1、2023-5-211.微生物细胞能为其自身提供代谢能微生物细胞能为其自身提供代谢能2.细胞能量转换机构的组成细胞能量转换机构的组成3.微生物代谢中的电子流和电子回路微生物代谢中的电子流和电子回路4.生物氧化和辅酶的再生生物氧化和辅酶的再生5.生化反应途径和代谢途径生化反应途径和代谢途径6.生化反应网络和代谢网络生化反应网络和代谢网络7.代谢网络的联网问题代谢网络的联网问题8.代谢流和碳架物质流代谢流和碳架物质流9.代谢主流代谢主流 26 个基本概念个基本概念2023-5-2210.载流途径与载流路径载流途径与载流路径11.代谢主流的变动性和选择性代谢主流的变动性和选择性12.理想载流途径理想载
2、流途径13.微生物生物工程的难题微生物生物工程的难题14.代谢网络的节点及其刚性代谢网络的节点及其刚性 15.工业发酵的五字策略工业发酵的五字策略16.代谢网络的节点及其刚性代谢网络的节点及其刚性17.代谢网络的刚性代谢网络的刚性18.微生物活细胞和细胞的经济性微生物活细胞和细胞的经济性 2023-5-2319.正常代谢和竞争型细胞经济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异常代谢和导向型细胞经济21.细胞经济受到严格的制约细胞经济受到严格的制约 22.信息流指导下的工业发酵信息流指导下的工业发酵23.限制性遗传信息之谜限制性遗传信息之谜24.从发酵工程到微生物代谢工程从发酵工
3、程到微生物代谢工程25.微生物代谢工程微生物代谢工程26.代谢流及其控制的分析代谢流及其控制的分析2023-5-24 1.微生物细胞能为其自身提供代谢能微生物细胞能为其自身提供代谢能 微生物细胞的生存方式与动物、植物等微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物的细胞不同，微生物细胞能高等生物的细胞不同，微生物细胞能独立存在、独立存在、自主生活自主生活。因此每个微生物细胞都具有能量转。因此每个微生物细胞都具有能量转换机构，这种机构可把其它形式的能量转换成换机构，这种机构可把其它形式的能量转换成能被其自身直接使用的能量能被其自身直接使用的能量(如如 ATP、GTP 和和储存在膜上的质子运动势储存在
4、膜上的质子运动势 P)，暂且把它们称，暂且把它们称为为代谢能代谢能。在代谢能的直接支撑下，活细胞才。在代谢能的直接支撑下，活细胞才能维持其高度有序的状态。能维持其高度有序的状态。2023-5-252.细胞能量转换机构的组成细胞能量转换机构的组成 微生物细胞的能量转换机构包括：需要代微生物细胞的能量转换机构包括：需要代谢能来激活的代谢途径的有关的谢能来激活的代谢途径的有关的酶和这些酶酶和这些酶的辅酶的辅酶、原核微生物的细胞质膜和真核微生、原核微生物的细胞质膜和真核微生物线粒体的内膜，以及这些膜上的物线粒体的内膜，以及这些膜上的电子传递电子传递链链和和ATP酶酶，还有在能量代谢和主动输送中，还有在
5、能量代谢和主动输送中起辅助作用的有关起辅助作用的有关载体系统载体系统。2023-5-263.微生物细胞代谢的电子流和电子回路微生物细胞代谢的电子流和电子回路 工业发酵普遍使用的化能异养型微生物工业发酵普遍使用的化能异养型微生物靠生物氧化把化学能转化为可被微生物直接靠生物氧化把化学能转化为可被微生物直接利用的代谢能。微生物细胞的生物氧化过程利用的代谢能。微生物细胞的生物氧化过程必须借助于辅酶，并且其生物氧化过程和跨必须借助于辅酶，并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子膜的主动输送过程伴随着电子(或质子或质子)的流的流动，形成微生物代谢的跨膜的质子回路。动，形成微生物代谢的跨膜的质子回路
6、。2023-5-27ATPATP酶呼吸链微生物代谢的跨膜质子微生物代谢的跨膜质子回路示意图回路示意图电子回路示意图电子回路示意图2023-5-284.生物氧化和辅酶的再生生物氧化和辅酶的再生 在微生物活细胞中，参与生物氧化反应脱在微生物活细胞中，参与生物氧化反应脱氢酶的辅酶本身不能跨过膜，被局限在其所在氢酶的辅酶本身不能跨过膜，被局限在其所在的细胞内。的细胞内。它们必须被再生，才能回用它们必须被再生，才能回用，以维以维持能量代谢持能量代谢。脱氢酶的辅酶在细胞氧化还原反。脱氢酶的辅酶在细胞氧化还原反应中接受电子而被还原成还原型辅酶，还原型应中接受电子而被还原成还原型辅酶，还原型辅酶将电子释放给电
