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工业发酵的五字策略的网上发表

已有 5918 次阅读 2009-9-16 11:14 |个人分类:生命系统|系统分类:科研笔记| 生物工程, 发酵工程, 代谢工程

 
张星元:工业发酵的五字策略的网上发表

请先阅读前文(《细胞机器的工作模式的网上发表》http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=255894 ),以便于理解本博文的内容。

工业发酵的五字策略



        在代谢网络假说、微生物细胞机器的工作模式和微生物代谢的五段式的基础上,提出了工业发酵菌种选育和工艺控制的五字策略,简称工业发酵的五字策略。
工业发酵的五字策略的示意图:
        这五个字的含义分别是:
        ①进:促进细胞对碳源等营养物质的吸收;
        ②通: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;
        ③节: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;
        ④堵:消除或削弱目的产物进一步代谢的途径;
        ⑤出:促进目的产物向胞外空间分泌。


五字策略的局限性及其补救
        然而,五字策略毕竟是建立在人一厢情愿基础上的统筹策略,尽管它在处事方面有普遍意义,但在生物学上的应用是有局限性的。
        尽管按五字策略制定育种方案,是以代谢途径及其调节机制为依据的,但目前还不可能把未知的代谢刚性因素全部考虑在内,在实施时也就不可能完全达到预期目标。因此,在做育种(特别是分子生物学育种)工作前仍需用代谢流量分析、代谢网络分析来校验、补充和修正按五字策略制定的方案。
        对载流路径上的主要节点(产物形成时代谢流量发生明显改变的节点)的性质要做到心中有数。如果目标节点为挠性节点 ( flexible node )或者弱刚性节点 ( weakly rigid node ), 按五字策略制定的方案就具有可行性,因为挠性节点对代谢流的导向是最顺从的。
        对于刚性节点,仅仅改变下游反应的酶水平或活性,是不可能对代谢流进行顺利导向的,因此必须对该节点进行具体分析,在弄清该刚性节点形成原因,设计补救的条件,经过实验,仍有可能实现一定程度的代谢导向。
        借助于物理,化学或分子生物学的方法来促使微生物的基因发生突变,在DNA水平上,对代谢流进行导向,属于育种的范畴。五字策略的目的是拓宽并理顺直达目的点(目的产物)的路径,增加通往终点的流量,尽量减少分支的消耗,使碳架物质在尽可能经理想的载流路径流往目的产物。
五字策略与代谢工程的分子育种有关分析是互补的,各有侧重的。采用五字策略进行常规育种,实验成本低、周期短,一般都能取得比较好的效果(五个字中只要有两三个字有效); 而且, 常规育种的成果菌种往往也可作为基因供体菌,用于代谢工程育种。因此,从长计议,五字策略作为宏观指导,不论对哪一类育种方法都是有潜力的。
        发酵过程中,人们通过改变培养基配方、温度、pH值、 供氧、搅拌速率、接种量,甚至借助于不同的发酵方式、补料、流加、产品抽出等的调控手段,将代谢导向的信息转达微生物细胞,对微生物的代谢进行导向。因此,发酵条件的优化是人类与微生物交流的一种最简便的方式。
        对信息流的把握能使我们与微生物之间的对话变得容易和准确,也正是对信息流的把握使我们对物质和能量流的控制成为可能,准确调动代谢流的理想也正在促进着对信息流的研究和探索。
        在发酵工业中,生物信息的有效应用将取代以往以利用增加投入来提高收益的陈旧思路。我们对生物体了解的越多,我们利用微生物的自由度就越大,所以细胞经济假说在发酵工业中起着举足轻重的作用。谁掌握了最先进的生物信息和细胞经济信息,谁就可能在工业发酵的竞争中占有绝对的优势。



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