行合 工业发酵的基本模式 理的簡化。假定工業發酵依靠 仁能異養型微生物的代謝來獲 得微生物代謝的胞外產物,把 研究的重點放在含碳架的化合 Basic pattern af industrial fermentation 物的代謝(碳代謝)上’經抽 象思維,則可爲工業發酵建立 以微生物活細胞爲中心的基本 圖1工業發酵的基本模式 模式∶⑩培養基中的有機營養物質跨膜進λ微生物活細胞’◎微 生物紐胞的代謝促成工業發酵的目的產物在細胞內生成’③在細 胞內生成的目的產物跨膜排放到培養介質中也就是說’能源化 合物進入細胞’經過代謝轉換·以一種變仳了的形式輸岀。細胞 結構與維持行使細胞功能的有序狀態則是靠消耗能量來保證的
張星元：發酵原理電子講義 附錄 1-3 13 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： 隨著生物化學、細胞生物學、應用分子生物學、遺傳工程和 代謝工程的發展，工業發酵正在發生一個從技藝到科學的重大變 化，正在向微生物生物工程過渡。在生物工程受到廣泛重視的今 天，有必要把微生物（菌種選育）、工業微生物學過程（發酵工 藝）和工業微生物學體系（生物反應器）作爲一個整體，在科學 的水平上對工業發酵進行重新審視。 1 工業發酵的基本模式 1．1 工業發酵理論研究的起點 認真觀察當今發酵工業的現狀，可知：○1 大多數的發酵法工 業生産的生産菌種一般均屬於化能異養型微生物 [1]，○2 工業發酵 産品大多數是從發酵液中提取的微生物細胞的胞外産物，○3 工業 發酵的目的産物和主要原料一般是有機化合物。工業發酵原理的 研究是從這個基礎水平上開始的。 1．2 工業發酵的基本模式 爲了研究的方便，必須對 複雜而多樣的工業發酵進行合 理的簡化。假定工業發酵依靠 化能異養型微生物的代謝來獲 得微生物代謝的胞外産物，把 研究的重點放在含碳架的化合 物的代謝（碳代謝）上，經抽 象思維，則可爲工業發酵建立 以微生物活細胞爲中心的基本 模式：○1 培養基中的有機營養物質跨膜進入微生物活細胞，○2 微 生物細胞的代謝促成工業發酵的目的産物在細胞內生成，○3 在細 胞內生成的目的産物跨膜排放到培養介質中。也就是說，能源化 合物進入細胞，經過代謝轉換，以一種變化了的形式輸出。細胞 結構與維持行使細胞功能的有序狀態則是靠消耗能量來保證的。 工业发酵的基本模式 Basic pattern of industrial fermentation 圖 1 工業發酵的基本模式
張星元:發酵原理電子講義附錄1 在此基本模式的基礎上’本文作者于1997年提出關於工業 發酵的三個基本觀點。 2工業發酵的三個基本觀贴21 2·1生物能支撐觀點 微生物細胞是工業發酵的目的產物的生產者·微生物細胞 生長和維持需要由其自身的能量轉換機構從其他形式的能量轉化 而形成的可被其自身直接使用的能量一生物能來支撐。因此工業 發酵顯示生物學屬性。 2·2代謝網路觀點 由細胞內外的生化反應網路和跨膜的輸送系統組成的代謝網 路凹既沒有絕對的赶點’也沒有絕對的終點’代謝網路中仼何 個中間產物(包括可與代謝網路“聯網”的任何一種化合物)都 可能被開發成爲工業發酵的目的產物或原料。 2·3細胞經濟觀點 微生物紐胞的經濟性是在自然選擇的過程中逐漸形成的野 生的(未經人工變異的)微生物紐胞在自然選擇的過程中逐漸形 成競爭型的細胞經濟。而工業發酵往往要以目的產物的生產爲主 導’調整代謝網路中的代謝流·構建一種導冋型細胞經濟。從竸 爭型細胞經濟到導冋型經濟的轉變取決於遺傳和環境因素的資訊 導问’這種導向必須遵循細胞經濟的基本運行規律。 