7、子受体，从而实现脱氢酶辅酶将电子释放给电子受体，从而实现脱氢酶的辅酶的再生。根据最终电子受体的类型，可的辅酶的再生。根据最终电子受体的类型，可把生物氧化分成把生物氧化分成有氧呼吸有氧呼吸、无氧呼吸无氧呼吸和和发酵发酵三三种类型。种类型。2023-5-295.生化反应途径和代谢途径生化反应途径和代谢途径 一系列按序进行的生物化学反应构成一系列按序进行的生物化学反应构成生生化反应途径化反应途径；若这条途径；若这条途径在活细胞里运行在活细胞里运行，则为则为代谢途径代谢途径。2023-5-2106.生化反应网络和代谢网络生化反应网络和代谢网络 生化反应途径按生物化学规律汇成生化生化反应途径按生物化学规
8、律汇成生化反应网络；代谢途径与跨膜输送系统按代谢反应网络；代谢途径与跨膜输送系统按代谢规律汇成（物质）代谢网络。规律汇成（物质）代谢网络。2023-5-2117.代谢网络的联网问题代谢网络的联网问题 代谢中间物都在代谢网络上，有些有机化合物虽代谢中间物都在代谢网络上，有些有机化合物虽然不在代谢网络上但仍有可能与代谢网络然不在代谢网络上但仍有可能与代谢网络“联网联网”。所谓所谓“联网联网”就是用化学或生物化学反应把指定的化就是用化学或生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而使它与微生物的代谢合物连接到代谢网络上去，从而使它与微生物的代谢建立联系。建立联系。“联网联网”可以用化学或生物学
9、方法可以用化学或生物学方法(含含DNA重组技术重组技术)来实现。来实现。广义的广义的“联网联网”包含代谢网络细包含代谢网络细节不同的生命有机体之间接力赛式的代谢联系。节不同的生命有机体之间接力赛式的代谢联系。已在已在“网网”上或者可以上或者可以“联网联网”的化合物都可能被开发为的化合物都可能被开发为工业发酵的产物或原料。工业发酵的产物或原料。2023-5-2128.代谢流和碳架物质流代谢流和碳架物质流 代谢物在代谢网络中流动形成代谢流。广代谢物在代谢网络中流动形成代谢流。广义的代谢流还包括能量流和信息流。在代谢分义的代谢流还包括能量流和信息流。在代谢分析和代谢工程中，代谢流往往首先是指析和代谢
10、工程中，代谢流往往首先是指有机物有机物流流(碳架物质流碳架物质流)。2023-5-2139.代谢主流代谢主流 在一定的培养条件下，代谢物在代谢在一定的培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对集中的代谢流叫做网络中流动，流量相对集中的代谢流叫做该培养条件下该培养条件下的代谢主流。代谢主流的流的代谢主流。代谢主流的流量测定是代谢工程的重要组成部分。量测定是代谢工程的重要组成部分。2023-5-21410.载流途径与载流路径载流途径与载流路径 从字面上讲，从字面上讲，有代谢物流通过的代谢途有代谢物流通过的代谢途径即载流途径。载流路径是工业发酵径即载流途径。载流路径是工业发酵领域的领域的术语。术语
11、。在工业发酵的目的产物生产阶段，碳在工业发酵的目的产物生产阶段，碳架物质从原料到目的产物流经的各段代谢途架物质从原料到目的产物流经的各段代谢途径径(即载流途径即载流途径)，按流经的先后次序首尾衔接，按流经的先后次序首尾衔接，组合成载流路径。组合成载流路径。代谢工程没有必要研究所代谢工程没有必要研究所有的载流途径，但必须研究载流路径上的代有的载流途径，但必须研究载流路径上的代谢流，也就是谢流，也就是生产阶段的代谢主流生产阶段的代谢主流。2023-5-21511.代谢主流的变动性和选择性代谢主流的变动性和选择性 微生物的代谢主流的方向、流量甚至所微生物的代谢主流的方向、流量甚至所流经的途径都可能发
