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【专稿】关于“生物机器”和“生物工厂”的讨论

已有 3333 次阅读 2009-7-13 20:09 |个人分类:生命系统|系统分类:教学心得|关键词:发酵原理,发酵工程,生物工程,生物机器,生物工厂,工业发酵| 生物工程, 发酵原理, 发酵工程, 生物机器, 生物工厂

【专稿】关于“生物机器”和“生物工厂”的讨论

      前文《春江水暖谁先知——学生最有发言权》已于7月12日发布了将在科学网悟空书斋(张星元的博客)陆续推荐发表学生在发酵原理课程讨论会上的发言稿的消息。
    我准备在发言稿标题前冠以【专稿】的方式按已公布的目录陆续发稿,先发研究生的,后发本科生的。前面已经推荐发表了4篇意见一致的文章和一篇包含批评意见的文章,现在再发布一篇包含批评意见的文章。这次发布的是研究生赵××的《关于“生物机器”和“生物工厂”的讨论》。我的意见已写入博文《是细胞机器还是细胞工厂?》http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=41364&do=blog&id=20377 ),请指正。

研究生赵××:关于“生物机器”和“生物工厂”的讨论
          随着生物化学、细胞生物学、应用分子生物学、遗传工程和代谢工程的发展,工业发酵正在经历一个从以经验为主的技艺到以生物学原理为主的科学的重大变化,正在从传统化学工业工程向微生物生物工程过渡。要真正完成这个转变,需要突破“菌种(催化剂)-发酵(化学反应)-提炼(化学分离)”的化工厂工艺思维,而提出具有生物学属性的发酵原理。
        以前的体系之所以不科学是因为,理论忽视了一个现实问题,那就是工业发酵而不仅仅是人的活动,更是微生物群体活动的动态过程,这个过程靠微生物所构成的体系中的3 种流动来维系:伴随能量形式的转换而发生的电子流动,伴随异化和同化作用而发生的物质流动,伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息流动。张教授在分析这三个流动的基础上提出了三个假说,即代谢能支撑假说、代谢网络假说、细胞经济假说。较好的完成了这个转变,并在这个基础上提出了五字策略,为以后的发酵工厂建设和生产设计提供了指导。下面我们先来看看这三个假说的内容。
        发酵学第一假说“代谢能支撑假说”,这个假说认为“能直接推动生命活动(做细胞功)的能量形式叫做代谢能。微生物细胞依靠其自备的能量转换机构,把化学能或光能持续的转化成代谢能,并直接用来支撑其自身的生命活动。”主要说明了代谢能的获得和运用的问题。
        发酵学第二假说“代谢网络假说”,这个假说认为“代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合、在辅因子水平上协调,形成横跨微生物活细胞内外的代谢网络。代谢网络是细胞自主调节的无尺度网络,它作为一个整体来承担微生物细胞的物质代谢和能量代谢。”主要说明了微生物的代谢机制,尤其各种产物的生产合成机制。
        发酵学第三假说“细胞经济假说”,这个假说认为“微生物细胞是个远离平衡状态的不平衡的开放体系,是在物竞天择的基础上形成的细胞经济体系。细胞经济体系是微生物细胞生存的保障体系,它为细胞的适应性、经济性和代谢的持续性提供了保障。”这个假说中提出了人在改造微生物要考虑的生物学因素,也是人与微生物合作应该特别考虑的问题。人在利用微生物生产产品并不是为所欲为的,其主要的原因就是微生物细胞有它自己的生存规则,其要求自己的生活方式要有最大的经济性,以求在生存竞争中不被淘汰。
        这三个假说一起构成了发酵原理的理论基础,它们从不同方面和角度解释了分析了一个问题的不同方面,这个问题就是微生物的生命活动怎样进行以及如何利用这种生命活动来生产目的产物。第一假说从一切生命活动所需要的基础——能源,来解释微生物生命活动的支撑,也同时说明了微生物是发酵生产活动的能量转换器。第二假说对微生物所需的各种物质的得到和利用,尤其是各种发酵产物的获得做出解释。从细胞机器的概念来说明在发酵工厂的产物的根本来源不是发酵罐,而是进行自主代谢活动的微生物。当然一般不是正常生理条件下的野生菌种。这就引出了第三假说,即人与自然的关系,也就是既要改造为我利用,又要尊重客观规律,不能盲目行动。微生物的生存有自己的规律,也就是达到最佳经济性以求在竞争中可以生存下去。也就是说微生物这个“机器”,有自己的逻辑,不会任人为所欲为。微生物这种经济性是靠其自身的调节机制来达到的。但是这种微生物自己的生物调节机制,却为人与微生物的合作提供了切入点。即可以在微生物经济性原则允许的范围内,通过各种生物学手段,对微生物进行改造,将微生物原来用来达到经济性最高的调节机制化为生产我们要得到的产物的最大生产率的控制手段,甚至设计微生物的载流路径。这也就是说明了微生物是人类的“智能”机器。
        综上所述,发酵工程中的微生物是一种可以自己从培养基中获得能源,并且在合成自身所需各种物质的过程中,可以为人类所利用,生产目的产物的微生物细胞机器。所以,发酵原理的理论是在生物机器概念模式的基础上构建的,微生物细胞机器也是实际生产的物质基础。但是我觉得生物机器的概念也许并不准确。张教授之所以提出“生物机器”,我认为是以两个主要原因:
        第一,微生物自身符合机器的定义。机器是由一定类型的能量支撑的,由各具一定功能的几个部分组成的用于生产的装置。而微生物是由代谢能支撑的,由各种合成路线和代谢调节水平组成的,合成目的代谢物的生物装置。
        第二,微生物细胞是发酵生产的真正生产者。在一个现在化的发酵工厂中,一排排银灰色的发酵罐不是真正的生产者。仅有其和培养基不能生产出任何的发酵产物。而真正去合成发酵产物的是微生物细胞。
        所以张教授得出了生物机器的概念,但是我更倾向于生物工厂的概念,即把微生物细胞看成一个小小的完备的工厂。理由很简单,张教授的三条假说中最重要的一个“细胞经济假说”很明显是一种企业行为,而非一种简单的机器行为。可以把细胞看成自主经营的,遵循经济规律的生物工厂。而发酵产物的总获得是一种微生物的群体行为,正如宏观经济学中的经济总量。在现实生活中经济总量的变化是宏观的经济调控和“ 看不见的手”的微观调控下的企业行为的综合原因,发酵罐就好比这个经济体系的外环境,而我们的调控手段,如控氧、控温,限制性底物添加,就如同宏观的手段,而细胞的响应就如同企业对市场的响应一样。所以我认为叫生物工厂更加稳妥,发酵理论的第三个假说更加吻合。
        这只是学生的个人的井底之见,有不妥之地,希望老师指正。
        总体来讲《发酵原理》是张教授用近二十年时光,在前人的研究基础上,经过教授的理论体系再创造和构建,系统地阐述了微生物发酵的原理,使得发酵工程从一门技术转变成了一门科学。也用实践去证明了教授的“理想不灭,青春不老;生命不止,追求不息;面对现实,心态平和;滴水穿石,集腋成裘;和而不同,稳操胜券”的四十字诀。也祝愿张教授在科学探索的路上再创佳绩。也祝老师身体健康,心情愉快,工作顺利!


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2 杨顺楷 王立

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