四节细胞经济假说与细胞经济学课件.ppt

1、2023-2-11张星元：发酵原理12023-2-11张星元：发酵原理2 细胞是生物的基本单位，每个细胞是生物的基本单位，每个生命有机体或者由细胞组成，或者生命有机体或者由细胞组成，或者它本身就是单个细胞。生物工程和它本身就是单个细胞。生物工程和发酵工程科技人员认识微生物细胞发酵工程科技人员认识微生物细胞就是要它们工作，因此就更关注它就是要它们工作，因此就更关注它们工作的们工作的能力能力和和局限性局限性，也就是微，也就是微生物细胞的生物细胞的经济工作原理。经济工作原理。2023-2-11张星元：发酵原理34.4.1 工业发酵与细胞经济的对立工业发酵与细胞经济的对立 和统一和统一4.4.2 网络

2、及节点刚性理论与五字网络及节点刚性理论与五字 策略的互补性策略的互补性4.4.3 细胞经济假说与细胞经济学细胞经济假说与细胞经济学 的萌芽的萌芽2023-2-11张星元：发酵原理44.4.1 工业发酵与细胞经济的对立工业发酵与细胞经济的对立 和统一和统一 工业发酵的目的是利用微生物工业发酵的目的是利用微生物的生命活动为人类造福，为世界消的生命活动为人类造福，为世界消灾。既然微生物的细胞经济的价值灾。既然微生物的细胞经济的价值取向是自我保障，那么工业发酵与取向是自我保障，那么工业发酵与细胞经济之间有什么关系呢？细胞经济之间有什么关系呢？2023-2-11张星元：发酵原理54.4.1.1 微生物的

3、天然进化不可能刻微生物的天然进化不可能刻 去照顾人类的利益去照顾人类的利益4.4.1.2 微生物的生存利益与人类的微生物的生存利益与人类的 经济利益的对立与统一经济利益的对立与统一4.4.1.3 发酵工业生产中的人的主观发酵工业生产中的人的主观 能动作用的发挥能动作用的发挥 2023-2-11张星元：发酵原理64.4.1.1微生物的天然进化不可能刻意去照顾微生物的天然进化不可能刻意去照顾 人类的利益人类的利益 生命是生命是以遗传信息维系的、以不断自我以遗传信息维系的、以不断自我更新的形式存在于时间和空间的更新的形式存在于时间和空间的过程过程，因此，因此必须以必须以历史唯物主义的观点历史唯物主义

4、的观点来研究微生物进来研究微生物进化和发展。宇宙万物都在运动和变化。天然化和发展。宇宙万物都在运动和变化。天然存在的微生物物种是微生物在大自然中进行存在的微生物物种是微生物在大自然中进行生命活动和发生遗传物质的变化。在微生物生命活动和发生遗传物质的变化。在微生物进化的历史长河中，运动变化中的微生物经进化的历史长河中，运动变化中的微生物经受了环境的种种考验，经过受了环境的种种考验，经过生存斗争生存斗争，适者适者生存生存下来，形成现在的各种微生物物种。下来，形成现在的各种微生物物种。2023-2-11张星元：发酵原理7 因此，它们是经物竞天择而得到的因此，它们是经物竞天择而得到的阶段性进化成果。它

5、们的生命活动规律阶段性进化成果。它们的生命活动规律是在亿万年的物竞天择的过程中建立和是在亿万年的物竞天择的过程中建立和逐步完善的，是不以人的主观意志为转逐步完善的，是不以人的主观意志为转移的客观存在。移的客观存在。天然存在的各种微生物天然存在的各种微生物物种的生命活动过程物种的生命活动过程不论是造福于不论是造福于人类或危害人类的人类或危害人类的都是它们按它们都是它们按它们自己的生命活动规律进行生存竞争的新自己的生命活动规律进行生存竞争的新陈代谢过程。陈代谢过程。微生物的天然进化不可能微生物的天然进化不可能刻意去照顾人类的利益。刻意去照顾人类的利益。2023-2-11张星元：发酵原理8 微生物具

6、有造福于人类的巨大潜力，微生物具有造福于人类的巨大潜力，人类利用微生物可以实现更多美好的理人类利用微生物可以实现更多美好的理想。然而，想。然而，在发酵工业中人类只有依靠在发酵工业中人类只有依靠微生物才能间接地达到目的。因此，为微生物才能间接地达到目的。因此，为了在工业发酵中争取主动，必须发挥人了在工业发酵中争取主动，必须发挥人的主观能动作用，协调好工业生产中人的主观能动作用，协调好工业生产中人类的经济利益与微生物生存竞争之间的类的经济利益与微生物生存竞争之间的关系。关系。为此，必须研究微生物生命活动为此，必须研究微生物生命活动的规律，以及这个规律和人的意志之间的规律，以及这个规律和人的意志之间

