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【专稿】细胞机器和代谢工程
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【专稿】细胞机器和代谢工程
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前文《春江水暖谁先知——学生最有发言权》已于7月12日发布了关于在科学网悟空书斋（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，随后，以在发言稿标题前冠以【专稿】的方式按已公布的目录开始发稿。
现在研究生的发言稿的发稿暂告一段落（6篇），开始发本科生的发言稿（23篇），为方便读者系统地选读，特对原已公布的目录次序按内容作了调整，今天开始按《关于调整学生发酵原理讨论会发言稿发稿次序的公告》陆续发稿。现在发布孙××同学的《细胞机器和代谢工程》，请指正。
现在研究生的发言稿的发稿暂告一段落（6篇），开始发本科生的发言稿（23篇），为方便读者系统地选读，特对原已公布的目录次序按内容作了调整，今天开始按《关于调整学生发酵原理讨论会发言稿发稿次序的公告》陆续发稿。现在发布孙××同学的《细胞机器和代谢工程》，请指正。
孙××同学：细胞机器和代谢工程
说微生物是发酵工业的灵魂，正是《发酵原理》不同于其他书的地方。这种对于发酵的理念，是独到而精辟的。对于微生物细胞，可以把它们看作是独特的细胞机器，这也是《发酵原理》一书的独特之处。这里的“机器”，不同于人类设计制造的普通机器。它们必须由代谢能直接驱动。在工厂的生产线上，微生物必须完成微生物细胞机器的“在线制造”（ 细胞增殖）和“生产运行”（目的产物的合成和输出）的双重任务。
微生物将外界的光能或化学能转化为代谢能，并用代谢能支撑其自身的代谢活动，这是代谢能支撑假说的内容。用微生物细胞机器进行的生产也就不同于人类设计制造的普通机器：一方面，微生物细胞拥有独立的代谢调节能力，以及自我修复、适应环境等普通机器尚没有的功能；另一方面，微生物细胞能够繁殖演变，这就使微生物在生产代谢不同的目标产物时呈现出不同的生长、生产曲线和代谢规律。以上两个方面，有时是我们所希望的，例如菌体的增殖和其对外界环境具有的耐受力，有时又是我们所不希望的，例如对产物过量积累的抑制作用和菌种的退化。
发酵是生物技术产业化的基础。生物技术要真正造福于人类，必须走产业化的道路，这就意味着仅仅依靠重组DNA 技术或其它改造生物系统的技术是不够的。以工业微生物为例,选育或构建一株优良菌株仅仅是刚刚开始。要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵工艺。而发酵工艺的优化，很大程度上依赖于对微生物各种代谢途径的把握。
代谢工程自1991年诞生以来已有10余年历史，其定义已从最初的“采用重组DNA技术，操纵细胞的酶、运输及调节功能，达到提高或改善细胞活性的目的”，发展到目前的“一种理解并利用代谢过程的方法”。具体而言，代谢工程是利用重组DNA技术或其他技术，有目的地改变生物中已有的代谢网络和表达调控网络，以更好地理解细胞的代谢途径，并用于化学转化、能量转移及大分子装配过程。虽然在植物、昆虫和动物细胞中也开始进行代谢工程研究，但微生物由于其代谢途径相对简单、遗传操作比较容易，因而仍是目前代谢工程的主要研究对象。
功能基因组学和系统生物学的发展，从整体规模上提供了深刻认识微生物代谢特性的工具，毫无疑问为代谢工程的发展创造了前所未有的机遇。
细胞的经济体系植根于细胞的代谢网络。如果说代谢网络为实现目标产物的生产提供了可能性，那么经济体系就是调控产量的开关。遗憾的是这种调控往往不能尽如人意。“天然存在的各种微生物物种的生命活动过程——不论是造福于人类或危害人类的——都是它们按自己的生命活动规律进行生存竞争的新陈代谢过程。微生物的天然进化不可能刻意去照顾人类的利益。”
