工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器

工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器第1頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/22第一節(jié)工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上的細(xì)胞機(jī)器1.1.1生物機(jī)器和細(xì)胞機(jī)器的概念1.1.2發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器

第2頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/23走進(jìn)現(xiàn)代發(fā)酵工廠，最引人注意的是，在排列整齊、縱橫交叉的彩色管道的映襯下，一排排的銀灰色的龐然大物，它們的名字叫發(fā)酵罐。在莊重而祥和的發(fā)酵罐里億萬(wàn)微生物小兄弟正在為人類，也為自己的生存歡快地忙碌著。

面對(duì)此情此景人們不禁要問(wèn)，工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器是發(fā)酵罐，還是微生物？第3頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/24百思不解：1.為什么同樣的設(shè)備可以生產(chǎn)不同的產(chǎn)品？2.為什么有些發(fā)酵食品也可在家里制作？第4頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/251.1.1生物機(jī)器和細(xì)胞機(jī)器的概念

第5頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/26“機(jī)器”最初定義為由電或蒸汽甚至人力推動(dòng)的、由各具一定功能的幾個(gè)部分組成的用于生產(chǎn)的裝置，如紡紗機(jī)、織布機(jī)、縫紉機(jī)等。因此“機(jī)器”應(yīng)該是屬于工程學(xué)的概念。“動(dòng)物、植物、微生物”應(yīng)該是屬于生物學(xué)的概念，它們的生命活動(dòng)是由代謝能來(lái)驅(qū)動(dòng)的。在人的組織下，如果動(dòng)物、植物、微生物作為生產(chǎn)的“裝置”使用，就可納入“機(jī)器”的范疇，這就是生物機(jī)器。第6頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/27

生物機(jī)器是從機(jī)器衍生的新概念，生物機(jī)器是指由代謝能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器。在這個(gè)意義上牛奶工廠的奶牛，水果原料基地的果樹(shù)，發(fā)酵工廠的菌種微生物分別稱作為動(dòng)物生物機(jī)器、植物生物機(jī)器和微生物生物機(jī)器。微生物細(xì)胞能自主生活和獨(dú)立存在，因此微生物生物機(jī)器也就是微生物細(xì)胞機(jī)器，簡(jiǎn)稱細(xì)胞機(jī)器。第7頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/281.1.2發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器第8頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/29

多年來(lái)，我們從研究微生物的生命活動(dòng)規(guī)律入手，從生物學(xué)的角度重新審視了發(fā)酵工程，形成以下關(guān)于現(xiàn)代發(fā)酵工程新思路：第9頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/210現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物活細(xì)胞來(lái)完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上不可缺少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個(gè)意義上，微生物活細(xì)胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上不可缺少的微生物生物機(jī)器（或稱細(xì)胞機(jī)器），是發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器。第10頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/211

細(xì)胞機(jī)器與普通意義上的機(jī)器不同，它們必須由代謝能（metabolicenergy）直接驅(qū)動(dòng)。在發(fā)酵工廠的生產(chǎn)線上，微生物必須完成微生物細(xì)胞機(jī)器的“在線制造”（細(xì)胞增殖）和“生產(chǎn)運(yùn)行”（目的產(chǎn)物的合成和輸出）的雙重任務(wù)。第11頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/212

微生物細(xì)胞機(jī)器按其自身固有的規(guī)律運(yùn)行。為了引導(dǎo)微生物為我們服務(wù)，必須深入研究微生物細(xì)胞機(jī)器的工作原理。要研究微生物細(xì)胞機(jī)器的工作原理，首先要建立微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式。第12頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/213第二節(jié)微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式1.2.1活細(xì)胞的基本性能

1.2.2微生物細(xì)胞的工作模式

1.2.3創(chuàng)新思路的理論基礎(chǔ)第13頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/214微生物細(xì)胞能自主生活（free-living）和獨(dú)立存在。單個(gè)微生物細(xì)胞能獨(dú)立地完成能量轉(zhuǎn)化及其自身的生長(zhǎng)、繁殖等生命過(guò)程，而不直接依賴于其他同一類型的或不同類型的細(xì)胞。而動(dòng)植物細(xì)胞（體細(xì)胞）在自然界不能單獨(dú)存活，只能作為動(dòng)植物個(gè)體的一部分而存在，具有相互依賴性。第14頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/215細(xì)胞是微生物生命活動(dòng)的基本單位。微生物細(xì)胞是一個(gè)由細(xì)胞膜（外面一般有細(xì)胞壁）包圍的，包含許多化學(xué)物質(zhì)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的整體。細(xì)胞膜是將空間分為細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞外的界面，也是對(duì)細(xì)胞有保護(hù)作用的屏障。