7、的对立与统一。的对立与统一。2023-2-11张星元：发酵原理94.4.1.2 微生物的生存利益与人类的经微生物的生存利益与人类的经 济利益的对立与统一济利益的对立与统一 人类和微生物同样都是地球的居民，人类和微生物同样都是地球的居民，都是生命体，在地球生存空间处于理论都是生命体，在地球生存空间处于理论上的平等的地位。尽管，人类有思维能上的平等的地位。尽管，人类有思维能力，微生物没有；人类也不可能随心所力，微生物没有；人类也不可能随心所欲地支配微生物的生命活动。微生物有欲地支配微生物的生命活动。微生物有它自己的相对稳定的生命活动规律，这它自己的相对稳定的生命活动规律，这些规律是经千千万万年的物

8、竞天择而稳些规律是经千千万万年的物竞天择而稳定下来的。定下来的。2023-2-11张星元：发酵原理10 微生物代谢产物的生物合成微生物代谢产物的生物合成必须依必须依靠微生物的高度有序的生命活动，决不靠微生物的高度有序的生命活动，决不是是打乱打乱它。它。人类要利用微生物为自己服人类要利用微生物为自己服务，就必须研究、了解并遵循微生物的务，就必须研究、了解并遵循微生物的生命活动规律，生命活动规律，在可能范围内对微生物在可能范围内对微生物的生命活动进行的生命活动进行引导引导，而不是随意将自，而不是随意将自己的意志强加给微生物。己的意志强加给微生物。工业发酵呼唤工业发酵呼唤人与微生物的合作人与微生物的

9、合作，而在合作中，人处，而在合作中，人处于主导的地位，人应该发挥主观能动作于主导的地位，人应该发挥主观能动作用。用。2023-2-11张星元：发酵原理11 微生物生命活动有其自己的生存、微生物生命活动有其自己的生存、发展的保障机制，这些机制服务于它们发展的保障机制，这些机制服务于它们自身的生存竞争；在工业生产中，人类自身的生存竞争；在工业生产中，人类通过微生物的生命活动谋求经济效益。通过微生物的生命活动谋求经济效益。微生物的生存利益与人类的经济利微生物的生存利益与人类的经济利益，也就是微生物的生命活动规律和人益，也就是微生物的生命活动规律和人的意志，这两者的意志，这两者既是对立的，又是统一既是

10、对立的，又是统一的的。科学和技术工作的目的就在于努力。科学和技术工作的目的就在于努力促使对立向统一的转化。促使对立向统一的转化。2023-2-11张星元：发酵原理12 微生物在生存竞争中进化的总的方微生物在生存竞争中进化的总的方向是发展其自身的向是发展其自身的适应性适应性、经济性经济性和和代代谢的持续性（生命保障）谢的持续性（生命保障）。微生物代谢微生物代谢过程中任何中间产物、细胞组分或酶的过程中任何中间产物、细胞组分或酶的过多产生都是与其求生存的利益背道而过多产生都是与其求生存的利益背道而驰的，只有当驰的，只有当 3 个子系统协调运转，实个子系统协调运转，实现最大限度的生长和繁殖，才是符合微

11、现最大限度的生长和繁殖，才是符合微生物自身利益的。生物自身利益的。2023-2-11张星元：发酵原理13 把微生物细胞作为把微生物细胞作为“细胞机器细胞机器”，用，用来合成人类所需要的化学物质是人类的美来合成人类所需要的化学物质是人类的美好理想。好理想。如果工业发酵的目的仅仅是为了获得如果工业发酵的目的仅仅是为了获得菌体细胞，事情还好办些，因为这与微生菌体细胞，事情还好办些，因为这与微生物进化的目标一致；但如果要想获得的化物进化的目标一致；但如果要想获得的化学物质是代谢的中间产物，或细胞的生物学物质是代谢的中间产物，或细胞的生物大分子或其它细胞物质的话，那就要求微大分子或其它细胞物质的话，那就

12、要求微生物过量地合成这些物质，而且还要及时生物过量地合成这些物质，而且还要及时将它们排出细胞。将它们排出细胞。2023-2-11张星元：发酵原理144.4.1.3 发酵工业生产中人的主观能发酵工业生产中人的主观能 动作用的发挥动作用的发挥 微生物工业（发酵工业）是生物微生物工业（发酵工业）是生物工业的开路先锋。工业的开路先锋。发酵工业生产依赖发酵工业生产依赖于微生物生命活动；微生物活细胞在于微生物生命活动；微生物活细胞在人给定的条件下进行新陈代谢，完成人给定的条件下进行新陈代谢，完成人交给它们的生产任务。人交给它们的生产任务。2023-2-11张星元：发酵原理15 在发酵工业生产中，人的意愿要

13、通在发酵工业生产中，人的意愿要通过微生物的生命活动来实现，人类只有过微生物的生命活动来实现，人类只有依靠微生物才能间接地达到目的。依靠微生物才能间接地达到目的。在发在发酵工业中人客观上处于被动的地位，而酵工业中人客观上处于被动的地位，而微生物在求生存的方向上始终是主动的。微生物在求生存的方向上始终是主动的。对于工业微生物学家和发酵工程师对于工业微生物学家和发酵工程师来说，如何在发酵工业生产中调动微生来说，如何在发酵工业生产中调动微生物的积极因素，始终是一个挑战性的问物的积极因素，始终是一个挑战性的问题。题。2023-2-11张星元：发酵原理16 在微生物生命活动中，微生物在微生物生命活动中，微

