要重视对我国工业微生物生物鲁棒性的基础研究

                              杨顺楷         四川    成都

生物鲁棒性（robustness）是指生物系统在受到环境变化，随机事件，如细胞内噪声，以及与遗传变异有关的诸多不确定性因素干扰时，能够保持表型稳定性的一种特性。而且是生物进化系统所进化出来的固有特性。该基础理论研究目前主要包括三个方面的论题：1）适应性，表示生物系统应对环境变化的能力；2）对参数的不敏感性，可表征为生物系统对特定动力学参数的相对钝化；3）缓慢渐进退化的特性，表示生物系统在损伤（非灾难性失效）条件下，系统功能特性的缓慢衰减。

目前，我国的发酵工业发展很快，已经取得了很大的成就，成为了国民经济的较大的一个板块，也是世界上的发酵工业大国，但是不是一个强国。但是从21世纪生物化工产业发展的要求来看，即资源节约，降低能耗，对环境生态保护角度来看，尚有不少差距。

因此，开发和改进工业微生物的生物鲁棒性和适配性，即提高发酵生产产品的高产率，强化胁迫抗性等，这都是发展生物产业的基础。然而这些性状是由多层次多尺度的复杂性调控网络所控制，仅仅基于对传统模式生物菌种和非工业环境所开展的常规实验研究，还远远不能够全面解析相关的遗传调控及生理代谢机理，所以着眼于多层次多尺度的工业微生物鲁棒性基础研究很有必要。

就以笔者职业生涯50年，从事工业微生物的甾体和非甾体化合物生物转化R&D历程来看，最为令人满意的一个项目那就是“氨基酸化学-酶法不对称合成研究”，从国家需要的L-Phe 着手，历时20年，完成了从小试（1985-1991），中试（1992-1995），一直到百吨级的工业化试生产（1998-2005），最终导致由3家生物化工企业共计产出2000多吨L-Phe，有力地推动力我国L-Phe和二肽甜味剂阿斯巴甜的产业发展。同时，借助已经建立起的生物转化芳基丙烯酸和氨成为非天然L-芳基丙氨酸（约20余个非天然芳基氨基酸化合物），学术论文发表在《有机化学》，《药学学报》，《化学学报，英刊》等刊物上，还参与了国际学术交流（2002年美国第43届生药学年会暨第三届国际工业微生物学大会）。初看起来整个研发工作还是不错的，可以说成果不少。

但是，就以当代生物科技前沿，工业微生物生物催化与分子进化角度看，该工作的焦点是红酵母菌种含有的苯丙氨酸解氨酶整细胞催化活力：1）经由初期应用，可以适应高氨水介质体系的适应性进化，逆向立体氨化加成肉桂酸产出L-Phe，生物反应器产酸积累浓度可以高达40kg/立米（中试结果7次平均为30g/L，高氨浓度4-6M）；2）中期，继续实施两阶段的工艺路线，即菌种首阶段的优化生长培养阶段和收获细胞培养物的转化阶段，各个参数仍然基本不变，结果生物转化性能及目标产物出现逐渐降低的结果；3）中后期，菌种筛选继续按照已经建立的方法，结果仍然不理想；表明菌种遗传性能确实发生了退化，L-Phe积累浓度下跌到25kg/立米，就是技术-经济的盈亏平衡点。

可见，这一非粮生物技术途经的先进工艺，确实开创了我国化学-酶法不对称合成L-Phe及其非天然L-芳基丙氨酸的先河。但是，依据对工业微生物鲁棒性理论，确实还有在菌种的遗传鲁棒性，和生物反应器或转化过程外部环境条件质与量的生物鲁棒性问题值得深入研究。