工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器.ppt

2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,1,第一章 工業(yè)發(fā)酵的細(xì)胞機(jī)器,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上的細(xì)胞機(jī)器 第二節(jié) 工業(yè)微生物細(xì)胞的工作模式,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,2,請帶著以下問題聽課： 1.什么叫做機(jī)器？工廠的機(jī)器從哪里來？ 它們怎樣為我們工作？ 2.生物體能起機(jī)器的作用嗎？ 3.微生物細(xì)胞能起機(jī)器的作用嗎？ 4.微生物細(xì)胞機(jī)器與人們心目中的機(jī)器有 什么不同？ 5.微生物細(xì)胞作為細(xì)胞機(jī)器意味著什么？,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,3,第一節(jié) 工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上的細(xì)胞機(jī)器,1.1.1 生物機(jī)器和細(xì)胞機(jī)器的概念 1.1.2 發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,4,走進(jìn)現(xiàn)代發(fā)酵工廠，最引人注意的是，在排列整齊、縱橫交叉的彩色管道的映襯下，一排排的銀灰色的龐然大物，它們的名字叫發(fā)酵罐。在莊重而祥和的發(fā)酵罐里億萬微生物小兄弟正在為人類，也為自己的生存歡快地忙碌著。 面對此情此景人們不禁要問，工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器是發(fā)酵罐，還是微生物？,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,5,百思不解： 1.為什么同樣的設(shè)備可以生 產(chǎn)不同的產(chǎn)品？ 2.為什么有些發(fā)酵食品也可 在家里制作？,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,6,1.1.1 生物機(jī)器和細(xì)胞機(jī)器的概念,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,7,“機(jī)器”最初定義為由電或蒸汽甚至人力推動的、由各具一定功能的幾個部分組成的用于生產(chǎn)的裝置，如紡紗機(jī)、織布機(jī)、縫紉機(jī)等。因此“機(jī)器”應(yīng)該是屬于工程學(xué)的概念。 “動物、植物、微生物”應(yīng)該是屬于生物學(xué)的概念，它們的生命活動是由代謝能來驅(qū)動的。在人的組織下，如果動物、植物、微生物作為生產(chǎn)的“裝置”使用，就可納入“機(jī)器”的范疇，這就是生物機(jī)器。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,8,生物機(jī)器是從機(jī)器衍生的新概念，生物機(jī)器是指由代謝能驅(qū)動的機(jī)器。在這個意義上牛奶工廠的奶牛，水果原料基地的果樹，發(fā)酵工廠的菌種微生物分別稱作為動物生物機(jī)器 、 植物生物機(jī)器和微生物生物機(jī)器。微生物細(xì)胞能自主生活和獨立存在，因此微生物生物機(jī)器也就是微生物細(xì)胞機(jī)器，簡稱細(xì)胞機(jī)器。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,9,1.1.2 發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,10,多年來，我們從研究微生物的生命活動規(guī)律入手，從生物學(xué)的角度重新審視了發(fā)酵工程，形成以下關(guān)于現(xiàn)代發(fā)酵工程新思路：,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,11,現(xiàn)代發(fā)酵工程依靠微生物活細(xì)胞來完成發(fā)酵工廠生產(chǎn)線上不可缺少的加工（或轉(zhuǎn)化）步驟，在這個意義上，微生物活細(xì)胞就是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)線上不可缺少的微生物生物機(jī)器（或稱細(xì)胞機(jī)器），是發(fā)酵工廠里關(guān)鍵的生產(chǎn)機(jī)器。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,12,細(xì)胞機(jī)器與普通意義上的機(jī)器不同，它們必須由代謝能 （ metabolic energy）直接驅(qū)動。在發(fā)酵工廠的生產(chǎn)線上，微生物必須完成微生物細(xì)胞機(jī)器的 “ 在線制造 ”（ 細(xì)胞增殖）和“ 生產(chǎn)運行 ” （ 目的產(chǎn)物的合成和輸出）的雙重任務(wù)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,13,微生物細(xì)胞機(jī)器按其自身固有的規(guī)律運行。為了引導(dǎo)微生物為我們服務(wù)，必須深入研究微生物細(xì)胞機(jī)器的工作原理。要研究微生物細(xì)胞機(jī)器的工作原理，首先要建立微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,14,第二節(jié) 微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式,1.2.1 活細(xì)胞的基本性能 1.2.2 微生物細(xì)胞的工作模式 1.2.3 創(chuàng)新思路的理論基礎(chǔ),2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,15,微生物細(xì)胞能自主生活（free-living ） 和獨立存在。