14、生物细胞生存的保障体系有利于它们自细胞生存的保障体系有利于它们自身的生存竞争；在发酵工业生产中，身的生存竞争；在发酵工业生产中，人类要利用微生物的生命活动谋求人类要利用微生物的生命活动谋求经济效益。经济效益。微生物的生存利益与人微生物的生存利益与人类的经济利益，也就是微生物的生类的经济利益，也就是微生物的生命活动规律和人的意志，这两者既命活动规律和人的意志，这两者既是对立的，又是统一的。是对立的，又是统一的。2023-2-11张星元：发酵原理17 发酵工程的基本矛盾在于：人出于发酵工程的基本矛盾在于：人出于经济利益对微生物代谢的导向与微生物经济利益对微生物代谢的导向与微生物的细胞的生存保障体系

15、对这种导向的抵的细胞的生存保障体系对这种导向的抵抗。抗。在对立和统一的矛盾斗争和相互转在对立和统一的矛盾斗争和相互转化中，人的作用是关键的。正确理论的化中，人的作用是关键的。正确理论的指导和应顺自然规律的实践能够使对立指导和应顺自然规律的实践能够使对立向统一转化。向统一转化。2023-2-11张星元：发酵原理18 我们研究微生物的生命活动规律，建我们研究微生物的生命活动规律，建立工业发酵的生物学理论就是为了能在发立工业发酵的生物学理论就是为了能在发酵工业中酵工业中引导微生物的代谢，使微生物的引导微生物的代谢，使微生物的生存保障的本能与人的经济利益的对立在生存保障的本能与人的经济利益的对立在维持

16、微生物细胞的生存维持微生物细胞的生存 （高度有序的状高度有序的状态）态）这一点上得到统一，这一点上得到统一，让用于发酵生产让用于发酵生产的微生物细胞在人为的特定条件下进行新的微生物细胞在人为的特定条件下进行新陈代谢的同时，为人类生产指定的代谢产陈代谢的同时，为人类生产指定的代谢产物。物。2023-2-11张星元：发酵原理19 人对微生物的生命活动规人对微生物的生命活动规律理解得愈深，对微生物代谢律理解得愈深，对微生物代谢的引导就愈有效，在发酵工业的引导就愈有效，在发酵工业生产中的主动权就愈大。生产中的主动权就愈大。2023-2-11张星元：发酵原理204.4.2 刚性理论与五字刚性理论与五字

17、策略的互补性策略的互补性2023-2-11张星元：发酵原理21 代谢网络刚性理论代谢网络刚性理论是指有关代是指有关代谢网络及其节点刚性的理论。谢网络及其节点刚性的理论。本小节将从本小节将从节点的刚性节点的刚性、网络网络的刚性的刚性、刚性代谢（生命保障体系刚性代谢（生命保障体系）的基本概念出发，进而追究刚性的的基本概念出发，进而追究刚性的由来，以及由来，以及生存保障体系生存保障体系与与代谢变代谢变动性动性、遗传保守性遗传保守性的关系，简单地的关系，简单地讨论代谢网络刚性理论。讨论代谢网络刚性理论。2023-2-11张星元：发酵原理22 微生物自动抵制代谢网络微生物自动抵制代谢网络中代谢物流量分布

18、的改变的特中代谢物流量分布的改变的特性叫做代谢网络的刚性。性叫做代谢网络的刚性。代谢代谢网络的刚性与主要节点的刚性网络的刚性与主要节点的刚性大小、分布及数量密切相关。大小、分布及数量密切相关。2023-2-11张星元：发酵原理234.4.2.1 途径分支点的分类途径分支点的分类4.4.2.2 代谢网络与亚网络代谢网络与亚网络 4.4.2.3 节点刚性理论与五字策节点刚性理论与五字策 略的互补性略的互补性 2023-2-11张星元：发酵原理244.4.2.1 途径分支点的分类途径分支点的分类 代谢网络中，两条或多条代谢途径代谢网络中，两条或多条代谢途径的的中介分支点（中介分支点（intermed

19、iate branch point）称为称为节点（节点（node）。在生物学过程中，往往由于途径的在生物学过程中，往往由于途径的酶水平或酶活性而影响途径的产品的得酶水平或酶活性而影响途径的产品的得率。虽然指向产品的分支途径的酶的整率。虽然指向产品的分支途径的酶的整体活性决定细胞机器的体活性决定细胞机器的“生产力生产力”，然，然而，而，产品得率是节点处流量分流（产品得率是节点处流量分流（flux split ratio）的函数。的函数。2023-2-11张星元：发酵原理25 虽然由不同生物体调节代谢流量所虽然由不同生物体调节代谢流量所用的代谢控制机制明显地多样化，然而用的代谢控制机制明显地多样化

