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【专稿】微生物是工业发酵的灵魂
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【专稿】微生物是工业发酵的灵魂
https://blog.sciencenet.cn/blog-41364-243988.html
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前文《春江水暖谁先知——学生最有发言权》（http://159.226.26.14/m/user_content.aspx?id=243107）已于7月12日发布了关于在科学网悟空书斋（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，随后，以在发言稿标题前冠以【专稿】的方式按已公布的目录开始发稿。
现在研究生的发言稿的发稿暂告一段落（6篇），开始发本科生的发言稿（23篇），为方便读者系统地选读，特对原已公布的目录次序按内容作了调整，今天开始按《关于调整学生发酵原理讨论会发言稿发稿次序的公告》（http://159.226.26.14/m/user_content.aspx?id=243594 ）陆续发稿。现在发布于×同学的《微生物是工业发酵的灵魂》，请指正。
现在研究生的发言稿的发稿暂告一段落（6篇），开始发本科生的发言稿（23篇），为方便读者系统地选读，特对原已公布的目录次序按内容作了调整，今天开始按《关于调整学生发酵原理讨论会发言稿发稿次序的公告》（http://159.226.26.14/m/user_content.aspx?id=243594 ）陆续发稿。现在发布于×同学的《微生物是工业发酵的灵魂》，请指正。
于×同学：微生物是工业发酵的灵魂
《发酵原理》这门课把专业基础课与专业课联系起来，在一个新的高度，把从前学到的相对零散的知识优化组合。贯穿全书的是一种科学思维。书中关于“细胞机器”概念、发酵学三个基本假说提出是对发酵工程的生物学本质的认识：微生物是工业发酵的灵魂。
书中说到，一个好的假说必须是符合逻辑的，能对当今可以搜索到的所有有关信息做出解释的。代谢能支撑假说即是如此。涉及微生物细胞的生长和繁殖的每一个“动作”，包括细胞内的有机物降解的启动，生物合成的启动和持续，主动运输，pH自动动态平衡等都需要代谢能支持，维持细胞的生命也需要代谢能的支撑。
而微生物细胞的物质代谢和能量代谢是依靠代谢网络来实现的。化合物在代谢网络中流动，形成代谢流。工业发酵中，原料代谢流在细胞机器中经过一系列途径转化成为目的产物。在这个基础上，发酵学的第二假说提出了，代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合，在辅因子水平上协调，形成横跨微生物活细胞内外的代谢网络。这个代谢网络不是生化途径和跨膜输送过程简单连接，而是要将生物化学概念纳入细胞代谢的总体框架。书里研究的主要是有机物（碳元素）在酶和蛋白质层面上的代谢网络。研究发现，对于兼性厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧时代谢网络有明显差异，而且在不同的培养条件下生存时，其代谢网络也是有差异的。例如：有氧生长的代谢是在以TCA环为骨架的中心板块的基础上构建，缺氧生长时，则是在以TCA在OAA处的分叉途径为骨架的中心板块的基础上构建的。
其实，微生物生命活动可分为4个层次：DNA层次，蛋白质层次，物流层次，微生物细胞层次，它们之间需要逐级激活。代谢网络是无尺度的，微生物细胞机器的工作模式把细胞机器运行阶段的载流路径描写成由向心途径，中心途径和离心途径三者依次首尾衔接而贯通的一条“通道”。作为代谢网络假说，基于工业发酵是可以操作的，它可以预测开拓新产品和新原料的可行性。
