发酵原理和代谢工程的基本概念

11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）21.微生物细胞能为其自身提供代谢能微生物细胞能为其自身提供代谢能2.细胞能量转换机构的组成细胞能量转换机构的组成3.微生物代谢中的电子流和电子回路微生物代谢中的电子流和电子回路4.生物氧化和辅酶的再生生物氧化和辅酶的再生5.生化反应途径和代谢途径生化反应途径和代谢途径6.生化反应网络和代谢网络生化反应网络和代谢网络7.代谢网络的联网问题代谢网络的联网问题8.代谢流和碳架物质流代谢流和碳架物质流9.代谢主流代谢主流介绍介绍 26 个基本概念：个基本概念：11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）310.载流途径与载流路径载流途径与载流路径11.代谢主流的变动性和选择性代谢主流的变动性和选择性12.理想载流途径理想载流途径13.微生物生物工程的难题微生物生物工程的难题14.代谢网络的节点及其刚性代谢网络的节点及其刚性 15.工业发酵的五字策略工业发酵的五字策略16.代谢网络的刚性代谢网络的刚性17.代谢网络的刚性代谢网络的刚性18.微生物活细胞和细胞的经济性微生物活细胞和细胞的经济性 11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）419.正常代谢和竞争型细胞经济正常代谢和竞争型细胞经济20.异常代谢和导向型细胞经济异常代谢和导向型细胞经济21.细胞经济受到严格的制约细胞经济受到严格的制约 22.信息流指导下的工业发酵信息流指导下的工业发酵23.限制性遗传信息之谜限制性遗传信息之谜24.从发酵工程到代谢工程从发酵工程到代谢工程25.代谢工程（定义）代谢工程（定义）26.代谢流及其控制的分析代谢流及其控制的分析介绍两个网址介绍两个网址11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）5 1.微生物细胞能为其自身提供代谢能微生物细胞能为其自身提供代谢能 微生物细胞的生存方式与动物、植物微生物细胞的生存方式与动物、植物等高等生物的细胞不同，微生物细胞能等高等生物的细胞不同，微生物细胞能独独立存在，自主生活立存在，自主生活。因此每个微生物细胞。因此每个微生物细胞都具有能量转换机构，这种机构可把其它都具有能量转换机构，这种机构可把其它形式的能量转换成能被其自身直接使用的形式的能量转换成能被其自身直接使用的能量能量（如如 ATP，GTP 和储存在膜上的质和储存在膜上的质子运动势子运动势 P），暂且把它们称为），暂且把它们称为代谢能代谢能。在代谢能的直接支撑下，活细胞才能维持在代谢能的直接支撑下，活细胞才能维持其高度有序的状态。其高度有序的状态。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）62.细胞能量转换机构的组成细胞能量转换机构的组成 微生物细胞的能量转换机构包括：微生物细胞的能量转换机构包括：需要代谢能来激活的代谢途径的有关的需要代谢能来激活的代谢途径的有关的酶和这些酶的辅酶酶和这些酶的辅酶、原核微生物的细胞、原核微生物的细胞质膜和真核微生物线粒体的内膜，以及质膜和真核微生物线粒体的内膜，以及这些膜上的这些膜上的电子传递链电子传递链和和ATP酶酶，还有，还有在能量代谢和主动输送中起辅助作用的在能量代谢和主动输送中起辅助作用的有关有关载体系统载体系统。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）73.微生物细胞代谢的电子流和电子回路微生物细胞代谢的电子流和电子回路 工业发酵普遍使用的化能异养型微工业发酵普遍使用的化能异养型微生物靠生物氧化把化学能转化为可被微生物靠生物氧化把化学能转化为可被微生物直接利用的代谢能。微生物细胞的生物直接利用的代谢能。微生物细胞的生物氧化过程必须借助于辅酶，并且其生物氧化过程必须借助于辅酶，并且其生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴生物氧化过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子（或质子）的流动，形成微生随着电子（或质子）的流动，形成微生物代谢的跨膜的质子回路。【下续】物代谢的跨膜的质子回路。【下续】11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）8ATPATP酶呼吸链11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）94.