20、，然而基于在节点处代谢流的分流比的控制特基于在节点处代谢流的分流比的控制特性，对节点进行分类。如果处于分支点性，对节点进行分类。如果处于分支点的代谢中间物在各个分支上的分流比不的代谢中间物在各个分支上的分流比不易改变，这样的分支点被叫做易改变，这样的分支点被叫做刚性节点刚性节点（rigid node）；）；反之，叫被叫做反之，叫被叫做挠性挠性节点（节点（flexible node），介于两者之间介于两者之间者则为者则为弱刚性节点弱刚性节点。刚刚，取其，取其抵抗改变抵抗改变之意；之意；挠挠，取其，取其屈服顺从屈服顺从之意。之意。2023-2-11张星元：发酵原理26 微生物代谢网络中的节点也微生

21、物代谢网络中的节点也是是代谢流的集散处代谢流的集散处，微生物自动微生物自动抵制节点处代谢物流量分流比的抵制节点处代谢物流量分流比的改变的特性叫做改变的特性叫做节点的刚性节点的刚性。节。节点的刚性取决于微生物代谢的自点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。动调节机制。2023-2-11张星元：发酵原理27S，为底物；为底物；P，为产物。分支处为节点。为产物。分支处为节点。2023-2-11张星元：发酵原理28 刚性节点（刚性节点（rigid node）：）：抵抗分流比改抵抗分流比改变的节点。变的节点。如果某节点处的分流比受到该处如果某节点处的分流比受到该处的一条或多条支路严格的控制，这样的节点的

22、一条或多条支路严格的控制，这样的节点被称为刚性节点。被称为刚性节点。这种控制往往是通过反馈这种控制往往是通过反馈控制和交叉激活两种机制的联合作用来实现控制和交叉激活两种机制的联合作用来实现的。所谓联合作用，是指各个分支途径自身的。所谓联合作用，是指各个分支途径自身的反馈控制和与之竞争原料的分支途径的产的反馈控制和与之竞争原料的分支途径的产物对它的交叉激活，两种机制一起发生作用。物对它的交叉激活，两种机制一起发生作用。刚性节点处的分流比不易发生改变，因为与刚性节点处的分流比不易发生改变，因为与节点相关的各种酶均存在节点相关的各种酶均存在特定的动力学关系特定的动力学关系。2023-2-11张星元：

23、发酵原理29 挠性节点（挠性节点（flexible node）：）：屈服于屈服于分流比改变的节点。分流比改变的节点。在此类节点处的分在此类节点处的分流比容易根据细胞代谢的需求做出响应流比容易根据细胞代谢的需求做出响应，即容易做出相应的改变。即容易做出相应的改变。从这些节点出从这些节点出发的互相竞争的分支途径的第一个酶，发的互相竞争的分支途径的第一个酶，对节点（酶的底物）有类似的底物亲和对节点（酶的底物）有类似的底物亲和力，有类似的酶反应速率。挠性节点不力，有类似的酶反应速率。挠性节点不限制分支途径的产物得率，因为无论何限制分支途径的产物得率，因为无论何时只要需要，任何分支途径的分流比都时只要需

24、要，任何分支途径的分流比都可能在可能在0100%范围变动，因此范围变动，因此挠性节挠性节点是最点是最“顺从顺从”的（上图右半部分）的（上图右半部分）。2023-2-11张星元：发酵原理30弱刚性节点（弱刚性节点（weakly rigid node）：）：性能上处于前述两种节点之间的节点性能上处于前述两种节点之间的节点原则上都属于弱刚性节点。严格地说，原则上都属于弱刚性节点。严格地说，如果一个节点的分流比主要取决于一如果一个节点的分流比主要取决于一条分支途径的动力学（即构成分支途条分支途径的动力学（即构成分支途径的所有酶的整体响应），这样的节径的所有酶的整体响应），这样的节点叫做弱刚性节点。点叫

25、做弱刚性节点。2023-2-11张星元：发酵原理31 弱刚性节点的分流比由一个分支途弱刚性节点的分流比由一个分支途径（优势分支）控制径（优势分支）控制，这可能是由于优，这可能是由于优势分支途径的第一个酶具有较高的比活势分支途径的第一个酶具有较高的比活力和（或）较高的底物（节点）亲和力，力和（或）较高的底物（节点）亲和力，并且不受反馈抑制；即使从属分支（假并且不受反馈抑制；即使从属分支（假定是流向产物的分支）解除调节，还是定是流向产物的分支）解除调节，还是有相当大的一部分流量依然进入优势分有相当大的一部分流量依然进入优势分支，从而限制产物得率的上升。支，从而限制产物得率的上升。2023-2-11

