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【专稿】解读微生物自身的“经济管理原则”
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【专稿】解读微生物自身的“经济管理原则”
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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日发布了将在科学网悟空书斋（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。
我准备在发言稿标题前冠以【专稿】的方式按已公布的目录陆续发稿，先发研究生的，后发本科生的。今天发布的是研究生孟××的《解读微生物自身的“经济管理原则”》，请指正。
我准备在发言稿标题前冠以【专稿】的方式按已公布的目录陆续发稿，先发研究生的，后发本科生的。今天发布的是研究生孟××的《解读微生物自身的“经济管理原则”》，请指正。
研究生孟××：解读微生物自身的“经济管理原则”
在工业发酵生产中，是通过微生物的生命活动来获得目的物的。一般意义上的机器（发酵设备）只是为适合目的物产生菌生长代谢提供环境条件。目的物完全来源于微生物细胞的代谢而不是来源于一般意义上的机器，也就是说，实际上工业发酵生产的主体是微生物。这样，可以把微生物细胞看作是一个特殊的机器——“细胞机器”，通过生物学的生产方式来生产产品。一般来讲，只有当人了解了产品生产过程，才能制造出相应的生产设备。但是在发酵过程中，人只是利用微生物细胞本身具有的功能来达到生产目的，微生物细胞本身只是一个生命体，在进行生命活动的同时成为生产工具。所以广义地讲，能够被人用来获得所需要的产品的生命体也都可以看作是机器。
然而，即使是广泛采用基因工程手段改造原有生命个体，也不可以把生命体看成是完全意义上的机器，因为任何生命体都有其固有的生命属性，这是不会随人的意志而轻易改变的。“细胞机器”只能看作是一个特殊的机器。对于这个机器来讲，生存是第一位的，这体现了其生命的本质；对于人来讲，获得产品是最主要的，这体现了其机器的特点。这是一对矛盾。我们不能因为强调产品的获得而忽视微生物生存，产品的获得同样建立在细胞代谢和生存基础上。要处理好微生物的生存利益和人利用微生物进行发酵生产获得产品的经济利益这一对矛盾，就必须研究微生物生命活动的三个基本假说。
关于发酵学的三个假说，首先就是最为基础的代谢能支撑假说。无论对于微生物还是生产来说，都需要代谢能，只有微生物能够生存才有成为“细胞机器”的可能。一切发酵产物都来自于细胞的代谢，而微生物的代谢是非常复杂的，呈现网络的结构，这就是代谢网络假说所描述的，是发酵产物生产的最具体的内容。第三个假说是细胞经济假说，无论是细胞生存还是代谢产物的产生都受到一系列的调控，以保证物质和能量尽可能有效地被利用。这三个假说是相互联系不可分割的。
对于现存的生物来说，无论是微生物还是高等生物都是经过长时间的自然选择而存在的，所以对生物来说，无论其外形，习性或是代谢方式，都是最适合它所处的自然环境。自然的生存竞争是非常残酷的，为了生存，生物体都尽最大可能合理、有效地利用它能得到的每一份“食物”，尽可能高效地进行代谢。甚至，构成生物体的基本物质的种类和数量都在优化中。由此可见，微生物的代谢系统对于其自身而言是最适合环境，最有竞争力的。它的合理性体现在各个方面。首先，代谢能支撑生命活动，代谢能的不足必然阻碍正常生命活动。细胞合成代谢产物时要消耗大量的代谢能，而当微生物细胞作为细胞机器时，要求大量生成某些指定的代谢产物，也需要大量的代谢能。而且，对微生物自身而言这是非正常状态：竞争力下降，不利于生存。在原则上，这种非正常状态是受到排斥的，因为这种非正常状态使细胞负担加重，能量和物质的消耗加快，对微生物本身是不利的。这时需要为它们提供配套的环境条件，以维持生存状态。
