第四節(jié)細(xì)胞經(jīng)濟假說和細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)

第四節(jié)細(xì)胞經(jīng)濟假說和細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)2022/10/26張星元：發(fā)酵原理2細(xì)胞是生物的基本單位，每個生命有機體或者由細(xì)胞組成，或者它本身就是單個細(xì)胞。生物工程和發(fā)酵工程科技人員認(rèn)識微生物細(xì)胞就是要它們工作，因此就更關(guān)注它們工作的和局限性，也就是微生物細(xì)胞的經(jīng)濟工作原理。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理34.4.1工業(yè)發(fā)酵與細(xì)胞經(jīng)濟的對立

和統(tǒng)一

4.4.2網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點剛性理論與五字

策略的互補性

4.4.3細(xì)胞經(jīng)濟假說與細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)

的萌芽2022/10/26張星元：發(fā)酵原理44.4.1工業(yè)發(fā)酵與細(xì)胞經(jīng)濟的對立

和統(tǒng)一

工業(yè)發(fā)酵的目的是利用微生物的生命活動為人類造福，為世界消災(zāi)。既然微生物的細(xì)胞經(jīng)濟的價值取向是自我保障，那么工業(yè)發(fā)酵與細(xì)胞經(jīng)濟之間有什么關(guān)系呢？

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理54.4.1.1微生物的天然進化不可能刻

去照顧人類的利益

4.4.1.2微生物的生存利益與人類的

經(jīng)濟利益的對立與統(tǒng)一

4.4.1.3發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中的人的主觀

能動作用的發(fā)揮2022/10/26張星元：發(fā)酵原理64.4.1.1微生物的天然進化不可能刻意去照顧

人類的利益

生命是以遺傳信息維系的、以不斷自我更新的形式存在于時間和空間的過程，因此必須以歷史唯物主義的觀點來研究微生物進化和發(fā)展。宇宙萬物都在運動和變化。天然存在的微生物物種是微生物在大自然中進行生命活動和發(fā)生遺傳物質(zhì)的變化。在微生物進化的歷史長河中，運動變化中的微生物經(jīng)受了環(huán)境的種種考驗，經(jīng)過生存斗爭，適者生存下來，形成現(xiàn)在的各種微生物物種。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理7因此，它們是經(jīng)物競天擇而得到的階段性進化成果。它們的生命活動規(guī)律是在億萬年的物競天擇的過程中建立和逐步完善的，是不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在。天然存在的各種微生物物種的生命活動過程——不論是造福于人類或危害人類的——都是它們按它們自己的生命活動規(guī)律進行生存競爭的新陳代謝過程。微生物的天然進化不可能刻意去照顧人類的利益。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理8微生物具有造福于人類的巨大潛力，人類利用微生物可以實現(xiàn)更多美好的理想。然而，在發(fā)酵工業(yè)中人類只有依靠微生物才能間接地達(dá)到目的。因此，為了在工業(yè)發(fā)酵中爭取主動，必須發(fā)揮人的主觀能動作用，協(xié)調(diào)好工業(yè)生產(chǎn)中人類的經(jīng)濟利益與微生物生存競爭之間的關(guān)系。為此，必須研究微生物生命活動的規(guī)律，以及這個規(guī)律和人的意志之間的對立與統(tǒng)一。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理94.4.1.2微生物的生存利益與人類的經(jīng)

濟利益的對立與統(tǒng)一

人類和微生物同樣都是地球的居民，都是生命體，在地球生存空間處于理論上的平等的地位。盡管，人類有思維能力，微生物沒有；人類也不可能隨心所欲地支配微生物的生命活動。微生物有它自己的相對穩(wěn)定的生命活動規(guī)律，這些規(guī)律是經(jīng)千千萬萬年的物競天擇而穩(wěn)定下來的。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理10微生物代謝產(chǎn)物的生物合成必須依靠微生物的高度有序的生命活動，決不是打亂它。人類要利用微生物為自己服務(wù)，就必須研究、了解并遵循微生物的生命活動規(guī)律，在可能范圍內(nèi)對微生物的生命活動進行引導(dǎo)，而不是隨意將自己的意志強加給微生物。工業(yè)發(fā)酵呼喚人與微生物的合作，而在合作中，人處于主導(dǎo)的地位，人應(yīng)該發(fā)揮主觀能動作用。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理11