26、张星元：发酵原理32 弱刚性节点与挠性节点有如下不同：弱刚性节点与挠性节点有如下不同：一条分支途径与另一条（一些）分支途径一条分支途径与另一条（一些）分支途径相比，占有明显的优势。相比，占有明显的优势。这是由于优势分这是由于优势分支途径的酶对共同代谢物（节点）有更大支途径的酶对共同代谢物（节点）有更大的亲和力，并且（或者）优势分支途径的的亲和力，并且（或者）优势分支途径的酶比从属的分支途径的酶有更大的整体活酶比从属的分支途径的酶有更大的整体活性。在这种情况下，完全解除从属分支途性。在这种情况下，完全解除从属分支途径的调节，也不会对流量有什么显著的影径的调节，也不会对流量有什么显著的影响。另一方

27、面，如果优势分支途径的活性响。另一方面，如果优势分支途径的活性被减弱，就会显著增加流入从属分支途径被减弱，就会显著增加流入从属分支途径的流量。的流量。2023-2-11张星元：发酵原理33 强刚性节点是被终端产物激活或抑制强刚性节点是被终端产物激活或抑制高度调控（上图左半部分）高度调控（上图左半部分）。在这个例子。在这个例子中，每个产物代谢物作为其竞争分支途径中，每个产物代谢物作为其竞争分支途径的激活剂，同时又作为其自己合成途径的的激活剂，同时又作为其自己合成途径的抑制剂。反馈抑制总是施加在催化途径第抑制剂。反馈抑制总是施加在催化途径第一步反应的酶上。一步反应的酶上。刚性节点对途径的产物刚性节

28、点对途径的产物得率施加控制性的影响，它的解除调节比得率施加控制性的影响，它的解除调节比酶学的弱化可能更为复杂。酶学的弱化可能更为复杂。因此在应用因此在应用“五字策略五字策略”制订育种的制订育种的具体方案时应尽量采用解除调节的育种手具体方案时应尽量采用解除调节的育种手段。段。2023-2-11张星元：发酵原理34 假定目标是增加假定目标是增加P1分支的分流比，而分支的分流比，而且，在没有激活剂且，在没有激活剂 P2存在时，存在时，P1的稳态浓的稳态浓度（度（steady state concentration）高得足以高得足以抑制它本身的合成。在这种情况下，增加抑制它本身的合成。在这种情况下，增

29、加P1 分支途径的分流比就会减弱流向分支途径的分流比就会减弱流向P2的流的流量。然而，对于强刚性节点，这种做法将量。然而，对于强刚性节点，这种做法将导致导致P2的低水平，所以的低水平，所以P1 分支途径将会丧分支途径将会丧失失P2对它的激活作用。简单地说，一条分对它的激活作用。简单地说，一条分支途径的弱化导致其竞争分支途径的弱化，支途径的弱化导致其竞争分支途径的弱化，结果是整个结果是整个节点崩溃（节点崩溃（collapse），每条每条分支途径的分流比相对来说没有改变。分支途径的分流比相对来说没有改变。2023-2-11张星元：发酵原理35 因为复杂、多样的控制结构和酶动力学，因为复杂、多样的控

30、制结构和酶动力学，代谢网络并不总是呈现上述分类所暗示的对代谢网络并不总是呈现上述分类所暗示的对于流量分配的二元响应于流量分配的二元响应。因此，强刚性节点因此，强刚性节点的一条分支途径的弱化可能仅仅导致与它竞的一条分支途径的弱化可能仅仅导致与它竞争的分支途径的部分弱化，以致有可能争的分支途径的部分弱化，以致有可能在包在包含一个刚性节点的依赖型网络含一个刚性节点的依赖型网络（dependent network）中实现产物得率改进。也有可能中实现产物得率改进。也有可能因为弱化无用的途径而引起中间代谢物的分因为弱化无用的途径而引起中间代谢物的分泌，而不是流量的降低或代谢流的方向的改泌，而不是流量的降低

31、或代谢流的方向的改变。变。2023-2-11张星元：发酵原理36 尽管其他可能的控制结构也可尽管其他可能的控制结构也可能产生一个刚性节点，任何此类控能产生一个刚性节点，任何此类控制的关键问题是，在互相竞争的分制的关键问题是，在互相竞争的分支途径之间存在一个反馈（相互影支途径之间存在一个反馈（相互影响）机制，以维持分流比恒定的趋响）机制，以维持分流比恒定的趋势。刚性节点不仅能限制产物得率，势。刚性节点不仅能限制产物得率，而且通过而且通过简单的简单的酶活性弱化不容易酶活性弱化不容易减轻这种作用。减轻这种作用。2023-2-11张星元：发酵原理372023-2-11张星元：发酵原理38 上图所示的异