第15頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/216細(xì)胞膜包圍的部分是細(xì)胞行使功能的結(jié)構(gòu)和化學(xué)物質(zhì)。細(xì)胞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是核（或核區(qū)）以及細(xì)胞質(zhì)，前者儲(chǔ)存著用來(lái)制造更多細(xì)胞的生物信息，后者包含實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞功能的機(jī)構(gòu)。

第16頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/217雖然每種微生物細(xì)胞都有一定的結(jié)構(gòu)和大小，但微生物細(xì)胞是動(dòng)態(tài)的單位，是其所在環(huán)境中的微生物細(xì)胞，它們每時(shí)每刻都在自我更新，通過(guò)與環(huán)境不斷的交換，保持相對(duì)穩(wěn)定的存在方式。

第17頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/2181.2.1活細(xì)胞的基本性能

第18頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/219

活細(xì)胞的基本性能主要包括以下5條：

①自我復(fù)制：自我復(fù)制是一切生物（包括非細(xì)胞生物和細(xì)胞生物）的基本性質(zhì)。

第19頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/220②代謝和代謝能支撐：細(xì)胞生物的生命活性來(lái)自于組成其自身的活細(xì)胞?；罴?xì)胞的生命活動(dòng)，包括能源化合物被降解以前的激活和生物合成，以及細(xì)胞自身高度有序狀態(tài)的維持，均需要代謝能的支撐。細(xì)胞中的所有的生化反應(yīng)，包括降解代謝和合成代謝是一個(gè)整體，叫做代謝體系。細(xì)胞的代謝體系能將其他形式的能量轉(zhuǎn)變成代謝能，而代謝能反過(guò)來(lái)又支撐細(xì)胞代謝體系，即支持細(xì)胞的生命活動(dòng)。第20頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/221③進(jìn)化：進(jìn)化是指經(jīng)自然選擇而獲得的遺傳性變異。與無(wú)生命的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，單細(xì)胞或多細(xì)胞有機(jī)體會(huì)進(jìn)化。遺傳性能的改變能以正的或負(fù)的方式影響微生物細(xì)胞的適應(yīng)性，進(jìn)化的結(jié)果是對(duì)最適合于在該特定環(huán)境中生活的那些微生物做出選擇（適者生存）。第21頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/222④分化：在生物體的生命循環(huán)過(guò)程的特定階段，某些細(xì)胞類型在形式或功能方面的發(fā)生改變的現(xiàn)象，通稱分化。細(xì)胞分化時(shí)，某些分化前不能形成的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)得以形成，而某些分化前可以形成的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)不能再形成。微生物細(xì)胞分化時(shí)往往生成次生代謝產(chǎn)物。第22頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/223⑤化學(xué)通訊：細(xì)胞間一般可通過(guò)化學(xué)信號(hào)互相通訊。多細(xì)胞生物(如植物、動(dòng)物)由許多不同類型的細(xì)胞組成（分化的結(jié)果）。在多細(xì)胞生物中，這些不同類型的細(xì)胞之間的復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致這些細(xì)胞的指定的行為和功能。在微生物細(xì)胞也存在化學(xué)通訊。第23頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/224以上幾條中，代謝和代謝能支撐是活細(xì)胞最基本的性能。有生命就有代謝能的生成，沒(méi)有代謝能的支撐就沒(méi)有生命。生存和生長(zhǎng)均需要代謝能來(lái)支撐。

第24頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/2251.2.2微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式

1.2.2.1微生物細(xì)胞是個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀

態(tài)的不平衡的開(kāi)放系統(tǒng)

1.2.2.2微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式

1.2.2.3微生物細(xì)胞機(jī)器的運(yùn)行特點(diǎn)第25頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/226世界上一切物體總是相互作用、相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)整體。世界作為一個(gè)整體是無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的，為了實(shí)驗(yàn)和研究的方便，只好從這個(gè)整體分隔出一部分（我們感興趣的部分）來(lái)，這樣分隔出來(lái)的被界面包圍的部分（準(zhǔn)備進(jìn)行研究的部分），被稱為熱力學(xué)的體系（或系統(tǒng)），與體系相互作用著的其余部分稱為該體系的環(huán)境或外界。第26頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/227根據(jù)界面的性能可將熱力學(xué)的體系分成3類：①孤立系統(tǒng)（也稱隔離系統(tǒng)），指與環(huán)境既沒(méi)有物質(zhì)交換也沒(méi)有能量交換的系統(tǒng)；②封閉系統(tǒng)，指與環(huán)境沒(méi)有物質(zhì)交換，但可以有能量交換的系統(tǒng)；③開(kāi)放系統(tǒng)，指與環(huán)境既可有能量交換又可有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。第27頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/2281.2.2.1微生物細(xì)胞是個(gè)遠(yuǎn)離平衡

狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放系統(tǒng)第28頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/229德國(guó)克勞修斯(R.E.Clausius)1850年發(fā)現(xiàn)的熱力學(xué)第二定律指出，熱不可能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體，也就是說(shuō)，熱力學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)過(guò)程總是向有序性程度減少、無(wú)序程度增加（即熵增加）的方向發(fā)展。熱力學(xué)第二定律的經(jīng)典熱力學(xué)表述是：在封閉體系及其所處的環(huán)境組成的孤立體系中，任何自發(fā)過(guò)程總是朝著越來(lái)越混亂的方向演化。熱力學(xué)第二定律無(wú)法說(shuō)明體系由無(wú)序到有序、由低級(jí)的有序到高級(jí)的有序的演化和發(fā)展的趨向。第29頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/2301969年比利時(shí)普利高津（Prigogine）提出耗散結(jié)構(gòu)理論。

所謂耗散結(jié)構(gòu)（dissipativestructure）是指一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開(kāi)放體系，它可以是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物的系統(tǒng)，也可以是社會(huì)的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。耗散結(jié)構(gòu)與外界不斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，當(dāng)外界條件的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，可以從原有的無(wú)序或低序的混亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間、空間上或功能上的有序狀態(tài)。

第30頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/231

作為經(jīng)典熱力學(xué)（靜態(tài)，孤立系統(tǒng)）理論的延伸，非平衡態(tài)熱力學(xué)（動(dòng)態(tài)，遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開(kāi)放體系）研究的是耗散結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只能在遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡狀態(tài)的開(kāi)放體系生成，并且需要不斷輸入能量來(lái)維持。第31頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/232微生物的活細(xì)胞任何時(shí)刻都離不開(kāi)它生存的環(huán)境，只有在與環(huán)境的交換中才能維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)。如果微生物細(xì)胞是個(gè)封閉系統(tǒng)，那么根據(jù)熵增加原理，它們及它們所處的環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)必將自發(fā)地走向混亂，其結(jié)果必將是細(xì)胞的解體；因此微生物細(xì)胞不是封閉系統(tǒng)，當(dāng)然更不是孤立系統(tǒng)。因此，微生物活細(xì)胞是個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。

第32頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/233微生物活細(xì)胞的生命活動(dòng)是朝著有序的方向進(jìn)行的，有序狀態(tài)的形成和維持都需要與環(huán)境之間有交流的、開(kāi)放的條件；而交換則要靠細(xì)胞內(nèi)外的不平衡來(lái)推動(dòng)。微生物活細(xì)胞總是不斷地從環(huán)境取得營(yíng)養(yǎng)，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化（補(bǔ)充“秩序”），同時(shí)把細(xì)胞內(nèi)部的不可逆過(guò)程產(chǎn)生的“混亂”的一部分以廢物和熱量的形式排放到環(huán)境中去（排除“混亂”）。因此，微生物細(xì)胞是不平衡的開(kāi)放體系。第33頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/234微生物細(xì)胞靠消耗能量來(lái)維持細(xì)胞的低熵（高度有序）狀態(tài)。為了使生物量有所增長(zhǎng)，必須有足夠的能量輸入。能量輸入超過(guò)臨界值時(shí)，細(xì)胞狀態(tài)會(huì)發(fā)生宏觀變化，即出現(xiàn)一種新的有序狀態(tài)（生長(zhǎng)）。對(duì)于微生物細(xì)胞這個(gè)系統(tǒng)而言，細(xì)胞離開(kāi)平衡狀態(tài)越遠(yuǎn)，“混亂”的輸出能力越強(qiáng)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，細(xì)胞的活力越強(qiáng)。因此，微生物活細(xì)胞是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放系統(tǒng)。第34頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/235綜上所述，微生物活細(xì)胞作為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，它不僅是而且必須是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開(kāi)放系統(tǒng)，是一種耗散結(jié)構(gòu)。第35頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/236微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的高度有序的狀態(tài)要靠消耗可被其自身直接利用的能量（代謝能）來(lái)維持；要做到這一點(diǎn)，微生物活細(xì)胞必須是能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的有效的化學(xué)反應(yīng)體系。第36頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/237細(xì)胞靠其結(jié)構(gòu)來(lái)行使功能，而用來(lái)再造自身的生物學(xué)信息則存在于細(xì)胞結(jié)構(gòu)之中，因此活細(xì)胞又是自我復(fù)制的系統(tǒng)。第37頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/238工業(yè)發(fā)酵的被動(dòng)性在于必需依賴微生物活細(xì)胞?；罴?xì)胞要靠消耗代謝能來(lái)維持。如果沒(méi)有代謝能的自我支撐，系統(tǒng)（微生物細(xì)胞）的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生變化。微生物細(xì)胞與環(huán)境逐漸趨于平衡，細(xì)胞的生命活動(dòng)就會(huì)停止，微生物細(xì)胞就不可能為我們工作了。