微生物生命活動有其自己的生存、發(fā)展的保障機制，這些機制服務(wù)于它們自身的生存競爭；在工業(yè)生產(chǎn)中，人類通過微生物的生命活動謀求經(jīng)濟效益。

微生物的生存利益與人類的經(jīng)濟利益，也就是微生物的生命活動規(guī)律和人的意志，這兩者既是對立的，又是統(tǒng)一的。科學(xué)和技術(shù)工作的目的就在于努力促使對立向統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理12

微生物在生存競爭中進化的總的方向是發(fā)展其自身的適應(yīng)性、經(jīng)濟性和代謝的持續(xù)性（生命保障）。微生物代謝過程中任何中間產(chǎn)物、細(xì)胞組分或酶的過多產(chǎn)生都是與其求生存的利益背道而馳的，只有當(dāng)3個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)最大限度的生長和繁殖，才是符合微生物自身利益的。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理13把微生物細(xì)胞作為“細(xì)胞機器”，用來合成人類所需要的化學(xué)物質(zhì)是人類的美好理想。

如果工業(yè)發(fā)酵的目的僅僅是為了獲得菌體細(xì)胞，事情還好辦些，因為這與微生物進化的目標(biāo)一致；但如果要想獲得的化學(xué)物質(zhì)是代謝的中間產(chǎn)物，或細(xì)胞的生物大分子或其它細(xì)胞物質(zhì)的話，那就要求微生物過量地合成這些物質(zhì)，而且還要及時將它們排出細(xì)胞。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理144.4.1.3發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中人的主觀能

動作用的發(fā)揮

微生物工業(yè)（發(fā)酵工業(yè)）是生物工業(yè)的開路先鋒。發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)依賴于微生物生命活動；微生物活細(xì)胞在人給定的條件下進行新陳代謝，完成人交給它們的生產(chǎn)任務(wù)。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理15在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，人的意愿要通過微生物的生命活動來實現(xiàn)，人類只有依靠微生物才能間接地達(dá)到目的。在發(fā)酵工業(yè)中人客觀上處于被動的地位，而微生物在求生存的方向上始終是主動的。

對于工業(yè)微生物學(xué)家和發(fā)酵工程師來說，如何在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中調(diào)動微生物的積極因素，始終是一個挑戰(zhàn)性的問題。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理16

在微生物生命活動中，微生物細(xì)胞生存的保障體系有利于它們自身的生存競爭；在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中，人類要利用微生物的生命活動謀求經(jīng)濟效益。微生物的生存利益與人類的經(jīng)濟利益，也就是微生物的生命活動規(guī)律和人的意志，這兩者既是對立的，又是統(tǒng)一的。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理17

發(fā)酵工程的基本矛盾在于：人出于經(jīng)濟利益對微生物代謝的導(dǎo)向與微生物的細(xì)胞的生存保障體系對這種導(dǎo)向的抵抗。

在對立和統(tǒng)一的矛盾斗爭和相互轉(zhuǎn)化中，人的作用是關(guān)鍵的。正確理論的指導(dǎo)和應(yīng)順自然規(guī)律的實踐能夠使對立向統(tǒng)一轉(zhuǎn)化。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理18我們研究微生物的生命活動規(guī)律，建立工業(yè)發(fā)酵的生物學(xué)理論就是為了能在發(fā)酵工業(yè)中引導(dǎo)微生物的代謝，使微生物的生存保障的本能與人的經(jīng)濟利益的對立在維持微生物細(xì)胞的生存（高度有序的狀態(tài)）這一點上得到統(tǒng)一，讓用于發(fā)酵生產(chǎn)的微生物細(xì)胞在人為的特定條件下進行新陳代謝的同時，為人類生產(chǎn)指定的代謝產(chǎn)物。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理19人對微生物的生命活動規(guī)律理解得愈深，對微生物代謝的引導(dǎo)就愈有效，在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中的主動權(quán)就愈大。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理204.4.2剛性理論與五字