單個微生物細(xì)胞能獨立地完成能量轉(zhuǎn)化及其自身的生長、繁殖等生命過程，而不直接依賴于其他同一類型的或不同類型的細(xì)胞。而動植物細(xì)胞（體細(xì)胞）在自然界不能單獨存活，只能作為動植物個體的一部分而存在，具有相互依賴性。,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,16,細(xì)胞是微生物生命活動的基本單位。微生物細(xì)胞是一個由細(xì)胞膜（外面一般有細(xì)胞壁）包圍的，包含許多化學(xué)物質(zhì)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的整體。細(xì)胞膜是將空間分為細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞外的界面，也是對細(xì)胞有保護(hù)作用的屏障。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,17,細(xì)胞膜包圍的部分是細(xì)胞行使功能的結(jié)構(gòu)和化學(xué)物質(zhì)。細(xì)胞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是核（或核區(qū)）以及細(xì)胞質(zhì)，前者儲存著用來制造更多細(xì)胞的生物信息，后者包含實現(xiàn)細(xì)胞生長和細(xì)胞功能的機(jī)構(gòu)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,18,雖然每種微生物細(xì)胞都有一定的結(jié)構(gòu)和大小，但微生物細(xì)胞是動態(tài)的單位，是其所在環(huán)境中的微生物細(xì)胞，它們每時每刻都在自我更新，通過與環(huán)境不斷的交換，保持相對穩(wěn)定的存在方式。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,19,1.2.1 活細(xì)胞的基本性能,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,20,活細(xì)胞的基本性能主要包括以下5條： 自我復(fù)制：自我復(fù)制是一切生物（包括非細(xì)胞生物和細(xì)胞生物）的基本性質(zhì)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,21,代謝和代謝能支撐：細(xì)胞生物的生命活性來自于組成其自身的活細(xì)胞?；罴?xì)胞的生命活動，包括能源化合物被降解以前的激活和生物合成，以及細(xì)胞自身高度有序狀態(tài)的維持，均需要代謝能的支撐。細(xì)胞中的所有的生化反應(yīng)，包括降解代謝和合成代謝是一個整體，叫做代謝體系。細(xì)胞的代謝體系能將其他形式的能量轉(zhuǎn)變成代謝能，而代謝能反過來又支撐細(xì)胞代謝體系，即支持細(xì)胞的生命活動。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,22,進(jìn)化：進(jìn)化是指經(jīng)自然選擇而獲得的遺傳性變異。與無生命的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，單細(xì)胞或多細(xì)胞有機(jī)體會進(jìn)化。遺傳性能的改變能以正的或負(fù)的方式影響微生物細(xì)胞的適應(yīng)性，進(jìn)化的結(jié)果是對最適合于在該特定環(huán)境中生活的那些微生物做出選擇（適者生存）。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,23,分化：在生物體的生命循環(huán)過程的特定階段，某些細(xì)胞類型在形式或功能方面的發(fā)生改變的現(xiàn)象，通稱分化。細(xì)胞分化時，某些分化前不能形成的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)得以形成，而某些分化前可以形成的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)不能再形成。微生物細(xì)胞分化時往往生成次生代謝產(chǎn)物。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,24, 化學(xué)通訊：細(xì)胞間一般可通過化學(xué)信號互相通訊。多細(xì)胞生物 ( 如植物、動物)由許多不同類型的細(xì)胞組成（分化的結(jié)果 ）。在多細(xì)胞生物中，這些不同類型的細(xì)胞之間的復(fù)雜的 相互作用導(dǎo)致這些細(xì)胞的指定的行為和功能。在微生物細(xì)胞也存在化學(xué)通訊。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,25,以上幾條中，代謝和代謝能支撐是活細(xì)胞最基本的性能。有生命就有代謝能的生成，沒有代謝能的支撐就沒有生命。生存和生長均需要代謝能來支撐。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,26,1.2.2 微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式 1.2.2.1 微生物細(xì)胞是個遠(yuǎn)離平衡狀 態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng) 1.2.2.2 微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式 1.2.2.3 微生物細(xì)胞機(jī)器的運行特點,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,27,世界上一切物體總是相互作用、相互關(guān)聯(lián)，形成一個整體。世界作為一個整體是無法進(jìn)行實驗和研究的，為了實驗和研究的方便，只好從這個整體分隔出一部分（我們感興趣的部分）來，這樣分隔出來的被界面包圍的部分（準(zhǔn)備進(jìn)行研究的部分），被稱為熱力學(xué)的體系（ 或系統(tǒng) ） ， 與體系相互作用著的其余部分稱為該體系的環(huán)境或外界。