第38頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/2391.2.2.2微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式

第39頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/240

為了深入研究一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，有必要在不改變事物本質(zhì)的情況下，有條件地簡(jiǎn)化所研究的過(guò)程。第40頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/241根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀，把依靠化能異養(yǎng)型微生物合成某種最終被分泌到胞外的初級(jí)代謝產(chǎn)物的工業(yè)發(fā)酵，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過(guò)程來(lái)研究，并把代謝研究的重點(diǎn)放在碳的代謝上，從而建立了細(xì)胞機(jī)器（發(fā)酵工廠里微生物生物機(jī)器）的工作的基本模式。第41頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/242微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式Workingpatternofcell-machineinIndustrialFermentation第42頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/243＊典型的工業(yè)發(fā)酵1.生產(chǎn)者：化能異養(yǎng)型微生物2.產(chǎn)品：初級(jí)代謝產(chǎn)物（胞內(nèi)合成，胞外收獲）3.研究重點(diǎn)：碳元素代謝＊細(xì)胞機(jī)器的生產(chǎn)階段適用范圍第43頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/244模型各部分的含義＊橢圓：細(xì)胞機(jī)器的界面＊帶箭頭的曲線：載流路徑及代謝主流1.載流路徑：由跨膜進(jìn)入、向心途徑、中心途徑、離心途徑、跨膜逸出五段途徑依次首尾銜接而成。2.物質(zhì)代謝流：從原料到產(chǎn)品的物質(zhì)流動(dòng)軌跡。也可分成跨代謝網(wǎng)絡(luò)的三大板塊的相應(yīng)的五段代謝流。第44頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/2451.2.2.3微生物細(xì)胞機(jī)器的運(yùn)行特點(diǎn)第45頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/246微生物細(xì)胞機(jī)器具有機(jī)器和細(xì)胞的雙重屬性，具體表現(xiàn)在6個(gè)方面：

①

細(xì)胞機(jī)器有生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品的能力；

②

細(xì)胞機(jī)器必須由代謝能來(lái)驅(qū)動(dòng)；③

在工業(yè)生產(chǎn)中，細(xì)胞機(jī)器往往先后（或幾乎同時(shí)）經(jīng)歷在線制造和在線運(yùn)行兩個(gè)階段；第46頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/247④細(xì)胞機(jī)器能在人為的條件下將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為代謝能。

⑤細(xì)胞機(jī)器開(kāi)動(dòng)的三部曲：遺傳信息的激活——代謝途徑與代謝網(wǎng)絡(luò)的形成——代謝物流的形成；

⑥細(xì)胞機(jī)器的正常運(yùn)行遵循自我保障的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律。第47頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/2481.2.3創(chuàng)新思路的理論基礎(chǔ)

第48頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/249

微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式的提出，把工業(yè)發(fā)酵的研究納入研究微生物生命活動(dòng)的軌道。研究工業(yè)發(fā)酵首先要研究微生物的生命活動(dòng)，找出其規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律對(duì)工業(yè)發(fā)酵進(jìn)行再認(rèn)識(shí)，從而對(duì)未來(lái)的工業(yè)發(fā)酵做出科學(xué)的預(yù)測(cè)。第49頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/250我們從不同的角度研究微生物的生命活動(dòng)，把現(xiàn)代生物學(xué)關(guān)于伴隨能量形式的轉(zhuǎn)換而發(fā)生的電子流動(dòng)、物質(zhì)流動(dòng)以及信息流動(dòng)這三種流動(dòng)的觀點(diǎn)引入發(fā)酵工程，提出了反映微生物生命運(yùn)動(dòng)客觀規(guī)律的三個(gè)基本假說(shuō)：代謝能支撐假說(shuō)、代謝網(wǎng)絡(luò)假說(shuō)和細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假說(shuō)。第50頁(yè)/共57頁(yè)2023/4/251

這三個(gè)假說(shuō)分別認(rèn)定了發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性，論證了生物產(chǎn)品與其有機(jī)原料在代謝網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)網(wǎng)的可能性和現(xiàn)實(shí)性，理出了可用來(lái)解決微生物