策略的互補性

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理21代謝網(wǎng)絡(luò)剛性理論是指有關(guān)代謝網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點剛性的理論。

本小節(jié)將從節(jié)點的剛性、網(wǎng)絡(luò)的剛性、剛性代謝（生命保障體系）的基本概念出發(fā)，進而追究剛性的由來，以及生存保障體系與代謝變動性、遺傳保守性的關(guān)系，簡單地討論代謝網(wǎng)絡(luò)剛性理論。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理22

微生物自動抵制代謝網(wǎng)絡(luò)中代謝物流量分布的改變的特性叫做代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性。代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性與主要節(jié)點的剛性大小、分布及數(shù)量密切相關(guān)。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理234.4.2.1途徑分支點的分類

4.4.2.2代謝網(wǎng)絡(luò)與亞網(wǎng)絡(luò)

4.4.2.3節(jié)點剛性理論與五字策

略的互補性2022/10/26張星元：發(fā)酵原理244.4.2.1途徑分支點的分類

代謝網(wǎng)絡(luò)中，兩條或多條代謝途徑的中介分支點（intermediatebranchpoint）稱為節(jié)點（node）。

在生物學(xué)過程中，往往由于途徑的酶水平或酶活性而影響途徑的產(chǎn)品的得率。雖然指向產(chǎn)品的分支途徑的酶的整體活性決定細(xì)胞機器的“生產(chǎn)力”，然而，產(chǎn)品得率是節(jié)點處流量分流（fluxsplitratio）的函數(shù)。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理25雖然由不同生物體調(diào)節(jié)代謝流量所用的代謝控制機制明顯地多樣化，然而基于在節(jié)點處代謝流的分流比的控制特性，對節(jié)點進行分類。如果處于分支點的代謝中間物在各個分支上的分流比不易改變，這樣的分支點被叫做剛性節(jié)點（rigidnode）；反之，叫被叫做撓性節(jié)點（flexiblenode），介于兩者之間者則為弱剛性節(jié)點。剛，取其抵抗改變之意；撓，取其屈服順從之意。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理26

