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细胞机器的工作模式的网上发表
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张星元：细胞机器的工作模式的网上发表
专稿《细胞机器的工作模式》（http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=244093）关注的人比较多，但该文关于细胞机器的工作模式的具体内容欠缺，不补充作一点说明对不起博友，本博文就算细胞机器的工作模式的一次网上发表吧。
自成系统的生物工程学思路
微生物细胞生命活动（初级代谢）的三个基本假说，已得到大量信息和实验的支持；从这些假说做出的这些预测的也得到了研究和生产事实的支持。在我们的研究的范围内，并没有发现这些假说和预测是不正确的。
尽管如此，所有这些还不能证明这三个假说是正确的。如前所述，还必须通过对可供替代的假说的证伪，借助于逐个消除的办法来逼近假说的真实性。只有当这些假说经受住所有证伪的考验而依然没有被推翻，这三个假说才能被接纳为相对的正确。
然而，这三个假说对某一类事物提供的可能的解释，有些早已不自觉地、不系统地作为推理的基础、实验的指南用于研究和生产，并获得了预期的效果。时机成熟了就应该考虑把这些假说和事实组合成一个广泛适用的模式，建立理论的框架。期望在更多同行的共同努力下，在不久的将来，使这个理论框架上升为系统的理论。
理论是指已经过实验证实的、可以用来解释有关事实、偶然事件或自然现象的原则，是根据客观存在的普遍原理对事物做出解释的思想体系。理论的存在并不意味着检验的停止。
以典型的工业发酵作为研究工业发酵的出发点，在微生物细胞生命活动（初级代谢）的三个基本假说的基础上，已经形成如下自成系统的生物工程学思路：⑴ 细胞机器的工作模式，⑵ 微生物代谢的五段式，⑶ 工业发酵的五字策略。
细胞机器的概念
现代发酵工程依靠微生物活细胞来完成发酵工厂生产线上的不可缺少的加工（或转化）步骤，在这个意义上，微生物活细胞就是发酵工厂发酵生产线上不可缺少的生产机器——微生物细胞机器。
微生物细胞直接面向环境，能独立存在和自主生活，单个微生物细胞能独立地完成能量转化及其自身的生长、繁殖等生命过程，而不直接依赖于其他同一类型的或不同类型的细胞，因此微生物生物机器也就是微生物细胞机器，简称细胞机器。
工业发酵所依赖的微生物活细胞是能够依据其内存的生物信息对所处环境自主地做出有利于自身生存的响应的天然机器。
细胞机器（天然机器）与普通意义上的机器（人造机器）不同，主要表现在以下几个方面：
①细胞机器必须由代谢能（metabolic energy ）直接驱动， 而人造机器没有这个限制；②细胞机器的零件不断自我更新并随着操作条件变化而调整相互关系，而人造机器的零件只会磨损不会自动更新和调整。 ③细胞机器是自组织的、可以自我再生的，人造机器归根结蒂是受人控制的、不能自我再生的。④在发酵工厂的生产线上的细胞机器，必须完成微生物细胞机器自身的“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，而人造机器的任务一般只能完成一项任务（机器制造或产品加工）；⑤工业发酵的细胞机器来源于自然界（生产菌种从野生菌株育成），其细胞的构造原理和运行机制尚未完全被人掌握；而人造机器则完全是由人设计和制造的，因此是知根知底的。
细胞机器与微生物细胞不同，主要表现在以下方面：
①细胞机器是经过人改造或引导的、体现人的意志的细胞，而天然的微生物细胞则是经过自然竞争考验的；②细胞机器一般要求有配套的环境条件才能实现其功能，而天然的微生物细胞相比之下对环境有较强的适应性；③人对细胞机器的代谢调节机制已有一定的了解，而对天然的微生物细胞一般还没有专一的了解；④微生物细胞是生物学的概念，细胞机器是工程学的概念。
细胞机器的概念模式
这个抽象的图式很简单，它由一个椭圆和一条贯穿这个椭圆的、有方向性的曲线组成。椭圆代表界面，曲线代表生物加工的路径。细胞机器是由界面包围的、能自主地响应环境变化的机器，处于生产状态的细胞机器通过一条贯穿自身的载流路径，将环境中的有机原料转化成指定的工业发酵产品。工业发酵生产过程是亿万细胞机器一起运转的过程。
这个概念模式把细胞机器的工作抽象成三步：① 输入：培养基中的有机原料物质跨过细胞界面进入微生物活细胞；② 暗箱操作：微生物细胞的代谢促成工业发酵的目的产物在胞内生成；③ 输出：工业发酵的目的产物跨过细胞界面被排放到细胞外。
细胞机器的工作模式
在细胞机器的个体概念模式的基础上，建立细胞机器的工作模式。
工作模式的适用范围是：
①典型的工业发酵，
②细胞机器生产运行的时段。
微生物代谢的五段式
在细胞机器概念模式的基础上，建立了典型的工业发酵的工作模式，在工作模式的基础上提出了工业发酵中微生物代谢的五段式，即典型的载流路径的五段式。
从图可见，细胞外的营养物质首先从培养环境（培养基）跨膜进入细胞；然后，一般要经过向心途径、中心途径和离心途径等三段连续的代谢途径的代谢，才能在胞内生成目的产物；最后，目的产物经过细胞质膜排出细胞，回到环境（发酵醪液）。
因此典型的载流路径应该由存在于代谢网络中以上五段承担不同代谢分工的依次首尾衔接的代谢途径组成的依次穿过代谢网络的三个板块（向心板块、中心板块、离心板块）的途径。这就是载流路径的五段式。这五段依次为：①起始段，②向心段，③中心段，④离心段，⑤完成段。
代谢主流在载流路径上流动。在载流路径上流动的代谢主流也有对应的五段，从而派生出工业发酵代谢主流的五段式。载流路径的五段式与工业发酵代谢主流的五段式总称为微生物代谢的五段式。
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