12、生变化。这就是微生物流经的途径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络中代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络中的途径的选择性。的途径的选择性。这种变动和选择的根据在这种变动和选择的根据在微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生物所处的环境条件的变化。物所处的环境条件的变化。2023-5-21612.理想载流路径理想载流路径 为了提高产物对原料的转化率，为了提高产物对原料的转化率，就要就要求代谢主流求代谢主流(根据代谢分析的结果根据代谢分析的结果)经设定的经设定的载流路径流到目的产物。因为这样的载流路载流路径流到目的产物。因为这样的载流
13、路径是径是带有主观导向性的虚拟的载流途径，所带有主观导向性的虚拟的载流途径，所以把它们叫做理想载流路径。以把它们叫做理想载流路径。2023-5-21713.微生物代谢工程的难题微生物代谢工程的难题既然微生物的代谢主流对网络中的途既然微生物的代谢主流对网络中的途径有径有自主的自主的选择性，而工业发酵的目标又是选择性，而工业发酵的目标又是要微生物的代谢主流经过理想载流途径，流要微生物的代谢主流经过理想载流途径，流到目的产物，因此就有必要去解决到目的产物，因此就有必要去解决理想载流理想载流途径的设计途径的设计问题和对代谢主流的问题和对代谢主流的合理导向合理导向问问题。题。2023-5-21814.代
14、谢的代谢的“五段式五段式”在工业发酵生产中，培养器中的微生物在工业发酵生产中，培养器中的微生物细胞的代谢是分步进行的。胞外营养物质细胞的代谢是分步进行的。胞外营养物质(一一般要经胞外酶降解后般要经胞外酶降解后)从培养介质跨膜进入细从培养介质跨膜进入细胞，胞，(一般要一般要)经过经过“向心途径向心途径”、“中心途径中心途径”和和“离心途径离心途径”等连续的代谢途径的代谢，等连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成目的产物，最后，目的产物才能在胞内生成目的产物，最后，目的产物跨过细胞质膜排出细胞回到培养介质中。跨过细胞质膜排出细胞回到培养介质中。2023-5-219工业发酵中细胞机器运行阶段工业发酵中
15、细胞机器运行阶段理想载流路径的五段式理想载流路径的五段式1、胞外酶对原料的降解及营养物质进入细胞的、胞外酶对原料的降解及营养物质进入细胞的过程过程2、经胞内降解代谢途径汇入中心代谢途径、经胞内降解代谢途径汇入中心代谢途径3、中心代谢途径及其控制、中心代谢途径及其控制4、合成代谢流及其控制、合成代谢流及其控制5、目的产物的跨膜及其控制、目的产物的跨膜及其控制2023-5-220 因此，典型的理想载流途径应因此，典型的理想载流途径应该由以上五段承担不同代谢分工的依该由以上五段承担不同代谢分工的依次衔接的代谢途径组成。这就是载流次衔接的代谢途径组成。这就是载流途径的途径的“五段式五段式”。在这条载流
16、途径。在这条载流途径上流动的代谢主流对应地也有五段，上流动的代谢主流对应地也有五段，这就是代谢主流的这就是代谢主流的“五段式五段式”。2023-5-22115.工业发酵的五字策略工业发酵的五字策略 在在“载流路径载流路径”、“代谢主流代谢主流”和和“五段式五段式”等概念的基础上，从统筹的角等概念的基础上，从统筹的角度出发，提出度出发，提出作为一个整体用于设计育种以作为一个整体用于设计育种以及发酵工艺控制的及发酵工艺控制的 的五字策略：的五字策略：“进、通、进、通、节、堵、出节、堵、出”。2023-5-222进进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；，促进细胞对碳源营养物质的吸收；通通，使来自上游和各