微生物代謝網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點也是代謝流的集散處，微生物自動抵制節(jié)點處代謝物流量分流比的改變的特性叫做節(jié)點的剛性。節(jié)點的剛性取決于微生物代謝的自動調(diào)節(jié)機制。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理27S，為底物；P，為產(chǎn)物。分支處為節(jié)點。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理28①剛性節(jié)點（rigidnode）：抵抗分流比改變的節(jié)點。如果某節(jié)點處的分流比受到該處的一條或多條支路嚴(yán)格的控制，這樣的節(jié)點被稱為剛性節(jié)點。這種控制往往是通過反饋控制和交叉激活兩種機制的聯(lián)合作用來實現(xiàn)的。所謂聯(lián)合作用，是指各個分支途徑自身的反饋控制和與之競爭原料的分支途徑的產(chǎn)物對它的交叉激活，兩種機制一起發(fā)生作用。剛性節(jié)點處的分流比不易發(fā)生改變，因為與節(jié)點相關(guān)的各種酶均存在特定的動力學(xué)關(guān)系。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理29②撓性節(jié)點（flexiblenode）：屈服于分流比改變的節(jié)點。在此類節(jié)點處的分流比容易根據(jù)細(xì)胞代謝的需求做出響應(yīng)，即容易做出相應(yīng)的改變。從這些節(jié)點出發(fā)的互相競爭的分支途徑的第一個酶，對節(jié)點（酶的底物）有類似的底物親和力，有類似的酶反應(yīng)速率。撓性節(jié)點不限制分支途徑的產(chǎn)物得率，因為無論何時只要需要，任何分支途徑的分流比都可能在0～100%范圍變動，因此撓性節(jié)點是最“順從”的（上圖右半部分）。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理30③弱剛性節(jié)點（weaklyrigidnode）：性能上處于前述兩種節(jié)點之間的節(jié)點原則上都屬于弱剛性節(jié)點。嚴(yán)格地說，如果一個節(jié)點的分流比主要取決于一條分支途徑的動力學(xué)（即構(gòu)成分支途徑的所有酶的整體響應(yīng)），這樣的節(jié)點叫做弱剛性節(jié)點。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理31弱剛性節(jié)點的分流比由一個分支途徑（優(yōu)勢分支）控制，這可能是由于優(yōu)勢分支途徑的第一個酶具有較高的比活力和（或）較高的底物（節(jié)點）親和力，并且不受反饋抑制；即使從屬分支（假定是流向產(chǎn)物的分支）解除調(diào)節(jié)，還是有相當(dāng)大的一部分流量依然進入優(yōu)勢分支，從而限制產(chǎn)物得率的上升。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理32弱剛性節(jié)點與撓性節(jié)點有如下不同：一條分支途徑與另一條（一些）分支途徑相比，占有明顯的優(yōu)勢。這是由于優(yōu)勢分支途徑的酶對共同代謝物（節(jié)點）有更大的親和力，并且（或者）優(yōu)勢分支途徑的酶比從屬的分支途徑的酶有更大的整體活性。在這種情況下，完全解除從屬分支途徑的調(diào)節(jié)，也不會對流量有什么顯著的影響。另一方面，如果優(yōu)勢分支途徑的活性被減弱，就會顯著增加流入從屬分支途徑的流量。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理33強剛性節(jié)點是被終端產(chǎn)物激活或抑制高度調(diào)控（上圖左半部分）。在這個例子中，每個產(chǎn)物代謝物作為其競爭分支途徑的激活劑，同時又作為其自己合成途徑的抑制劑。反饋抑制總是施加在催化途徑第一步反應(yīng)的酶上。剛性節(jié)點對途徑的產(chǎn)物得率施加控制性的影響，它的解除調(diào)節(jié)比酶學(xué)的弱化可能更為復(fù)雜。

因此在應(yīng)用“五字策略”制訂育種的具體方案時應(yīng)盡量采用解除調(diào)節(jié)的育種手段。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理34假定目標(biāo)是增加P1分支的分流比，而且，在沒有激活劑

P2存在時，P1的穩(wěn)態(tài)濃度（steadystateconcentration）高得足以抑制它本身的合成。在這種情況下，增加P1分支途徑的分流比就會減弱流向P2的流量。然而，對于強剛性節(jié)點，這種做法將導(dǎo)致P2的低水平，所以P1分支途徑將會喪失P2對它的激活作用。簡單地說，一條分支途徑的弱化導(dǎo)致其競爭分支途徑的弱化，結(jié)果是整個節(jié)點崩潰（collapse），每條分支途徑的分流比相對來說沒有改變。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理35因為復(fù)雜、多樣的控制結(jié)構(gòu)和酶動力學(xué)，代謝網(wǎng)絡(luò)并不總是呈現(xiàn)上述分類所暗示的對于流量分配的二元響應(yīng)。因此，強剛性節(jié)點的一條分支途徑的弱化可能僅僅導(dǎo)致與它競爭的分支途徑的部分弱化，以致有可能在包含一個剛性節(jié)點的依賴型網(wǎng)絡(luò)（dependentnetwork）中實現(xiàn)產(chǎn)物得率改進。也有可能因為弱化無用的途徑而引起中間代謝物的分泌，而不是流量的降低或代謝流的方向的改變。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理36盡管其他可能的控制結(jié)構(gòu)也可能產(chǎn)生一個剛性節(jié)點，任何此類控制的關(guān)鍵問題是，在互相競爭的分支途徑之間存在一個反饋（相互影響）機制，以維持分流比恒定的趨勢。剛性節(jié)點不僅能限制產(chǎn)物得率，而且通過簡單的酶活性弱化不容易減輕這種作用。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理372022/10/26張星元：發(fā)酵原理38上圖所示的異檸檬酸節(jié)點是一個已經(jīng)過全面研究的代謝分支點。當(dāng)細(xì)胞在醋酸鹽基質(zhì)上生長時，異檸檬酸裂合酶（IL）被誘導(dǎo)；醋酸鹽在碳架物質(zhì)的回補方面起重要作用，否則碳架物質(zhì)就會在TCA循環(huán)中以CO2的形式丟失。當(dāng)在醋酸鹽基質(zhì)上生長時，異檸檬酸脫氫酶（IDH）主要處于磷酸化狀態(tài)（大約80%），在這種狀態(tài)下該酶沒有活性。當(dāng)給予細(xì)胞更有利的碳源時，如葡萄糖，IDH就會迅速脫磷酸而被激活。這是共價調(diào)節(jié)的一個典型例子。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理39上圖概括了在乙酸鹽上生長時，兩種互相競爭酶的動力學(xué)參數(shù)。該分支點的一個重要特征是各自的Km值差別極大，異檸檬酸裂合酶（IL）