代谢能也是在代谢中从其他形式的能量转化而来的，各种代谢途径不是零散的，而是构成复杂的网络。这个网络没有终点也没有起点。整个网络又可以分为三个部分，即中心代谢板块（由中心代谢途径们组成），向心代谢板块（由向心代谢途径们组成）和离心代谢板块（由离心代谢途径们组成）。中心代谢途径是作为代谢的中心环节，产生各种前体物质。能量代谢也要经过中心代谢途径。向心代谢途径将胞外营养物质送入中心代谢途径，经离心代谢途径生成细胞组成物质参与生长。当微生物细胞作为细胞机器进行生产运行时，离心代谢途径是合成工业发酵的目的产物的主要途径。然而，微生物细胞的通用代谢物过多地引向某分支代谢途径，从本质上讲是损害微生物的生存利益的。
在天然环境下，微生物的自发突变也有可能产生新的分支代谢途径。但是如果它对微生物自身的生存利益毫无意义的话，这条代谢途径对他自身来说就是多余的。即使是正常的代谢也会受到多种调控方式的调控，以协调微生物自身的生命活动。这就是细胞经济在起作用：它开启与生存密切相关的途径，关闭暂时不需要的途径，在特殊情况下启动特殊的途径。
但实际情况是，为了工业发酵的效益，必须在一定程度上干扰微生物原来的细胞经济体系，使工业发酵的目的产物大量的生成。在这种情况下，微生物细胞实际处于非正常代谢状态。然而，如果生命活动仍在继续，表明人为的干扰并不能改变细胞经济管理原则，只是在一定程度上使细胞经济体系处于一种可以承受的新的亚稳态（细胞经济管理原则仍在起作用）。更大的干扰将使代谢进一步无序，超过细胞经济管理原则规范下的细胞可以承受的范围，细胞经济体系就会崩溃，生命活动不能继续下去。所以，人为的干扰（菌种选育与发酵工艺条件控制）只能在细胞体系能够承受的范围内起作用，在满足细胞的这个最基本的生存要求的情况下追求产量的最大化。
人对微生物细胞的改造是可以实现细胞生存和目的产物高产的双重目的的。在解除调控机制，引入目的产物合成途径的时候，微生物细胞“整体协调，维持生计”的经济管理原则既会限制干扰的幅度，又会促成新的代谢格局。为了提高工业发酵生产的效益，要对微生物的代谢流进行导向：强化细胞产能的能力，关闭一些非必要途径，甚至启动特殊的途径，使能量和物质尽可能的用于目的产物的合成。细胞自身的代谢服从细胞经济管理原则，那么在代谢流的导向上，人也应该注意（遵循和利用）其经济性，对它们的代谢进行合理的导向，使“细胞机器”高效的运转的。细胞机器在本质上仍然是生命体，无视一个生命体生存的需要是无法实现其价值的，而细胞之所以可以升级为“细胞机器”是因为人对它的利用和改造，所以微生物的生存利益和人利用微生物进行发酵生产获得产品的经济利益这一对矛盾并不是完全对立的，找到其中可以相容之处，也许可以达到“双赢”的目的。
然而，即使是广泛采用基因工程手段改造原有生命个体，也不可以把生命体看成是完全意义上的机器，因为任何生命体都有其固有的生命属性，这是不会随人的意志而轻易改变的。“细胞机器”只能看作是一个特殊的机器。对于这个机器来讲，生存是第一位的，这体现了其生命的本质；对于人来讲，获得产品是最主要的，这体现了其机器的特点。这是一对矛盾。我们不能因为强调产品的获得而忽视微生物生存，产品的获得同样建立在细胞代谢和生存基础上。要处理好微生物的生存利益和人利用微生物进行发酵生产获得产品的经济利益这一对矛盾，就必须研究微生物生命活动的三个基本假说。
关于发酵学的三个假说，首先就是最为基础的代谢能支撑假说。无论对于微生物还是生产来说，都需要代谢能，只有微生物能够生存才有成为“细胞机器”的可能。一切发酵产物都来自于细胞的代谢，而微生物的代谢是非常复杂的，呈现网络的结构，这就是代谢网络假说所描述的，是发酵产物生产的最具体的内容。第三个假说是细胞经济假说，无论是细胞生存还是代谢产物的产生都受到一系列的调控，以保证物质和能量尽可能有效地被利用。这三个假说是相互联系不可分割的。