生物氧化和辅酶的再生生物氧化和辅酶的再生 在微生物活细胞中，参与生物氧化反应在微生物活细胞中，参与生物氧化反应的脱氢酶的辅酶本身不能跨过膜，被局限在的脱氢酶的辅酶本身不能跨过膜，被局限在其所在的细胞空间内。其所在的细胞空间内。它们必须被再生，才它们必须被再生，才能回用能回用，以维持能量代谢以维持能量代谢。脱氢酶的辅酶在。脱氢酶的辅酶在细胞的氧化还原反应中接受电子而被还原成细胞的氧化还原反应中接受电子而被还原成还原型辅酶，还原型辅酶把电子释放给电子还原型辅酶，还原型辅酶把电子释放给电子受体，从而实现脱氢酶的辅酶的再生。根据受体，从而实现脱氢酶的辅酶的再生。根据最终电子受体的类型，可把生物氧化分成有最终电子受体的类型，可把生物氧化分成有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）105.生化反应途径和代谢途径生化反应途径和代谢途径 一系列按序进行的生物化学反一系列按序进行的生物化学反应构成生化反应途径；若这条途径应构成生化反应途径；若这条途径在活细胞里运行在活细胞里运行，则为代谢途径。，则为代谢途径。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）116.生化反应网络和代谢网络生化反应网络和代谢网络 生化反应途径按生物化学规律生化反应途径按生物化学规律汇成生化反应网络；代谢途径与跨汇成生化反应网络；代谢途径与跨膜输送系统按代谢规律汇成（物质）膜输送系统按代谢规律汇成（物质）代谢网络。代谢网络。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）127.代谢网络的联网问题代谢网络的联网问题 代谢中间化合物都在代谢网络上，有些有代谢中间化合物都在代谢网络上，有些有机化合物虽然不在代谢网络上但仍有可能与代机化合物虽然不在代谢网络上但仍有可能与代谢网络谢网络“联网联网”。所谓所谓“联网联网”就是用化学或就是用化学或生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络生物化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去，从而使它与微生物的代谢建立联系。上去，从而使它与微生物的代谢建立联系。“联网联网”可以用化学或生物学方法（可以用化学或生物学方法（含含DNA重组技术重组技术）来实现。）来实现。广义的广义的“联网联网”包含包含代谢网络细节不同的生命有机体之间接力赛式代谢网络细节不同的生命有机体之间接力赛式的代谢联系。的代谢联系。已在已在“网网”上或者可以上或者可以“联网联网”的化合物都可能被开发为工业发酵的产物或原的化合物都可能被开发为工业发酵的产物或原料。料。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）138.代谢流和碳架物质流代谢流和碳架物质流 代谢物在代谢网络中流动形代谢物在代谢网络中流动形成代谢流。广义的代谢流还包括成代谢流。广义的代谢流还包括能量流和信息流。在代谢分析和能量流和信息流。在代谢分析和代谢工程中，代谢流往往首先是代谢工程中，代谢流往往首先是指指有机物流（碳架物质流）有机物流（碳架物质流）。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）149.代谢主流代谢主流 在一定的培养条件下，代谢在一定的培养条件下，代谢物在代谢网络中流动，流量相对物在代谢网络中流动，流量相对集中的代谢流叫做集中的代谢流叫做该培养条件下该培养条件下的代谢主流。代谢主流的流量测的代谢主流。代谢主流的流量测定是代谢工程的重要组成部分。定是代谢工程的重要组成部分。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）1510.载流途径与载流路径载流途径与载流路径 从字面上讲，从字面上讲，有代谢物流通过的代有代谢物流通过的代谢途径即载流途径。载流路径是工业发谢途径即载流途径。载流路径是工业发酵酵领域的术语。领域的术语。在工业发酵的目的产物在工业发酵的目的产物生产阶段，碳架物质从原料到目的产物生产阶段，碳架物质从原料到目的产物流经的各段代谢途径（即载流途径），流经的各段代谢途径（即载流途径），按流经的先后次序首尾衔接，组合成载按流经的先后次序首尾衔接，组合成载流路径。流路径。代谢工程没有必要研究所有的代谢工程没有必要研究所有的载流途径，但必须研究载流路径上的代载流途径，但必须研究载流路径上的代谢流，也就是谢流，也就是生产阶段的代谢主流生产阶段的代谢主流。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）1611.代谢主流的变动性和选择性代谢主流的变动性和选择性 微生物的代谢主流的方向、流量微生物的代谢主流的方向、流量甚至所流经的途径都可能发生变化。