的Km值是異檸檬酸脫氫酶（IDH）的75倍。在異檸檬酸生理濃度時（約160μmol·L-1），IL催化的反應(yīng)是關(guān)于異檸檬酸的一級反應(yīng)，而IDH則已被共同底物異檸檬酸所飽和。因為這兩種酶的動力學(xué)的相互控制，通過該支路的流量對異檸檬酸濃度水平的變化極端敏感。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理40若向乙酸基質(zhì)中生長的培養(yǎng)物中加入葡萄糖，不僅能使IDH的vmax提高（葡萄糖可使IDH的vmax增加5倍），同時通過檸檬酸裂合酶的碳流的相應(yīng)減少，其總結(jié)果是胞內(nèi)異檸檬酸水平降低（大約170倍）。因為與IDH相比，IL對異檸檬酸有一個顯著高的Km，所以異檸檬酸濃度的下降使通過該支路的流量有一個很大程度（約99%）的減少。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理41因此，雖然沒有任何已知的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑直接作用于IL，通過它的流量可從總量的30%下降到實際上的0。這種控制很有趣的特性是，最受影響的酶IL沒有受到直接控制。這種現(xiàn)象已經(jīng)被稱作分支點效應(yīng)。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理424.4.2.2代謝網(wǎng)絡(luò)與亞網(wǎng)絡(luò)

代謝網(wǎng)絡(luò)的包含2個以上節(jié)點的任何部分，都可以稱為該代謝網(wǎng)絡(luò)的亞網(wǎng)絡(luò)。

代謝網(wǎng)絡(luò)和亞網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以抽象為兩個基本類型：獨立型亞網(wǎng)絡(luò)和依賴型亞網(wǎng)絡(luò)。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理43SBP12SB1B2P依賴型亞網(wǎng)絡(luò)獨立型亞網(wǎng)絡(luò)S-基質(zhì)P-目的產(chǎn)物B-副產(chǎn)物-節(jié)點122022/10/26張星元：發(fā)酵原理44依賴型亞網(wǎng)絡(luò)：

亞網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點向終端產(chǎn)物貢獻(xiàn)一個按化學(xué)計量消耗的組成部分；所有分支的流量必須達(dá)到化學(xué)計量平衡，以防胞內(nèi)代謝中間物的累積和分泌。若要提高產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率兩個節(jié)點的流量分配都必須改變，兩個節(jié)點的重要性相同。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理45獨立型亞網(wǎng)絡(luò)：

亞網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點不是以按比例縮合的方式形成產(chǎn)物，改變?nèi)魏我粋€節(jié)點上的流量分配就有可能提高產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率，但節(jié)點的重要性不同。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理46代謝網(wǎng)絡(luò)中包含大量的節(jié)點，一般認(rèn)為只有相當(dāng)少的節(jié)點，其分流比實際上影響目的產(chǎn)物得率，這些節(jié)點稱為主要節(jié)點（principalnode）。網(wǎng)絡(luò)的剛性程度取決于主要節(jié)點的性質(zhì)及其在網(wǎng)絡(luò)中的分布。