结构决定功能。水平上实现的，其台阶的方向是尽可能高效利用营养，实现最大生长。真核生物细胞内原核生物没有核，因此DNA接受来自细胞质的调节信号，从而蛋白质合成的开关控制是在转录被膜分隔成不同空间，为合成代谢和分解代谢分开进行和分开调节提供可能性。大肠杆菌乳糖操纵子是控制乳糖降解途径的酶系的操纵子。转录开始的负控制和正控制分别能够促进转录——决定合成的酶的水平和阻止转录——防止葡萄糖与乳糖并存时的浪费。另外，微生物代谢途径中的抑制和激活的调节模式，途径的诱导和阻遏的调节模式， 这些微生物自身非常“聪明”的自动调节，令它们更好地适应生存。这是不以人的主观意志为转移的，正如第三假说“细胞经济假说”所言，微生物细胞是在物竞天择中形成的经济体系，是微生物细胞生存的保障体系，为细胞的适应性，经济性和代谢持续性提供保障。
这样看来，微生物细胞与独立经营自负盈亏的企业有相同的特点，非常生动。3个假说分别从能量，物质和信息等3个角度支撑发酵工业“细胞机器”正常运转。3个假说也逐渐深入地揭示了微生物在发酵工业中好好“工作”的道理。既然微生物活细胞是发酵生产线上不可或缺的微生物生物机器，是储存了生物信息的自主的细胞机器，我们就要增加和微生物细胞的“对话”，发挥主观能动性，遵循并利用固有的运行规律（自然规律），处理好发酵中人与微生物的对立统一关系，促成合作，获得效益。
书中说到，一个好的假说必须是符合逻辑的，能对当今可以搜索到的所有有关信息做出解释的。代谢能支撑假说即是如此。涉及微生物细胞的生长和繁殖的每一个“动作”，包括细胞内的有机物降解的启动，生物合成的启动和持续，主动运输，pH自动动态平衡等都需要代谢能支持，维持细胞的生命也需要代谢能的支撑。
而微生物细胞的物质代谢和能量代谢是依靠代谢网络来实现的。化合物在代谢网络中流动，形成代谢流。工业发酵中，原料代谢流在细胞机器中经过一系列途径转化成为目的产物。在这个基础上，发酵学的第二假说提出了，代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合，在辅因子水平上协调，形成横跨微生物活细胞内外的代谢网络。这个代谢网络不是生化途径和跨膜输送过程简单连接，而是要将生物化学概念纳入细胞代谢的总体框架。书里研究的主要是有机物（碳元素）在酶和蛋白质层面上的代谢网络。研究发现，对于兼性厌氧微生物来说，不但需氧与缺氧时代谢网络有明显差异，而且在不同的培养条件下生存时，其代谢网络也是有差异的。例如：有氧生长的代谢是在以TCA环为骨架的中心板块的基础上构建，缺氧生长时，则是在以TCA在OAA处的分叉途径为骨架的中心板块的基础上构建的。
其实，微生物生命活动可分为4个层次：DNA层次，蛋白质层次，物流层次，微生物细胞层次，它们之间需要逐级激活。代谢网络是无尺度的，微生物细胞机器的工作模式把细胞机器运行阶段的载流路径描写成由向心途径，中心途径和离心途径三者依次首尾衔接而贯通的一条“通道”。作为代谢网络假说，基于工业发酵是可以操作的，它可以预测开拓新产品和新原料的可行性。
结构决定功能。水平上实现的，其台阶的方向是尽可能高效利用营养，实现最大生长。真核生物细胞内原核生物没有核，因此DNA接受来自细胞质的调节信号，从而蛋白质合成的开关控制是在转录被膜分隔成不同空间，为合成代谢和分解代谢分开进行和分开调节提供可能性。大肠杆菌乳糖操纵子是控制乳糖降解途径的酶系的操纵子。转录开始的负控制和正控制分别能够促进转录——决定合成的酶的水平和阻止转录——防止葡萄糖与乳糖并存时的浪费。另外，微生物代谢途径中的抑制和激活的调节模式，途径的诱导和阻遏的调节模式， 这些微生物自身非常“聪明”的自动调节，令它们更好地适应生存。这是不以人的主观意志为转移的，正如第三假说“细胞经济假说”所言，微生物细胞是在物竞天择中形成的经济体系，是微生物细胞生存的保障体系，为细胞的适应性，经济性和代谢持续性提供保障。
这样看来，微生物细胞与独立经营自负盈亏的企业有相同的特点，非常生动。3个假说分别从能量，物质和信息等3个角度支撑发酵工业“细胞机器”正常运转。3个假说也逐渐深入地揭示了微生物在发酵工业中好好“工作”的道理。既然微生物活细胞是发酵生产线上不可或缺的微生物生物机器，是储存了生物信息的自主的细胞机器，我们就要增加和微生物细胞的“对话”，发挥主观能动性，遵循并利用固有的运行规律（自然规律），处理好发酵中人与微生物的对立统一关系，促成合作，获得效益。
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