全国生物工程学会“三大”交流(北京-2001.7).ppt

微生物生物工程

根本理论的探索

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张星元

江南大学生物工程学院

江苏无锡214036;2024/7/27;摘要;前言;微生物生物工程根本理论的探索;第一局部;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，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。工业发酵理论的研究是从这个根底水平上开始的。;2.工业发酵的根本模式

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，那么可以为工业发酵建立以微生物活细胞为中心的根本模式：;工业发酵的基本模式;培养基中的有机营养物质跨膜进入微生物活细胞；

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；

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，能源化合物进入细胞，经过代谢转换，以一种变化了的形式输出；靠消耗能量来保证细胞结构与功能的有序状态。;在此根本模式的根底上，本文作者于1997年提出以下关于工业发酵的三个根本观点：;第二局部

工业发酵的三个根本观点;1.能量支撑的观点;2.代谢网络的观点;3.细胞经济的观点;第三局部

微生物生物工程根本理论的探索;三个根本假说;生物能支撑假说

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。;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。;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。;运用演绎逻辑的方法

从以上假说做出推理;如果第一假说成立，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。;如果第二假说成立，那么??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。;如果推理二和假说一、二、三成立，那么就可以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，构建一种导向型细胞经济，从而使微生物细胞获得赖以生存的生物能，并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。;第四局部

工业发酵的23条根本概念;细胞能学〔1——4〕;1.微生物细胞能为其自身提供生物能;2.细胞能量转换机构的组成;3.微生物代谢中的电子流和质子回路;ATP;4.生物氧化和辅酶的回用;第二解剖学〔5——15〕;5.生化反响途径和代谢途径;6.生化反响网络和代谢网络;7.代谢网络的联网问题;8.代谢流与碳架物质流;9.代谢主流;10.载流途径;11.代谢主流的变动性和选择性;12.理想载流途径;13.微生物生物工程的难题;14.理想载流途径的五段式;理想载流途径的五段式;15.设计育种和发酵工艺控制的五字策略;设计育种和发酵工艺控制的五字策略;16.代谢网络的节点及其刚性;17.代谢网络的刚性;细胞经济学〔18——23〕;;19.正常代谢和竞争型细胞经济;20.异常代谢和导向型细胞经济;21.细胞经济受到严格的制约;22.信息流指导下的工业发酵;23.限制性遗传信息之谜;微生物生物工程〔工业发酵〕后继有人;

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