不論在獨立型還是依賴型的代謝網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的剛性程度最終取決于將主節(jié)點的流量分布從適于生存競爭變成適于目的產(chǎn)物形成的難易程度。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理474.4.2.2代謝工程與五字策略

的互補性2022/10/26張星元：發(fā)酵原理48微生物生物工程基本理論已對代謝流及其控制作了定性或半定量的分析，并在此基礎(chǔ)上建立了代謝導(dǎo)向的五字策略。這就為代謝流（及其控制）的定量分析架起了橋梁。為發(fā)酵工程研究人員和技術(shù)人員學(xué)習(xí)和應(yīng)用代謝工程的代謝分析和綜合技術(shù)打好了理論基礎(chǔ)。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理49代謝工程是這樣一種生物工程技術(shù)：

在對代謝流及其控制進行定量分析的基礎(chǔ)上，提出精確的遺傳修飾方案，并借助分子生物學(xué)技術(shù)付諸實施。如此按部就班反復(fù)進行實踐，從代謝的整體上改善細(xì)胞的性能和應(yīng)用前景。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理50五字策略的統(tǒng)籌方法對代謝工程育種有宏觀指導(dǎo)意義，但五字策略是建立在人一廂情愿的基礎(chǔ)上的統(tǒng)籌策略。按五字策略制定育種方案時，盡管是以從原料到產(chǎn)物的載流路徑及其調(diào)節(jié)機制為依據(jù)的，但一般并沒有把節(jié)點剛性的因素考慮在內(nèi)；在實施時也就不可能完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理51對于流經(jīng)剛性節(jié)點的代謝流，僅僅改變該節(jié)點下游的反應(yīng)的酶水平或活性的，是不可能對代謝流進行順利導(dǎo)向的。如果目標(biāo)節(jié)點為撓性節(jié)點或弱剛性節(jié)點，則可放心按應(yīng)用五字策略制訂育種方案進行相應(yīng)的遺傳操作，因為撓性節(jié)點對代謝流的導(dǎo)向是最順從的?？紤]到可能存在剛性節(jié)點，在應(yīng)用五字策略制訂育種的具體方案時應(yīng)盡量采用解除調(diào)節(jié)的育種手段。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理52代謝途徑分析以及基于這些分析所進行的分子遺傳學(xué)操作，必須把代謝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點剛性的問題考慮在內(nèi)。五字策略仍需用代謝剛性理論來校驗、補充和修正。根據(jù)五字策略制訂育種方案，必要時需要對載流路徑上的主要節(jié)點（產(chǎn)物形成時代謝流量發(fā)生明顯改變的節(jié)點）的性質(zhì)進行評估。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理53五字策略與代謝工程是互補的，各有側(cè)重的。常規(guī)育種成本低，實驗周期短，采用五字策略一般都能取得比較好的效果（五個字中只要有兩三個字有效）。代謝工程育種有時也要以常規(guī)育種的成果菌種作為基礎(chǔ)材料。因此，五字策略宏觀指導(dǎo)下的代謝工程育種也許更切合工業(yè)生產(chǎn)實際。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理54

4.4.3細(xì)胞經(jīng)濟假說與細(xì)