甚至所流经的途径都可能发生变化。这就是微生物代谢主流的变动性和代这就是微生物代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络中的途径的选择性。谢主流对代谢网络中的途径的选择性。这种变动和选择的根据在微生物细胞这种变动和选择的根据在微生物细胞的遗传物质，选择的原因是微生物所的遗传物质，选择的原因是微生物所处的环境条件的变化。处的环境条件的变化。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）1712.理想载流路径理想载流路径 为了提高产物对原料的转化率，为了提高产物对原料的转化率，就要求代谢主流（根据代谢分析的结就要求代谢主流（根据代谢分析的结果）经设定的载流路径流到目的产物。果）经设定的载流路径流到目的产物。因为这样的载流路径是因为这样的载流路径是带有主观导向带有主观导向性的虚拟的载流途径，所以把它们叫性的虚拟的载流途径，所以把它们叫做理想载流路径。做理想载流路径。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）1813.微生物生物工程的难题微生物生物工程的难题既然微生物的代谢主流对网络中既然微生物的代谢主流对网络中的途径有的途径有自主的自主的选择性，而工业发酵选择性，而工业发酵的目标又是要微生物的代谢主流经理的目标又是要微生物的代谢主流经理想载流途径，流到目的产物，因此就想载流途径，流到目的产物，因此就有必要去解决有必要去解决理想载流途径的设计理想载流途径的设计问问题和对代谢主流的题和对代谢主流的合理导向合理导向问题。问题。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）1914.代谢的代谢的“五段式五段式”在工业发酵生产中，培养器中的微在工业发酵生产中，培养器中的微生物细胞的代谢是分步进行的。胞外营生物细胞的代谢是分步进行的。胞外营养物质（一般要经胞外酶降解后）从培养物质（一般要经胞外酶降解后）从培养介质跨膜进入细胞，（一般要）经过养介质跨膜进入细胞，（一般要）经过“向心途径向心途径”、“中心途径中心途径”和和“离心离心途径途径”等三段连续的代谢途径的代谢，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，目的才能在胞内生成目的产物，最后，目的产物跨过细胞质膜排出细胞回到培养介产物跨过细胞质膜排出细胞回到培养介质。质。【下续】【下续】11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）20 因此，因此，典型的理想载流途径典型的理想载流途径应该由以上五段承担不同代谢分应该由以上五段承担不同代谢分工的依次衔接的代谢途径组成。工的依次衔接的代谢途径组成。这就是载流途径的这就是载流途径的“五段式五段式”。在这条载流途径上流动的代谢主在这条载流途径上流动的代谢主流对应地也有五段，这就是代谢流对应地也有五段，这就是代谢主流的主流的“五段式五段式”。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）2115.工业发酵的五字策略工业发酵的五字策略 在在“载流路径载流路径”、“代谢主代谢主流流”和和“五段式五段式”等概念的基础等概念的基础上，从统筹的角度出发，提出上，从统筹的角度出发，提出能作能作为一个整体用于设计育种以及发酵为一个整体用于设计育种以及发酵工艺控制的工艺控制的 的五字策略的五字策略：“进、进、通、节、堵、出通、节、堵、出”【下续】【下续】11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）22进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；进，促进细胞对碳源营养物质的吸收；通，使来自上游和各个注入分支的碳通，使来自上游和各个注入分支的碳架物质能畅通地流向目的产物；架物质能畅通地流向目的产物；节，阻塞与目的产物的形成无关或关节，阻塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流，使碳架物质相对集系不大的代谢支流，使碳架物质相对集中地流向目的产物；中地流向目的产物；堵，消除或削弱目的产物进一步代谢堵，消除或削弱目的产物进一步代谢的途径；的途径；出，促进目的产物向胞外空间分泌。出，促进目的产物向胞外空间分泌。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）2316.