这样一来，就出现了人与微生物之间的矛盾：人们希望目的产物能够大量积累，而细胞的调控机制不允许代谢产物在胞内大量积累。
在了解了微生物代谢网络的基础上，对微生物代谢途径的有效调控，实现目的产物的增产，是一个非常现实的问题。能否实现高产，决定于对代谢调控把握的力度。使代谢流向生产目的产物有利的方向流动，是目前研究的焦点。成功的控制，“是发挥人的主观能动性的体现”。
《发酵原理》鸿篇巨制！通过对发酵原理课程的学习，我对整个发酵过程有了一个根本的认识。对微生物发酵生产的本质有了理解，开阔了眼界、深化了认识。个人觉得在不久的将来，对植物细胞的培养和对动物细胞的培养而进行的发酵生产活动也会归纳到其中来，使发酵的范围更加广阔，层次更加丰富。希望在不久的将来，人类能够构建出完全针对发酵的细胞机器和反应容器，从而实现发酵的连续化和全效化，带来生物发酵产业新的飞跃！
微生物将外界的光能或化学能转化为代谢能，并用代谢能支撑其自身的代谢活动，这是代谢能支撑假说的内容。用微生物细胞机器进行的生产也就不同于人类设计制造的普通机器：一方面，微生物细胞拥有独立的代谢调节能力，以及自我修复、适应环境等普通机器尚没有的功能；另一方面，微生物细胞能够繁殖演变，这就使微生物在生产代谢不同的目标产物时呈现出不同的生长、生产曲线和代谢规律。以上两个方面，有时是我们所希望的，例如菌体的增殖和其对外界环境具有的耐受力，有时又是我们所不希望的，例如对产物过量积累的抑制作用和菌种的退化。
发酵是生物技术产业化的基础。生物技术要真正造福于人类，必须走产业化的道路，这就意味着仅仅依靠重组DNA 技术或其它改造生物系统的技术是不够的。以工业微生物为例,选育或构建一株优良菌株仅仅是刚刚开始。要使优良菌株的潜力充分发挥出来，还必须优化其发酵工艺。而发酵工艺的优化，很大程度上依赖于对微生物各种代谢途径的把握。
代谢工程自1991年诞生以来已有10余年历史，其定义已从最初的“采用重组DNA技术，操纵细胞的酶、运输及调节功能，达到提高或改善细胞活性的目的”，发展到目前的“一种理解并利用代谢过程的方法”。具体而言，代谢工程是利用重组DNA技术或其他技术，有目的地改变生物中已有的代谢网络和表达调控网络，以更好地理解细胞的代谢途径，并用于化学转化、能量转移及大分子装配过程。虽然在植物、昆虫和动物细胞中也开始进行代谢工程研究，但微生物由于其代谢途径相对简单、遗传操作比较容易，因而仍是目前代谢工程的主要研究对象。
功能基因组学和系统生物学的发展，从整体规模上提供了深刻认识微生物代谢特性的工具，毫无疑问为代谢工程的发展创造了前所未有的机遇。
细胞的经济体系植根于细胞的代谢网络。如果说代谢网络为实现目标产物的生产提供了可能性，那么经济体系就是调控产量的开关。遗憾的是这种调控往往不能尽如人意。“天然存在的各种微生物物种的生命活动过程——不论是造福于人类或危害人类的——都是它们按自己的生命活动规律进行生存竞争的新陈代谢过程。微生物的天然进化不可能刻意去照顾人类的利益。”
这样一来，就出现了人与微生物之间的矛盾：人们希望目的产物能够大量积累，而细胞的调控机制不允许代谢产物在胞内大量积累。
在了解了微生物代谢网络的基础上，对微生物代谢途径的有效调控，实现目的产物的增产，是一个非常现实的问题。能否实现高产，决定于对代谢调控把握的力度。使代谢流向生产目的产物有利的方向流动，是目前研究的焦点。成功的控制，“是发挥人的主观能动性的体现”。
《发酵原理》鸿篇巨制！通过对发酵原理课程的学习，我对整个发酵过程有了一个根本的认识。对微生物发酵生产的本质有了理解，开阔了眼界、深化了认识。个人觉得在不久的将来，对植物细胞的培养和对动物细胞的培养而进行的发酵生产活动也会归纳到其中来，使发酵的范围更加广阔，层次更加丰富。希望在不久的将来，人类能够构建出完全针对发酵的细胞机器和反应容器，从而实现发酵的连续化和全效化，带来生物发酵产业新的飞跃！
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