对于现存的生物来说，无论是微生物还是高等生物都是经过长时间的自然选择而存在的，所以对生物来说，无论其外形，习性或是代谢方式，都是最适合它所处的自然环境。自然的生存竞争是非常残酷的，为了生存，生物体都尽最大可能合理、有效地利用它能得到的每一份“食物”，尽可能高效地进行代谢。甚至，构成生物体的基本物质的种类和数量都在优化中。由此可见，微生物的代谢系统对于其自身而言是最适合环境，最有竞争力的。它的合理性体现在各个方面。首先，代谢能支撑生命活动，代谢能的不足必然阻碍正常生命活动。细胞合成代谢产物时要消耗大量的代谢能，而当微生物细胞作为细胞机器时，要求大量生成某些指定的代谢产物，也需要大量的代谢能。而且，对微生物自身而言这是非正常状态：竞争力下降，不利于生存。在原则上，这种非正常状态是受到排斥的，因为这种非正常状态使细胞负担加重，能量和物质的消耗加快，对微生物本身是不利的。这时需要为它们提供配套的环境条件，以维持生存状态。
代谢能也是在代谢中从其他形式的能量转化而来的，各种代谢途径不是零散的，而是构成复杂的网络。这个网络没有终点也没有起点。整个网络又可以分为三个部分，即中心代谢板块（由中心代谢途径们组成），向心代谢板块（由向心代谢途径们组成）和离心代谢板块（由离心代谢途径们组成）。中心代谢途径是作为代谢的中心环节，产生各种前体物质。能量代谢也要经过中心代谢途径。向心代谢途径将胞外营养物质送入中心代谢途径，经离心代谢途径生成细胞组成物质参与生长。当微生物细胞作为细胞机器进行生产运行时，离心代谢途径是合成工业发酵的目的产物的主要途径。然而，微生物细胞的通用代谢物过多地引向某分支代谢途径，从本质上讲是损害微生物的生存利益的。
在天然环境下，微生物的自发突变也有可能产生新的分支代谢途径。但是如果它对微生物自身的生存利益毫无意义的话，这条代谢途径对他自身来说就是多余的。即使是正常的代谢也会受到多种调控方式的调控，以协调微生物自身的生命活动。这就是细胞经济在起作用：它开启与生存密切相关的途径，关闭暂时不需要的途径，在特殊情况下启动特殊的途径。
但实际情况是，为了工业发酵的效益，必须在一定程度上干扰微生物原来的细胞经济体系，使工业发酵的目的产物大量的生成。在这种情况下，微生物细胞实际处于非正常代谢状态。然而，如果生命活动仍在继续，表明人为的干扰并不能改变细胞经济管理原则，只是在一定程度上使细胞经济体系处于一种可以承受的新的亚稳态（细胞经济管理原则仍在起作用）。更大的干扰将使代谢进一步无序，超过细胞经济管理原则规范下的细胞可以承受的范围，细胞经济体系就会崩溃，生命活动不能继续下去。所以，人为的干扰（菌种选育与发酵工艺条件控制）只能在细胞体系能够承受的范围内起作用，在满足细胞的这个最基本的生存要求的情况下追求产量的最大化。
人对微生物细胞的改造是可以实现细胞生存和目的产物高产的双重目的的。在解除调控机制，引入目的产物合成途径的时候，微生物细胞“整体协调，维持生计”的经济管理原则既会限制干扰的幅度，又会促成新的代谢格局。为了提高工业发酵生产的效益，要对微生物的代谢流进行导向：强化细胞产能的能力，关闭一些非必要途径，甚至启动特殊的途径，使能量和物质尽可能的用于目的产物的合成。细胞自身的代谢服从细胞经济管理原则，那么在代谢流的导向上，人也应该注意（遵循和利用）其经济性，对它们的代谢进行合理的导向，使“细胞机器”高效的运转的。细胞机器在本质上仍然是生命体，无视一个生命体生存的需要是无法实现其价值的，而细胞之所以可以升级为“细胞机器”是因为人对它的利用和改造，所以微生物的生存利益和人利用微生物进行发酵生产获得产品的经济利益这一对矛盾并不是完全对立的，找到其中可以相容之处，也许可以达到“双赢”的目的。
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