代谢网络的节点及其刚性代谢网络的节点及其刚性 微生物代谢网络中的途径的交叉点微生物代谢网络中的途径的交叉点（代谢流的集散处）叫做（代谢流的集散处）叫做节点（节点（node），微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比微生物自动抵制节点处代谢物流量分配比率的改变的特性叫做节点的刚性率的改变的特性叫做节点的刚性。节点的。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。因此在应用因此在应用“五字策略五字策略”制订育种方案制订育种方案时必须认真考虑节点刚性问题，尽量采用时必须认真考虑节点刚性问题，尽量采用解除调节的育种手段。解除调节的育种手段。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）2417.代谢网络的刚性代谢网络的刚性 微生物自动抵制代谢网络中代微生物自动抵制代谢网络中代谢物流量分布的改变的特性叫做代谢物流量分布的改变的特性叫做代谢网络的刚性。谢网络的刚性。代谢网络的刚性与代谢网络的刚性与主要刚性节点的刚性大小、分布及主要刚性节点的刚性大小、分布及数量密切相关。数量密切相关。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）2518.微生物活细胞及其经济性微生物活细胞及其经济性 微生物活细胞是个远离平衡微生物活细胞是个远离平衡状态的开放体系，是一种靠消耗状态的开放体系，是一种靠消耗能量而维持低熵的稳定动态的特能量而维持低熵的稳定动态的特殊结构殊结构耗散结构。耗散结构。【下续】【下续】11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）26 从微生物细胞对能量和化学物质的从微生物细胞对能量和化学物质的内外交换、增收节支、协调自律等客观内外交换、增收节支、协调自律等客观规律出发，把微生物细胞作为按特殊的规律出发，把微生物细胞作为按特殊的经济规律运行的经济实体来看待，并且经济规律运行的经济实体来看待，并且把这种按特殊的经济规律运行的有利于把这种按特殊的经济规律运行的有利于生存竞争（生存保障）的新陈代谢特性生存竞争（生存保障）的新陈代谢特性叫做细胞经济性。叫做细胞经济性。细胞的经济性可以以细胞的经济性可以以生成细胞的重量与消耗基质的重量之比生成细胞的重量与消耗基质的重量之比值值细胞经济系数来衡量。细胞经济系数来衡量。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）2719.正常代谢和竞争型细胞经济正常代谢和竞争型细胞经济 微生物在生存竞争中进化的方向是发微生物在生存竞争中进化的方向是发展其自身的适应能力和提高细胞运行的经展其自身的适应能力和提高细胞运行的经济系数。经生存竞争而幸存下来的野生型济系数。经生存竞争而幸存下来的野生型微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能力的，并且它们的代谢中间物在代谢网络力的，并且它们的代谢中间物在代谢网络中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞生长、繁殖和在竞争中获胜。在上述条件生长、繁殖和在竞争中获胜。在上述条件下，细胞处于正常代谢状态，细胞经济体下，细胞处于正常代谢状态，细胞经济体系呈现系呈现竞争型细胞经济的特色竞争型细胞经济的特色。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）2820.异常代谢和导向型细胞经济异常代谢和导向型细胞经济 如果工业生产要求微生物在胞外累积如果工业生产要求微生物在胞外累积某种代谢中间产物，则须对微生物的代谢某种代谢中间产物，则须对微生物的代谢流进行流进行导向导向。根据已获得的代谢分析的信。根据已获得的代谢分析的信息，应用息，应用“五字策略五字策略”有可能设计理想载有可能设计理想载流途径和配套的发酵培养工艺路线和工艺流途径和配套的发酵培养工艺路线和工艺条件，进而改造菌种、调整工艺，条件，进而改造菌种、调整工艺，将代谢将代谢主流导向理想载流途径。在导向成功的情主流导向理想载流途径。在导向成功的情况下，细胞处于异常代谢状态，细胞经济况下，细胞处于异常代谢状态，细胞经济体系呈现导向型细胞经济的特色。体系呈现导向型细胞经济的特色。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）2921.细胞经济受到严格的制约细胞经济受到严格的制约 工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得工业发酵依靠细胞群体的代谢来获得产品，导向型细胞经济固然有利于特定的产品，导向型细胞经济固然有利于特定的代谢产物的生产，但代谢产物的生产，但竞争型细胞经济向导竞争型细胞经济向导向型细胞经济的转化受到能量代谢、还原向型细胞经济的转化受到能量代谢、还原力的平衡等条件的严格制约（以保证有熵力的平衡等条件的严格制约（以保证有熵的输出），表现出代谢网络的刚性。