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]