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,28,根據(jù)界面的性能可將熱力學(xué)的體系分成 3 類：孤立系統(tǒng)（也稱隔離系統(tǒng)），指與環(huán)境既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)；封閉系統(tǒng)，指與環(huán)境沒有物質(zhì)交換，但可以有能量交換的系統(tǒng)；開放系統(tǒng)，指與環(huán)境既可有能量交換又可有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,29,1.2.2.1 微生物細(xì)胞是個遠(yuǎn)離平衡 狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng),2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,30,德國克勞修斯( R.E.Clausius )1850 年發(fā)現(xiàn)的熱力學(xué)第二定律指出，熱不可能自發(fā)地由低溫物體傳向高溫物體，也就是說，熱力學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)過程總是向有序性程度減少、無序程度增加（即熵增加）的方向發(fā)展。熱力學(xué)第二定律的經(jīng)典熱力學(xué)表述是：在封閉體系及其所處的環(huán)境組成的孤立體系中，任何自發(fā)過程總是朝著越來越混亂的方向演化。熱力學(xué)第二定律無法說明體系由無序到有序、由低級的有序到高級的有序的演化和發(fā)展的趨向。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,31,1969年比利時普利高津（Prigogine）提出耗散結(jié)構(gòu)理論。 所謂耗散結(jié)構(gòu)（ dissipative structure）是指一個遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開放體系，它可以是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物的系統(tǒng)，也可以是社會的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。耗散結(jié)構(gòu)與外界不斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，當(dāng)外界條件的變化達(dá)到一定的閾值時，可以從原有的無序或低序的混亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間、空間上或功能上的有序狀態(tài)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,32,作為經(jīng)典熱力學(xué)（ 靜態(tài)，孤立系統(tǒng) ） 理論的延伸， 非平衡態(tài)熱力學(xué)（動態(tài)，遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的開放體系）研究的是耗散結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只能在遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡狀態(tài)的開放體系生成，并且需要不斷輸入能量來維持。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,33,微生物的活細(xì)胞任何時刻都離不開它生存的環(huán)境，只有在與環(huán)境的交換中才能維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生命活動。如果微生物細(xì)胞是個封閉系統(tǒng)，那么根據(jù)熵增加原理，它們及它們所處的環(huán)境組成的孤立系統(tǒng)必將自發(fā)地走向混亂，其結(jié)果必將是細(xì)胞的解體；因此微生物細(xì)胞不是封閉系統(tǒng)，當(dāng)然更不是孤立系統(tǒng)。因此，微生物活細(xì)胞是個開放系統(tǒng)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,34,微生物活細(xì)胞的生命活動是朝著有序的方向進(jìn)行的，有序狀態(tài)的形成和維持都需要與環(huán)境之間有交流的、開放的條件；而交換則要靠細(xì)胞內(nèi)外的不平衡來推動。微生物活細(xì)胞總是不斷地從環(huán)境取得營養(yǎng)，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化（ 補(bǔ)充“ 秩序 ” ），同時把細(xì)胞內(nèi)部的不可逆過程產(chǎn)生的 “ 混亂 ”的一部分以廢物和熱量的形式排放到環(huán)境中去（排除 “ 混亂” ）。因此，微生物細(xì)胞是不平衡的開放體系。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,35,微生物細(xì)胞靠消耗能量來維持細(xì)胞的低熵（高度有序）狀態(tài)。為了使生物量有所增長，必須有足夠的能量輸入。能量輸入超過臨界值時，細(xì)胞狀態(tài)會發(fā)生宏觀變化，即出現(xiàn)一種新的有序狀態(tài)（生長）。對于微生物細(xì)胞這個系統(tǒng)而言，細(xì)胞離開平衡狀態(tài)越遠(yuǎn)，“混亂”的輸出能力越強(qiáng)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，細(xì)胞的活力越強(qiáng)。