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张星元:微生物工程的归宿——人与微生物的合作共赢

已有 4229 次阅读 2013-11-9 14:50 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 发酵原理, 微生物工程

张星元:微生物工程的归宿——人与微生物的合作共赢

1.为什么天然的有机产品总要依赖生物体来制造?

众所周知,种植苹果树而收获苹果,养殖奶牛而得到牛奶。看起来好像是人在苹果园生产苹果,人在奶牛场生产牛奶;实际上是人依赖苹果树来生产苹果,人依赖奶牛来生产牛奶。如果没有苹果树,人是造不出苹果的;如果没有奶牛,人是造不出牛奶来的。这就是人与植物的合作,人与动物的合作。在发酵工厂,看起来是人在进行发酵生产,实际上是微生物在生产发酵产品,如果没有微生物,人是造不出发酵产品的,这就是人与微生物的合作。

人种植苹果树而收获苹果,人养殖奶牛而得到牛奶,人培养微生物而生产发酵产品,这三种情况都是人与生物的合作,至于是不是“合作共赢”了,尚需具体分析。所谓“合作共赢”是指人和生物(分别为植物、动物和微生物)双方的自身利益均得到满足,这里人的利益可以简化成经济利益,生物的利益可以归结为种群的延续。按照这个标准来判断人与生物在合作中是否共赢了。

人种植苹果树而收获苹果,人获得了经济利益,苹果树结出了果实(含种子),尽管苹果被人吃掉,因为苹果树还在,种子还在,苹果物种仍然可以继续生存下去。总体来说人与苹果树的活动目标都是实现苹果高产,因此人与苹果树可以实现合作共赢。

再看第二种情况,人养殖奶牛而得到牛奶,人获得了经济利益;然而母牛产的牛奶原本是用来喂养初生的小牛的,现在却要大量地供人饮用,小牛没有牛奶吃就不能长大,奶牛种群就不能延续下去,牛奶的生产就会中断,牛奶的供应不就成问题了吗?实地去参观了才知道,牛奶场里除了供应牛奶还卖小牛肉,母牛生的小牛,只留下少数小母牛将来继承母业,绝大多数小公牛被斩杀,它们不但让出了牛奶,而且连自己的肉也让人吃了。奶牛为人提供奶和部分后代而换得种群的延续,这是另一种合作共赢。

工业发酵的产品大致可分两大类。

第一类产品是微生物细胞自身,这种情况类似于“人种植苹果树而收获苹果”,人和微生物合作共赢是顺理成章的,因为人和微生物的追求都是细胞的高产。鲜酵母的生产就属于这个类型的合作共赢。

第二类产品是微生物的代谢产物,它们或许是微生物细胞内组装细胞自身的“原料”,或许是微生物细胞的“分泌物”,这种情况类似于“人养殖奶牛而得到牛奶”。人和微生物合作需要讲究策略,实现“人获得经济利益,微生物得到生存和种群延续”的共赢。用营养缺陷性细菌在控制营养的条件下进行的发酵法生产赖氨酸,就能实现这个类型的合作共赢。

 

 

2.为什么微生物工程寄希望于人与微生物的合作共赢?

微生物具有造福于人类的巨大潜力,人类借助于微生物可以实现很多美好的理想;然而,人类只有依赖微生物才能间接地达到目的,为了在工业发酵中争取主动,必须发挥人的智力优势。

人贵有自知之明,微生物不是橡皮泥。也就是说,人类并不能主宰一切,微生物不能随心所欲地接受改造。微生物有其自己的生存、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,人借助于微生物的生命活动谋求经济效益,必须知己知彼,遵循微生物生命活动规律,在可能范围内对微生物的生命活动进行导向,而不是随意将自己的意志强加给微生物。

所谓导向,就是通过育种(传统育种与分子育种)和发酵控制来调整微生物细胞的代谢关系。通过调整代谢关系,使发酵的格局发生改变,从“生产细胞”的格局转向“生产目的产物”的格局。注意,这两种格局的共同要害是微生物细胞的持续的生命活动。导向的底线是维持生存,如果没有活的微生物细胞,目的产物就无从生成。只有当微生物的生存保障的本能与人的经济利益,在维持微生物细胞生存这一点上得到统一,才有可能合作共赢。

微生物生存保障体系是地球上亿万年物竞天择的综合性成果,是微生物自我保护自我发展的根本,它集中体现了生命世界的“以生(命)为本”的核心价值。这个核心价值与微生物代谢的经济格局的变化无关。

在工业发酵中实现人与微生物的合作共赢,人的主观能动作用的发挥是关键的,而人的主观能动作用的发挥在技术上则取决于微生物工程的学术水平。    

 

微问题

  1.微生物细胞机器与野生的微生物细胞有什么不同?有没有可能“把野生型微生物细胞改造成细胞机器——有工业发酵生产个性的微生物细胞”?

.你对养牛场用斩杀小牛的策略实现人与奶牛的“共赢”有什么看法?有没有其他替代的办法?

 

微博士

典型的工业发酵及其五字策略 

符合以下条件的工业发酵叫做“典型的工业发酵”:①细胞机器是化能异养型微生物。②产品是在细胞内合成、在细胞外收获的初级代谢产物或能量代谢副产物。③有机产品的生产物流是碳元素的代谢流。

对于典型的工业发酵,可以采用以下“工业发酵的五字策”来谋求人与微生物的合作共赢。这五个字的含义分别是:①进:营养物质进入细胞,也就是促进细胞对营养的吸收;②通:使营养畅通地进入代谢主流,流向目的产物;③节:节流,也就是阻塞与目的产物形成无关或关系不大的代谢支流,使营养相对集中于主干物流;④堵:堵漏,也就是消除或削弱目的产物被进一步的代谢;⑤出:促进目的产物排出细胞。


写给科学网大朋友们看的生物学科普





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