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十、从系统生物学到系统发酵学
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张星元：十、从系统生物学到系统发酵学
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发酵生产历史悠久，原始的手工作坊式的发酵生产（特别是传统酿酒和发酵食品酿造）凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。于是，发酵界的前辈首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式代替了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替了手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的平台。发酵生产与化学和化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃——发酵生产的工程化。
通过发酵工业化生产的几十年实践（以抗生素和氨基酸为代表），人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种“催化剂”，按化学工程的正统思维去寻找工业发酵的规律，半个多世纪几乎是劳而无功，有人把发酵视为艺术而自我安慰；多数发酵科技人员不甘心望而却步，不忍心埋没微生物的生产潜力，于是，从原始的手工作坊式的发酵生产技术的生物学内核出发，向生物学靠拢，在实践中对发酵工程的属性有了新的认识。发酵工程的生物学属性的认定，让发酵生产的主体彻底地回归微生物，发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。显然，现代发酵工程将成为一门由多学科交叉、融合而形成的技术性和应用性较强的开放性的学科。
可是遗憾的是，只要稍加留心，不难发现当今发酵工程的科技书籍和教材，往往沿用以往的“菌种—发酵—提炼（下游技术）”的体例，这种从工艺操作规程衍生出来的体例难于表述发酵工业生产的生物学属性，难以将菌种（遗传）和培养工艺（条件）作为一个整体（复杂系统）来深入讨论，难以提高对菌种选育和工艺控制的精确性，还容易助长把生物工程等同于化学工程而忽视其生物学属性的倾向、不利于微生物培养（发酵过程）自动控制进程。
因此发酵工程队伍必须观念更新，从生物学和生物工程的角度重新认识发酵工程和发酵工业生产的灵魂——微生物细胞耗散结构，以及以微生物细胞为行为主体的工业发酵复杂系统。在这个复杂系统中，其主体微生物细胞是有效的化学反应系统和自我复制的系统：微生物细胞结构及其高度有序的生命状态要靠消耗可被其自身直接利用的能量——代谢能来维持；要做到这一点，微生物活细胞必须是能进行能量形式转换的有效的化学反应体系；细胞靠其自身的结构来行使能量形式转换及能量支撑的功能，而用来再造自身的生物学信息则存在于细胞结构之中，因此活细胞又是自我复制的系统。 系统生物学的整体性研究的方略的实施对象就是生物复杂系统，应当也适用于微生物复杂系统。以发酵学三假说为核心的工业发酵生物学理论框架已经建立，微生物细胞复杂系统的能量、物质、信息的关系已经初步理顺，如果实验室和中间试验条件许可（组学测试和代谢工程实验研究的条件），就可以对工业发酵的微生物复杂系统实施系统生物学的整体性研究方略，发酵工程的列车就可以比较顺利地进入系统发酵学的轨道。这样，发酵生产的第二次飞跃——发酵生产的生物工程辉煌胜利就不远了。
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