17、个注入分支的碳架物质能，使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物；畅通地流向目的产物；节节，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物；代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物；堵堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；出出，促进目的产物向胞外空间分泌。，促进目的产物向胞外空间分泌。2023-5-22316.代谢网络的节点及其刚性代谢网络的节点及其刚性 微生物代谢网络中的途径的交叉点微生物代谢网络中的途径的交叉点(代谢流代谢流的集散处的集散处)叫做叫做节点节点(nod
18、e)，微生物自动抵制节微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比率的改变的特性叫做节点处代谢物流量分配比率的改变的特性叫做节点的刚性点的刚性。节点的刚性取决于微生物代谢的自。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。因此在应用动调节机制。因此在应用“五字策略五字策略”制订制订育种方案时必须认真考虑节点刚性问题，尽量育种方案时必须认真考虑节点刚性问题，尽量采用解除反馈调节的育种手段。采用解除反馈调节的育种手段。2023-5-22417.代谢网络的刚性代谢网络的刚性 微生物自动抵制代谢网络中代谢物流量微生物自动抵制代谢网络中代谢物流量分布的改变的特性叫做代谢网络的刚性。分布的改变的特性叫做代谢网络的刚性
19、。代代谢网络的刚性与主要刚性节点的刚性大小、谢网络的刚性与主要刚性节点的刚性大小、分布及数量密切相关。分布及数量密切相关。2023-5-22518.微生物活细胞及其经济性微生物活细胞及其经济性 微生物活细胞是个远离平衡状态的开放微生物活细胞是个远离平衡状态的开放体系，是一种靠消耗能量而维持低熵的稳定体系，是一种靠消耗能量而维持低熵的稳定动态的特殊结构动态的特殊结构耗散结构。耗散结构。2023-5-226 从微生物细胞对能量和化学物质的内外交从微生物细胞对能量和化学物质的内外交换、增收节支、协调自律等客观规律出发，把换、增收节支、协调自律等客观规律出发，把微生物细胞作为按特殊的经济规律运行的经济
20、微生物细胞作为按特殊的经济规律运行的经济实体来看待，并且实体来看待，并且把这种按特殊的经济规律运把这种按特殊的经济规律运行的有利于生存竞争行的有利于生存竞争(生存保障生存保障)的新陈代谢特的新陈代谢特性叫做细胞经济性。性叫做细胞经济性。细胞的经济性可以以生成细胞的经济性可以以生成细胞的质量与消耗底物的质量之比值细胞的质量与消耗底物的质量之比值细胞细胞经济系数来衡量。经济系数来衡量。2023-5-22719.正常代谢和竞争型细胞经济正常代谢和竞争型细胞经济 微生物在生存竞争中进化的方向是发展其微生物在生存竞争中进化的方向是发展其自身的适应能力和提高细胞运行的经济系数。自身的适应能力和提高细胞运行
21、的经济系数。经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其所经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能力的，并且它们的栖身的环境中是富有竞争能力的，并且它们的代谢中间物在代谢网络中的分布及细胞经济运代谢中间物在代谢网络中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。在上述条件下，细胞处于正常代谢状态，细胞在上述条件下，细胞处于正常代谢状态，细胞经济体系呈现经济体系呈现竞争型细胞经济的特色竞争型细胞经济的特色。2023-5-22820.异常代谢和导向型细胞经济异常代谢和导向型细胞经济 如果工业生产要求微生物在胞外累积某种代如果
22、工业生产要求微生物在胞外累积某种代谢中间产物，则必须对微生物的代谢流进行谢中间产物，则必须对微生物的代谢流进行导向导向。根据已获得的代谢分析的信息，应用根据已获得的代谢分析的信息，应用“五字策略五字策略”有可能设计理想载流途径和配套的发酵培养工艺有可能设计理想载流途径和配套的发酵培养工艺路线和工艺条件，进而改造菌种和调整工艺，路线和工艺条件，进而改造菌种和调整工艺，将将代谢主流导向理想载流途径。在导向成功的情况代谢主流导向理想载流途径。在导向成功的情况下，细胞处于异常代谢状态，细胞经济体系呈现下，细胞处于异常代谢状态，细胞经济体系呈现导向型细胞经济的特色。导向型细胞经济的特色。2023-5-2