因此，微生物活細(xì)胞是一個遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,36,綜上所述，微生物活細(xì)胞作為一個熱力學(xué)系統(tǒng)，它不僅是而且必須是一個遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)，是一種耗散結(jié)構(gòu)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,37,微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的高度有序的狀態(tài)要靠消耗可被其自身直接利用的能量（代謝能）來維持；要做到這一點，微生物活細(xì)胞必須是能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的有效的化學(xué)反應(yīng)體系。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,38,細(xì)胞靠其結(jié)構(gòu)來行使功能，而用來再造自身的生物學(xué)信息則存在于細(xì)胞結(jié)構(gòu)之中，因此活細(xì)胞又是自我復(fù)制的系統(tǒng)。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,39,工業(yè)發(fā)酵的被動性在于必需依賴微生物活細(xì)胞?；罴?xì)胞要靠消耗代謝能來維持。如果沒有代謝能的自我支撐，系統(tǒng)（微生物細(xì)胞）的性質(zhì)就會發(fā)生變化。微生物細(xì)胞與環(huán)境逐漸趨于平衡，細(xì)胞的生命活動就會停止，微生物細(xì)胞就不可能為我們工作了。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,40,1.2.2.2 微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,41,為了深入研究一個動態(tài)的過程，有必要在不改變事物本質(zhì)的情況下，有條件地簡化所研究的過程。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,42,根據(jù)工業(yè)發(fā)酵的現(xiàn)狀，把依靠化能異養(yǎng)型微生物合成某種最終被分泌到胞外的初級代謝產(chǎn)物的工業(yè)發(fā)酵，作為工業(yè)發(fā)酵的典型過程來研究，并把代謝研究的重點放在碳的代謝上，從而建立了細(xì)胞機(jī)器（發(fā)酵工廠里微生物生物機(jī)器）的工作的基本模式。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,43,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,44,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,45,模型各部分的含義,橢圓：細(xì)胞機(jī)器的界面 帶箭頭的曲線：載流路徑及代謝主流 1.載流路徑：由跨膜進(jìn)入、向心途徑、中心途徑、離心途徑、跨膜逸出五段途徑依次首尾銜接而成。 2.物質(zhì)代謝流：從原料到產(chǎn)品的物質(zhì)流動軌跡。也可分成跨代謝網(wǎng)絡(luò)的三大板塊的相應(yīng)的五段代謝流。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,46,1.2.2.3 微生物細(xì)胞機(jī)器的運行特點,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,47,微生物細(xì)胞機(jī)器具有機(jī)器和細(xì)胞的雙重屬性，具體表現(xiàn)在 6 個方面： 細(xì)胞機(jī)器有生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品的能力； 細(xì)胞機(jī)器必須由代謝能來驅(qū)動； 在工業(yè)生產(chǎn)中，細(xì)胞機(jī)器往往先后（或幾乎同時）經(jīng)歷在線制造和在線運行兩個階段；,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,48,細(xì)胞機(jī)器能在人為的條件下將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為代謝能。 細(xì)胞機(jī)器開動的三部曲：遺傳信息的激活代謝途徑與代謝網(wǎng)絡(luò)的形成代謝物流的形成； 細(xì)胞機(jī)器的正常運行遵循自我保障的細(xì)胞經(jīng)濟(jì)規(guī)律。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,49,1.2.3 創(chuàng)新思路的理論基礎(chǔ),2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,50,微生物細(xì)胞機(jī)器的工作模式的提出，把工業(yè)發(fā)酵的研究納入研究微生物生命活動的軌道。研究工業(yè)發(fā)酵首先要研究微生物的生命活動，找出其規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律對工業(yè)發(fā)酵進(jìn)行再認(rèn)識，從而對未來的工業(yè)發(fā)酵做出科學(xué)的預(yù)測。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,51,我們從不同的角度研究微生物的生命活動，把現(xiàn)代生物學(xué)關(guān)于伴隨能量形式的轉(zhuǎn)換而發(fā)生的電子流動、物質(zhì)流動以及信息流動這三種流動的觀點引入發(fā)酵工程，提出了反映微生物生命運動客觀規(guī)律的三個基本假說：代謝能支撐假說、代謝網(wǎng)絡(luò)假說和細(xì)胞經(jīng)濟(jì)假說。,2019/7/1,張星元：發(fā)酵學(xué)原理,52,這三個假說分別認(rèn)定了發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性，論證了生物產(chǎn)品與其有機(jī)原料在代謝網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)