的输出），表现出代谢网络的刚性。若细若细胞经济实体的运行状态过度偏离竞争型运胞经济实体的运行状态过度偏离竞争型运行状态，活细胞的高度有序状态将走向无行状态，活细胞的高度有序状态将走向无序，最终导致序，最终导致细胞经济的崩溃细胞经济的崩溃。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）3022.信息流指导下的工业发酵信息流指导下的工业发酵 在工业发酵生产中，可以把微生物在工业发酵生产中，可以把微生物细胞看作是细胞看作是细胞机器细胞机器，它们进行能量代，它们进行能量代谢和物质代谢；同时又可以把它们看作谢和物质代谢；同时又可以把它们看作是是信息处理器信息处理器，它们复制和传递自己的，它们复制和传递自己的生物信息，接收细胞内外的物理、化学生物信息，接收细胞内外的物理、化学甚至生物信息，并在对内外信息流进行甚至生物信息，并在对内外信息流进行综合处理的基础上，发出代谢调控的指综合处理的基础上，发出代谢调控的指令，令，在网络刚性的范围之内控制微生物在网络刚性的范围之内控制微生物细胞自身的生命活动。细胞自身的生命活动。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）3123.限制性遗传信息之谜限制性遗传信息之谜 可以推测在每个微生物细胞的遗传可以推测在每个微生物细胞的遗传物质中必有其限制性的生死攸关的遗传物质中必有其限制性的生死攸关的遗传信息，它们规定微生物细胞生命活动的信息，它们规定微生物细胞生命活动的基本的代谢网络及其调节机制。这些遗基本的代谢网络及其调节机制。这些遗传信息是微生物细胞能够自主生活与独传信息是微生物细胞能够自主生活与独立存在的依据，也是微生物对环境的有立存在的依据，也是微生物对环境的有限的适应性以及设计育种的计划往往不限的适应性以及设计育种的计划往往不能完全兑现的内在原因。能完全兑现的内在原因。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）3224.从发酵工程到代谢工程从发酵工程到代谢工程 微生物生物工程（现代发酵工程）微生物生物工程（现代发酵工程）基本理论在对代谢流及其控制做出了基本理论在对代谢流及其控制做出了定定性或半定量的分析性或半定量的分析，并在此基础上建立，并在此基础上建立了工业发酵的策略思想。这就为代谢流了工业发酵的策略思想。这就为代谢流（及其控制）的（及其控制）的定量分析定量分析架起了桥梁。架起了桥梁。基因工程原理和已走向成熟的基因工程原理和已走向成熟的分子生物分子生物学技术学技术又为我们提供了进行精确而有效又为我们提供了进行精确而有效的遗传修饰的手段。于是，的遗传修饰的手段。于是，代谢工程水代谢工程水到渠成到渠成了。了。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）3325.代谢工程（定义）代谢工程（定义）代谢工程是这样一种生物工程技代谢工程是这样一种生物工程技术：术：在对代谢流及其控制在对代谢流及其控制进行定量分进行定量分析析的基础上，的基础上，提出提出精确的精确的遗传修饰方遗传修饰方案并借助案并借助分子生物学技术分子生物学技术付诸实施。付诸实施。如此按部就班反复进行实践，从如此按部就班反复进行实践，从代谢代谢的整体上的整体上改善细胞的性能和应用前景。改善细胞的性能和应用前景。11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）3426.代谢流及其控制的分析代谢流及其控制的分析 1.代谢途径的综合分析代谢途径的综合分析（Metabolic Pathway Synthesis）2.代谢流量分析（代谢流量分析（Metabolic Flux Analysis）3.代谢控制分析（代谢控制分析（Metabolic Control Analysis）4.代谢网络结构分析代谢网络结构分析 5.代谢网络流量分析代谢网络流量分析 6.细胞生命活动的热动力学细胞生命活动的热动力学11/27/2022张星元：发酵原理（讲座）35www.genome.ad.jp/kegg KEGG:Kyoto Encyclopaedia of Genes and Genomeswww.embl-heidelberg.de/www.gmd.de/Welcome.en.htmlGerman National Centre for Information Technology homepage介绍两个网址：介绍两个网址：