23、2921.细胞经济受到严格的制约细胞经济受到严格的制约 工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得产品，工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得产品，导向型细胞经济固然有利于特定的代谢产物的导向型细胞经济固然有利于特定的代谢产物的生产，但生产，但竞争型细胞经济向导向型细胞经济的竞争型细胞经济向导向型细胞经济的转化受到能量代谢、还原力的平衡等条件的严转化受到能量代谢、还原力的平衡等条件的严格制约格制约(以保证有熵的输出以保证有熵的输出)，表现出代谢网络的，表现出代谢网络的刚性。刚性。若细胞经济实体的运行状态过度偏离竞若细胞经济实体的运行状态过度偏离竞争型运行状态，活细胞的高度有序状态将走向争型运行状态，活细胞的高
24、度有序状态将走向无序，最终导致无序，最终导致细胞经济的崩溃细胞经济的崩溃。2023-5-23022.信息流指导下的工业发酵信息流指导下的工业发酵 在工业发酵生产中，可以把微生物细胞在工业发酵生产中，可以把微生物细胞看作是看作是细胞机器细胞机器，它们进行能量代谢和物质，它们进行能量代谢和物质代谢；同时又可以把它们看作是代谢；同时又可以把它们看作是信息处理器信息处理器，它们复制和传递自己的生物信息，接收细胞它们复制和传递自己的生物信息，接收细胞内外的物理、化学甚至生物信息，并在对内内外的物理、化学甚至生物信息，并在对内外信息流进行综合处理的基础上，发出代谢外信息流进行综合处理的基础上，发出代谢调控
25、的指令，调控的指令，在网络刚性的范围之内控制微在网络刚性的范围之内控制微生物细胞自身的生命活动。生物细胞自身的生命活动。2023-5-23123.限制性遗传信息之谜限制性遗传信息之谜 可以推测在每个微生物细胞的遗传物质可以推测在每个微生物细胞的遗传物质中必有其限制性的生死攸关的遗传信息，它中必有其限制性的生死攸关的遗传信息，它们规定微生物细胞生命活动的基本的代谢网们规定微生物细胞生命活动的基本的代谢网络及其调节机制。这些遗传信息是微生物细络及其调节机制。这些遗传信息是微生物细胞能够自主生活与独立存在的依据，也是微胞能够自主生活与独立存在的依据，也是微生物对环境的有限的适应性以及设计育种的生物对
26、环境的有限的适应性以及设计育种的计划往往不能完全兑现的内在原因。计划往往不能完全兑现的内在原因。2023-5-23224.从发酵工程到微生物代谢工程从发酵工程到微生物代谢工程 微生物生物工程微生物生物工程(现代发酵工程现代发酵工程)基本理论基本理论在对代谢流及其控制做出了在对代谢流及其控制做出了定性或半定量的定性或半定量的分析分析，并在此基础上建立了工业发酵的策略，并在此基础上建立了工业发酵的策略思想。这就为代谢流思想。这就为代谢流(及其控制及其控制)的的定量分析定量分析架架起了桥梁。基因工程原理和已走向成熟的起了桥梁。基因工程原理和已走向成熟的分分子生物学技术子生物学技术又为我们提供了进行精
27、确而有又为我们提供了进行精确而有效的遗传修饰的手段。效的遗传修饰的手段。2023-5-23325.微生物代谢工程微生物代谢工程 在对代谢流及其控制在对代谢流及其控制进行定量分析进行定量分析的的基础上，基础上，提出提出精确的精确的遗传修饰方案并借助遗传修饰方案并借助分子生物学技术分子生物学技术付诸实施。如此按部就班付诸实施。如此按部就班反复进行实践，从反复进行实践，从代谢的整体上代谢的整体上改善细胞改善细胞的性能和应用前景。的性能和应用前景。2023-5-23426.代谢流及其控制的分析代谢流及其控制的分析 代谢途径的综合分析代谢途径的综合分析 代谢流量分析代谢流量分析 代谢控制分析代谢控制分析 代谢网络结构分析代谢网络结构分析 代谢网络流量分析代谢网络流量分析 细胞生命活动的热动力学细胞生命活动的热动力学