胞經(jīng)濟學(xué)的萌芽

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微生物細(xì)胞的代謝實際上是自然界的一種經(jīng)濟運行。細(xì)胞經(jīng)濟假說把微生物細(xì)胞作為按特殊的經(jīng)濟規(guī)律運行的經(jīng)濟實體來看待。我們把這種按特殊的經(jīng)濟規(guī)律運行的有利于微生物的生存競爭的新陳代謝整體性叫做細(xì)胞經(jīng)濟性。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理56微生物群體作為大自然的不可分割的部分，如大自然一樣，有其自身的運行規(guī)律。人類社會同樣是大自然的不可分割的部分，也有其自身的經(jīng)濟運行規(guī)律。然而，因為人有智慧，有認(rèn)識大自然（包括人類自身）的經(jīng)濟運行規(guī)律的能力，所以有可能局部地改變大自然經(jīng)濟運行的狀況，但無法改變大自然（包括微生物）經(jīng)濟運行的規(guī)律。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理57我們研究微生物經(jīng)濟運行的狀況，就是為了要逐步認(rèn)識微生物經(jīng)濟運行的規(guī)律，以便應(yīng)用這些規(guī)律為人類造福為世界消災(zāi)。細(xì)胞經(jīng)濟假說用經(jīng)濟的眼光來分析和認(rèn)識微生物細(xì)胞的生存保障問題，走出了細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)研究的第一步。在細(xì)胞經(jīng)濟假說的研究中我們嘗試對細(xì)胞的經(jīng)濟運行與社會的經(jīng)濟運行進行比較研究，這樣的比較研究從微生物細(xì)胞經(jīng)濟開始，是因為：2022/10/26張星元：發(fā)酵原理58①微生物細(xì)胞中經(jīng)濟規(guī)律是客觀存在的；②一個微生物細(xì)胞本身就是一個微觀經(jīng)濟體系，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)相對簡單，調(diào)節(jié)機制多樣化；

③控制微生物細(xì)胞的代謝活動相對容易；④在研究微生物細(xì)胞經(jīng)濟運行規(guī)律的基礎(chǔ)上構(gòu)建發(fā)酵工程生物學(xué)理論；

⑤自然科學(xué)與人文科學(xué)交叉，形成新的學(xué)科生長點。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理594.4.3.1發(fā)酵學(xué)與微觀經(jīng)濟學(xué)的交叉

4.4.3.2微生物細(xì)胞經(jīng)濟的運行狀況2022/10/26張星元：發(fā)酵原理604.4.3.1發(fā)酵學(xué)與微觀經(jīng)濟學(xué)的交叉

學(xué)科是指一定科學(xué)領(lǐng)域或一門科學(xué)的分支。學(xué)說是指學(xué)術(shù)上自成系統(tǒng)的主張和理論。在化學(xué)、生物化學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、微生物代謝生理學(xué)，以及儀器分析、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，發(fā)酵正在從技藝（technique）走向科學(xué)（science），并正在形成自成系統(tǒng)的學(xué)術(shù)理論；發(fā)酵學(xué)經(jīng)過半個多世紀(jì)的醞釀終于應(yīng)運而生，成為微生物學(xué)的工程學(xué)分支，成為生物工程最重要的臺柱之一。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理61

經(jīng)濟學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展，就是為了如何更好地解決人類社會所面臨的基本矛盾，即如何把有限的資源合理、有效地分配和使用于各個方面，以滿足于一個社會的無限多樣的需要的矛盾。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理62

19世紀(jì)后期，在翻譯西方文獻(xiàn)“economy”一詞時，日本學(xué)者借用古漢文將它譯作“經(jīng)濟”，“經(jīng)濟”從字面可解釋為“經(jīng)世濟民”，一般是指社會經(jīng)濟制度、經(jīng)濟活動、經(jīng)濟部門、經(jīng)濟行為等等。經(jīng)濟學(xué)是英語構(gòu)詞法從“economics”翻譯的。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理63

經(jīng)濟學(xué)是研究各種經(jīng)濟關(guān)系和經(jīng)濟活動的科學(xué)，包括經(jīng)濟學(xué)科的理論基礎(chǔ)、部門和專業(yè)經(jīng)濟學(xué)和技術(shù)經(jīng)濟學(xué)等門類。微觀經(jīng)濟學(xué)屬于經(jīng)濟學(xué)的一個分支，主要研究單個經(jīng)濟單位。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理64從經(jīng)濟學(xué)所面臨的基本矛盾出發(fā)，微觀經(jīng)濟學(xué)所研究的基本問題，包括以下幾個方面：

①經(jīng)濟活動的目標(biāo)（價值取向問題）；②如何組織生產(chǎn)（經(jīng)濟效率問題）；③分配原則和分配機制（系統(tǒng)的穩(wěn)定和延續(xù)問題）。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理65