32、柠檬酸节点是一个已经过上图所示的异柠檬酸节点是一个已经过全面研究的代谢分支点。当细胞在醋酸盐基全面研究的代谢分支点。当细胞在醋酸盐基质上生长时，异柠檬酸裂合酶（质上生长时，异柠檬酸裂合酶（IL）被诱导；被诱导；醋酸盐在碳架物质的回补方面起重要作用，醋酸盐在碳架物质的回补方面起重要作用，否则碳架物质就会在否则碳架物质就会在TCA循环中以循环中以CO2的形的形式丢失。式丢失。当在醋酸盐基质上生长时，异柠檬当在醋酸盐基质上生长时，异柠檬酸脱氢酶（酸脱氢酶（IDH）主要处于磷酸化状态（大主要处于磷酸化状态（大约约80%），在这种状态下该酶没有活性。当），在这种状态下该酶没有活性。当给予细胞更有利的碳源

33、时，如葡萄糖，给予细胞更有利的碳源时，如葡萄糖，IDH就会迅速脱磷酸而被激活。就会迅速脱磷酸而被激活。这是共价调节的这是共价调节的一个典型例子。一个典型例子。2023-2-11张星元：发酵原理39 上图概括了在上图概括了在乙酸盐上生长时，两种乙酸盐上生长时，两种互相竞争酶的动力学互相竞争酶的动力学参数。该分支点的一参数。该分支点的一个重要特征是各自的个重要特征是各自的 Km 值差别极大，异值差别极大，异柠檬酸裂合酶（柠檬酸裂合酶（IL）的的 Km 值是异柠檬酸值是异柠檬酸脱氢酶（脱氢酶（IDH）的的75倍。在异柠檬酸生理倍。在异柠檬酸生理浓度时（浓度时（约约160molL-1），），IL 催化

34、的反催化的反应是关于异柠檬酸的一级反应，而应是关于异柠檬酸的一级反应，而IDH 则则已被共同底物异柠檬酸所饱和。因为这两已被共同底物异柠檬酸所饱和。因为这两种酶的动力学的相互控制，通过该支路的种酶的动力学的相互控制，通过该支路的流量对异柠檬酸浓度水平的变化极端敏感。流量对异柠檬酸浓度水平的变化极端敏感。2023-2-11张星元：发酵原理40 若向乙酸基质中生长的培养物中加入葡若向乙酸基质中生长的培养物中加入葡萄糖，不仅能使萄糖，不仅能使IDH 的的vmax提高（提高（葡萄糖可葡萄糖可使使IDH 的的vmax增加增加 5 倍）倍），同时通过柠檬酸，同时通过柠檬酸裂合酶的碳流的相应减少，其总结果是

35、胞内裂合酶的碳流的相应减少，其总结果是胞内异柠檬酸水平降低（大约异柠檬酸水平降低（大约170 倍）。倍）。因为与因为与IDH 相比，相比，IL 对异柠檬酸有一个显著高的对异柠檬酸有一个显著高的 Km，所以异柠檬酸浓度的下降使通过该支所以异柠檬酸浓度的下降使通过该支路的流量有一个很大程度（约路的流量有一个很大程度（约99%）的减少。）的减少。2023-2-11张星元：发酵原理41 因此，虽然没有任何已知的变构因此，虽然没有任何已知的变构调节剂直接作用于调节剂直接作用于IL，通过它的流量通过它的流量可从总量的可从总量的 30%下降到实际上的下降到实际上的 0。这种控制很有趣的特性是，最受影响这种控

36、制很有趣的特性是，最受影响的酶的酶 IL 没有受到直接控制。这种现没有受到直接控制。这种现象已经被称作象已经被称作分支点效应分支点效应。2023-2-11张星元：发酵原理424.4.2.2 代谢网络与亚网络代谢网络与亚网络 代谢网络的包含代谢网络的包含 2 个以上节点的个以上节点的任何部分，都可以称为该代谢网络的任何部分，都可以称为该代谢网络的亚网络。亚网络。代谢网络和亚网络的结构可以抽代谢网络和亚网络的结构可以抽象为两个基本类型：象为两个基本类型：独立型亚网络独立型亚网络和和依赖型亚网络依赖型亚网络。2023-2-11张星元：发酵原理43SBP12SB1B2P依赖型亚网络依赖型亚网络独立型亚

37、网络独立型亚网络S-基质基质P-目的产物目的产物B-副产物副产物 -节点节点122023-2-11张星元：发酵原理44依赖型亚网络：依赖型亚网络：亚网络中的每个节点向终端产物亚网络中的每个节点向终端产物贡献一个贡献一个按化学计量按化学计量消耗的组成部分；消耗的组成部分；所有分支的流量必须达到化学计量平所有分支的流量必须达到化学计量平衡，以防胞内代谢中间物的累积和分衡，以防胞内代谢中间物的累积和分泌。若要提高产物转化率两个节点的泌。若要提高产物转化率两个节点的流量分配都必须改变，两个节点的重流量分配都必须改变，两个节点的重要性相同。要性相同。2023-2-11张星元：发酵原理45独立型亚网络：独