3微生物生物工程基本理論的探索 從以上三個基本觀點岀發探索微生物生物工程(工業發酵) 的基本理論 3·1三個基本假說 運用歸納邏輯的方法提出以下三個假說 1.能量支撐假說∶微生物細胞的生長和維持需要其自身能量 轉換機構從其他形式的能量轉仳而形成的生物能來支撐 2.代謝網路假說∶微生物細胞是個遠離平衡狀態的開放體 系’微生物細胞的代謝和生長依賴於橫跨細胞內外的代謝 網路來實現 3.細胞經濟假說∶野生的(未經人工變異的)微生物細胞在 自然選擇的過程中逐漸形成竸爭型的紐胞經濟。 3·2推理 *這個觀點當初是目的產物觀點·後來發展成代謝綗路觀點
張星元：發酵原理電子講義 附錄 1-3 14 在此基本模式的基礎上，本文作者于 1997 年提出關於工業 發酵的三個基本觀點。 2 工業發酵的三個基本觀點 [2] 2．1 生物能支撐觀點 微生物細胞是工業發酵的目的産物的生産者，微生物細胞的 生長和維持需要由其自身的能量轉換機構從其他形式的能量轉化 而形成的可被其自身直接使用的能量—生物能來支撐。因此工業 發酵顯示生物學屬性[4]。 2．2 代謝網路觀點 由細胞內外的生化反應網路和跨膜的輸送系統組成的代謝網 路[4]既沒有絕對的起點，也沒有絕對的終點，代謝網路中任何一 個中間産物 (包括可與代謝網路“聯網”的任何一種化合物) 都 可能被開發成爲工業發酵的目的産物或原料。 2．3 細胞經濟觀點 微生物細胞的經濟性是在自然選擇的過程中逐漸形成的。野 生的（未經人工變異的）微生物細胞在自然選擇的過程中逐漸形 成競爭型的細胞經濟。而工業發酵往往要以目的産物的生産爲主 導，調整代謝網路中的代謝流，構建一種導向型細胞經濟。從競 爭型細胞經濟到導向型經濟的轉變取決於遺傳和環境因素的資訊 導向，這種導向必須遵循細胞經濟的基本運行規律。 3 微生物生物工程基本理論的探索[3] 從以上三個基本觀點出發探索微生物生物工程（工業發酵） 的基本理論： 3．1 三個基本假說 運用歸納邏輯的方法提出以下三個假說： 1. 能量支撐假說：微生物細胞的生長和維持需要其自身能量 轉換機構從其他形式的能量轉化而形成的生物能來支撐。 2. 代謝網路假說：微生物細胞是個遠離平衡狀態的開放體 系，微生物細胞的代謝和生長依賴於橫跨細胞內外的代謝 網路來實現。 3. 細胞經濟假說：野生的（未經人工變異的）微生物細胞在 自然選擇的過程中逐漸形成競爭型的細胞經濟。 3．2 推理 這個觀點當初是目的産物觀點，後來發展成代謝網路觀點
張星元:發酵原理電子講義附錄1 15 運用演繹邏輯的方法從以上假說做出以下推理 1.如果假說1成立·那麼微生物能量代謝的副產物的形成與 分泌將成爲工業發酵工藝控制的重要依據 2.如果假說2成立·那麼代謝網路中任何一種中間產物(或 者是可借助化學丶生物化學或生物學方法而與代謝網路 聯網”的仼何一種化合物)都有可能被開發成爲工業發 的原料或目的產物 3.如果假說1、2丶3和推理2成立,那麼就有可能以目的產 物的生產爲主導·借助育種和條件優化等的手段’調整代 謝網路中的代謝流’構建_種導向型的細胞經濟’從而使 微生物細胞獲得賴以生存的生物能’並且能在細胞外累積 目的產物。然而微生物的細胞經濟從競爭型到導向型的轉 變取決於遺傳和環境因素的資訊導冋’對竸爭型細胞經濟 的過度偏離將導致細胞經濟的崩潰。 〓 Heterol Ac-P PG-区5 GA=3PPK圆[ Alcohol 6 Bifi dog】D 6四-@回→一四 同 ycerol-F-P-Glyu回ank可四c Active Isopen anol 回c【c3m eer fermentation all laetate-produeint Propionate]ropiest…、圆。 ↓cata 回…@位8画画cm 圖2能量代謝副產物的形成
張星元：發酵原理電子講義 附錄 1-3 15 運用演繹邏輯的方法從以上假說做出以下推理： 1. 如果假說 1 成立，那麽微生物能量代謝的副産物的形成與 分泌將成爲工業發酵工藝控制的重要依據。 2. 如果假說 2 成立，那麽代謝網路中任何一種中間産物(或 者是可借助化學、生物化學或生物學方法而與代謝網路 “聯網”的任何一種化合物) 都有可能被開發成爲工業發 酵的原料或目的産物。 3. 如果假說 1、2、3 和推理 2 成立，那麽就有可能以目的産 物的生産爲主導，借助育種和條件優化等的手段，調整代 謝網路中的代謝流，構建一種導向型的細胞經濟，從而使 微生物細胞獲得賴以生存的生物能，並且能在細胞外累積 目的産物。然而微生物的細胞經濟從競爭型到導向型的轉 變取決於遺傳和環境因素的資訊導向，對競爭型細胞經濟 的過度偏離將導致細胞經濟的崩潰。 圖 2 能量代謝副産物的形成[3]
張星元:發酵原理電子講義附錄1 16 Glycogen 6P叵P5[PP GlcNAc 圆1,62 少c 回r 圆rt四 3-P-GA a 一a RCO-ACP] Isoprenoid卜+cog]As 回回回面四四面 圖2細胞組成物質的合成 4工業發酵的23保基本概念 以上基本假說和預測從化能異養型微生物生物生命活動中 的電子流丶碳架物質流’以及理化和生物資訊流三個不同的側面 審視工業發酵中微生物細胞的生命活動·使七十年代末出現“能 量流”丶“資訊流”和“資訊流”的說法在工業發酵領域的到了 具體化工業發酵的三個基本觀點對應於微生物生物工程的三個 重要學說’即細胞能學丶細胞第二解剖學和細胞經濟學。爲了幫 助讀者正確理解以上理論’下面分別從細胞能學(4.1-4.4)丶 細胞第二解剖學(4.5-4.17)和紐胞經濟學(4.18-4.23)三個 方面構建工業發酵的23條基本概念·從微生物生物工程和代謝 工程的魚度來支撐工業發酵的基本理論 4·1微生物紐胞能爲其自身提供生物能 微生物細胞的生存方式與動物丶植物等高等生物的細胞不 同,微生物紐胞能獨立存在’自主生活η。因此每個微生物細胞 都具有能量轉換機構丶這種機構可把其他形式的能量轉換成能被 其自身直接使用的生物動能(如ATP,GTP)和生物勢能(儲 存在膜上的質子運動勢』P)·暫且把生物動能和生物勢能一起 稱爲生物能φ在生物能的直接支撐下’活細胞才能維持其高度有 序的狀態
張星元：發酵原理電子講義 附錄 1-3 16 圖 2 細胞組成物質的合成[3] 4 工業發酵的 23 條基本概念 以上基本假說和預測從化能異養型微生物生物生命活動中 的電子流、碳架物質流，以及理化和生物資訊流三個不同的側面 審視工業發酵中微生物細胞的生命活動，使七十年代末出現“能 量流”、“資訊流”和“資訊流”的說法在工業發酵領域的到了 具體化。工業發酵的三個基本觀點對應於微生物生物工程的三個 重要學說，即細胞能學、細胞第二解剖學和細胞經濟學。爲了幫 助讀者正確理解以上理論，下面分別從細胞能學（4.1—4.4）、 細胞第二解剖學（4.5—4.17）和細胞經濟學（4.18—4.23）三個 方面構建工業發酵的 23 條基本概念，從微生物生物工程和代謝 工程的角度來支撐工業發酵的基本理論。 4．1 微生物細胞能爲其自身提供生物能 微生物細胞的生存方式與動物、植物等高等生物的細胞不 同，微生物細胞能獨立存在，自主生活[7]。因此每個微生物細胞 都具有能量轉換機構，這種機構可把其他形式的能量轉換成能被 其自身直接使用的生物動能 （ 如 ATP，GTP ）和生物勢能（儲 存在膜上的質子運動勢ΔP），暫且把生物動能和生物勢能一起 稱爲生物能。在生物能的直接支撐下，活細胞才能維持其高度有 序的狀態