38、立型亚网络：亚网络的主要节点不是以按比亚网络的主要节点不是以按比例缩合的方式形成产物，改变任何例缩合的方式形成产物，改变任何一个节点上的流量分配就有可能提一个节点上的流量分配就有可能提高产物转化率，但节点的重要性不高产物转化率，但节点的重要性不同。同。2023-2-11张星元：发酵原理46 代谢网络中包含大量的节点，一代谢网络中包含大量的节点，一般认为只有相当少的节点，其分流比般认为只有相当少的节点，其分流比实际上影响目的产物得率，这些节点实际上影响目的产物得率，这些节点称称为主要节点为主要节点（principal node）。网络的刚性程度取决于主要节点的性网络的刚性程度取决于主要节点的性质

39、及其在网络中的分布。质及其在网络中的分布。不论在独立型还是依赖型的代谢不论在独立型还是依赖型的代谢网络中，网络中，网络的刚性程度最终取决于网络的刚性程度最终取决于将主节点的流量分布从适于生存竞争将主节点的流量分布从适于生存竞争变成适于目的产物形成的难易程度。变成适于目的产物形成的难易程度。2023-2-11张星元：发酵原理474.4.2.2 代谢工程与五字策略代谢工程与五字策略 的互补性的互补性2023-2-11张星元：发酵原理48 微生物生物工程基本理论已对代谢微生物生物工程基本理论已对代谢流及其控制作了定性或半定量的分析，流及其控制作了定性或半定量的分析，并在此基础上建立了代谢导向的五字策

40、并在此基础上建立了代谢导向的五字策略。这就为代谢流（及其控制）的定量略。这就为代谢流（及其控制）的定量分析架起了桥梁。为发酵工程研究人员分析架起了桥梁。为发酵工程研究人员和技术人员学习和应用代谢工程的代谢和技术人员学习和应用代谢工程的代谢分析和综合技术打好了理论基础。分析和综合技术打好了理论基础。2023-2-11张星元：发酵原理49代谢工程是这样一种生物工程技术：代谢工程是这样一种生物工程技术：在对代谢流及其控制进行定量在对代谢流及其控制进行定量分析的基础上，提出精确的遗传修分析的基础上，提出精确的遗传修饰方案，并借助分子生物学技术付饰方案，并借助分子生物学技术付诸实施。如此按部就班反复进行

41、实诸实施。如此按部就班反复进行实践，从代谢的整体上改善细胞的性践，从代谢的整体上改善细胞的性能和应用前景。能和应用前景。2023-2-11张星元：发酵原理50 五字策略的统筹方法对代谢工程五字策略的统筹方法对代谢工程育种有宏观指导意义，但五字策略是育种有宏观指导意义，但五字策略是建立在人一厢情愿的基础上的统筹策建立在人一厢情愿的基础上的统筹策略。按五字策略制定育种方案时，尽略。按五字策略制定育种方案时，尽管是以从原料到产物的载流路径及其管是以从原料到产物的载流路径及其调节机制为依据的，但一般并没有把调节机制为依据的，但一般并没有把节点刚性的因素考虑在内；在实施时节点刚性的因素考虑在内；在实施时

42、也就不可能完全达到预期目标。也就不可能完全达到预期目标。2023-2-11张星元：发酵原理51 对于流经刚性节点的代谢流，仅对于流经刚性节点的代谢流，仅仅改变该节点下游的反应的酶水平或仅改变该节点下游的反应的酶水平或活性的，是不可能对代谢流进行顺利活性的，是不可能对代谢流进行顺利导向的。如果目标节点为挠性节点或导向的。如果目标节点为挠性节点或弱刚性节点弱刚性节点，则可放心按应用五字策则可放心按应用五字策略制订育种方案进行相应的遗传操作，略制订育种方案进行相应的遗传操作，因为挠性节点对代谢流的导向是最顺因为挠性节点对代谢流的导向是最顺从的。考虑到可能存在刚性节点，在从的。考虑到可能存在刚性节点，

43、在应用五字策略制订育种的具体方案时应用五字策略制订育种的具体方案时应尽量采用解除调节的育种手段。应尽量采用解除调节的育种手段。2023-2-11张星元：发酵原理52 代谢途径分析以及基于这些分析代谢途径分析以及基于这些分析所进行的分子遗传学操作，必须把代所进行的分子遗传学操作，必须把代谢网络节点刚性的问题考虑在内。五谢网络节点刚性的问题考虑在内。五字策略仍需用代谢刚性理论来校验、字策略仍需用代谢刚性理论来校验、补充和修正。根据五字策略制订育种补充和修正。根据五字策略制订育种方案，必要时需要对载流路径上的主方案，必要时需要对载流路径上的主要节点（产物形成时代谢流量发生明要节点（产物形成时代谢流量

44、发生明显改变的节点）的性质进行评估。显改变的节点）的性质进行评估。2023-2-11张星元：发酵原理53 五字策略与代谢工程是互补的，五字策略与代谢工程是互补的，各有侧重的。常规育种成本低，实验各有侧重的。常规育种成本低，实验周期短，采用五字策略一般都能取得周期短，采用五字策略一般都能取得比较好的效果（五个字中只要有两三比较好的效果（五个字中只要有两三个字有效）。代谢工程育种有时也要个字有效）。代谢工程育种有时也要以常规育种的成果菌种作为基础材料。以常规育种的成果菌种作为基础材料。因此，五字策略宏观指导下的代谢工因此，五字策略宏观指导下的代谢工程育种也许更切合工业生产实际。程育种也许更切合工业

45、生产实际。2023-2-11张星元：发酵原理54 4.4.3 细胞经济假说与细细胞经济假说与细 胞经济学的萌芽胞经济学的萌芽 2023-2-11张星元：发酵原理55 微生物细胞的代谢实际上微生物细胞的代谢实际上是自然界的一种经济运行。细是自然界的一种经济运行。细胞经济假说把微生物细胞作为胞经济假说把微生物细胞作为按特殊的经济规律运行的经济按特殊的经济规律运行的经济实体来看待。我们把这种按特实体来看待。我们把这种按特殊的经济规律运行的殊的经济规律运行的有利于微有利于微生物的生存竞争的新陈代谢整生物的生存竞争的新陈代谢整体性体性叫做叫做细胞经济性细胞经济性。2023-2-11张星元：发酵原理56

46、微生物群体作为大自然的不可分割微生物群体作为大自然的不可分割的部分，如大自然一样，有其自身的运的部分，如大自然一样，有其自身的运行规律。人类社会同样是大自然的不可行规律。人类社会同样是大自然的不可分割的部分，也有其自身的经济运行规分割的部分，也有其自身的经济运行规律。然而，律。然而，因为人有智慧，有认识大自因为人有智慧，有认识大自然（包括人类自身）的经济运行规律的然（包括人类自身）的经济运行规律的能力，所以有可能局部地改变大自然能力，所以有可能局部地改变大自然经经济运行的状况济运行的状况，但无法改变大自然（包，但无法改变大自然（包括微生物）括微生物）经济运行的规律经济运行的规律。2023-2-

47、11张星元：发酵原理57 我们研究微生物经济运行的状况，我们研究微生物经济运行的状况，就是为了要逐步认识微生物经济运行的就是为了要逐步认识微生物经济运行的规律，以便应用这些规律为人类造福为规律，以便应用这些规律为人类造福为世界消灾。世界消灾。细胞经济假说用经济的眼光细胞经济假说用经济的眼光来分析和认识微生物细胞的生存保障问来分析和认识微生物细胞的生存保障问题，走出了细胞经济学研究的第一步。题，走出了细胞经济学研究的第一步。在细胞经济假说的研究中我们尝试对细在细胞经济假说的研究中我们尝试对细胞的经济运行与社会的经济运行进行比胞的经济运行与社会的经济运行进行比较研究，这样的比较研究从微生物细胞较研

48、究，这样的比较研究从微生物细胞经济开始，是因为：经济开始，是因为：2023-2-11张星元：发酵原理58微生物细胞中经济规律是微生物细胞中经济规律是客观存在客观存在的；的；一个一个微生物细胞本身就是一个微观经济微生物细胞本身就是一个微观经济体系体系，经济结构相对简单，调节机制多样，经济结构相对简单，调节机制多样化；化；控制控制微生物细胞的代谢活动微生物细胞的代谢活动相对容易相对容易；在研究微生物细胞经济运行规律的基础在研究微生物细胞经济运行规律的基础上上构建发酵工程生物学理论构建发酵工程生物学理论；自然科学与人文科学交叉，形成自然科学与人文科学交叉，形成新的学新的学科生长点科生长点。2023-

49、2-11张星元：发酵原理594.4.3.1 发酵学与微观经济学的交叉发酵学与微观经济学的交叉4.4.3.2 微生物细胞经济的运行状况微生物细胞经济的运行状况 2023-2-11张星元：发酵原理604.4.3.1 发酵学与微观经济学的交叉发酵学与微观经济学的交叉 学科学科是指一定科学领域或一门科学的是指一定科学领域或一门科学的分支。分支。学说是指学术上自成系统的主张和学说是指学术上自成系统的主张和理论。理论。在化学、生物化学、微生物学、分在化学、生物化学、微生物学、分子生物学、细胞学、微生物代谢生理学，子生物学、细胞学、微生物代谢生理学，以及仪器分析、传感技术、计算机技术发以及仪器分析、传感技术

50、、计算机技术发展的基础上，展的基础上，发酵正在从技艺（发酵正在从技艺（technique）走向科学（走向科学（science），），并正在形成自成系并正在形成自成系统的学术理论；发酵学经过半个多世纪的统的学术理论；发酵学经过半个多世纪的酝酿终于应运而生，成为微生物学的工程酝酿终于应运而生，成为微生物学的工程学分支，成为生物工程最重要的台柱之一。学分支，成为生物工程最重要的台柱之一。2023-2-11张星元：发酵原理61 经济学经济学的产生与发展，就是为的产生与发展，就是为了如何更好地解决人类社会所面临了如何更好地解决人类社会所面临的基本矛盾，即如何把有限的资源的基本矛盾，即如何把有限的资源合理