細(xì)胞經(jīng)濟學(xué)屬于生物學(xué)（自然科學(xué)）和經(jīng)濟學(xué)（社會科學(xué)）的交叉學(xué)科。因此還要從對應(yīng)的領(lǐng)域?qū)ふ覍?yīng)的研究對象。

生物學(xué)領(lǐng)域的與工業(yè)發(fā)酵直接相關(guān)的研究對象微生物細(xì)胞的經(jīng)濟運行，與經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域的微觀經(jīng)濟學(xué)研究的內(nèi)容有許多可以比較研究之處。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理66

微生物細(xì)胞獨立存在自主生存，而且微生物細(xì)胞直接存在于其培養(yǎng)環(huán)境中，因而它們的代謝能支撐和生命保障必須靠自己，比其他生物細(xì)胞表現(xiàn)得更明顯、更完整、更單純、更容易操作（人工調(diào)節(jié)的可行性），用它來研究細(xì)胞的經(jīng)濟問題最為合適，而且與經(jīng)濟學(xué)中的微觀經(jīng)濟學(xué)（研究的是單個經(jīng)濟單位）有更多的共性。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理67

微生物細(xì)胞是生物學(xué)的概念，工業(yè)發(fā)酵的微生物生物機器是工程學(xué)的概念。

微生物細(xì)胞的生產(chǎn)力（可量化為細(xì)胞經(jīng)濟假設(shè)中的經(jīng)濟系數(shù)）與工業(yè)發(fā)酵的微生物細(xì)胞機器的生產(chǎn)力（可量化為工業(yè)發(fā)酵的產(chǎn)率系數(shù)），是不同的概念。高產(chǎn)菌種生產(chǎn)目的產(chǎn)物的能力與微生物自身的生存保障能力是對立統(tǒng)一的兩種不同的生產(chǎn)力。

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在典型工業(yè)發(fā)酵的微生物細(xì)胞（即細(xì)胞機器）而言，天然的細(xì)胞經(jīng)濟結(jié)構(gòu)（代謝的3個子系統(tǒng)，取決于細(xì)胞的遺傳物質(zhì)與細(xì)胞所處的環(huán)境）已被局部破壞或調(diào)整，但細(xì)胞經(jīng)濟管理原則（細(xì)胞整體高度有序性的遺傳根據(jù)對代謝的支持和制約）不變。微生物細(xì)胞的經(jīng)濟管理原則既束縛細(xì)胞機器的生產(chǎn)力，又為細(xì)胞機器的生產(chǎn)力提供保障。如果沒有這個管理原則，生命活動就難以持續(xù)。

2022/10/26張星元：發(fā)酵原理69微生物的適應(yīng)性和節(jié)約性建立在代謝變動性上，微生物的持續(xù)代謝建立在代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性上。因此代謝變動性和代謝網(wǎng)絡(luò)的剛性是細(xì)胞經(jīng)濟管理原則的生物學(xué)根據(jù)。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理70

工業(yè)生產(chǎn)過程中細(xì)胞機器的經(jīng)濟運行狀況可以改變，但細(xì)胞的“整體協(xié)調(diào)，維持生計”的細(xì)胞經(jīng)濟管理原則不會改變。

細(xì)胞生產(chǎn)關(guān)系和細(xì)胞生產(chǎn)力都可以改變，但細(xì)胞經(jīng)濟管理原則（微生物生命的本質(zhì)）不能變。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理71細(xì)胞經(jīng)濟管理原則，如經(jīng)濟學(xué)中的價值規(guī)律一樣，按細(xì)胞經(jīng)濟的價值取向（生命保障）協(xié)調(diào)細(xì)胞的新陳代謝；發(fā)酵生產(chǎn)的價值取向不能動搖細(xì)胞經(jīng)濟管理原則。

細(xì)胞經(jīng)濟管理原則的根據(jù)可能存在于細(xì)胞遺傳物質(zhì)的保守部分。2022/10/26張星元：發(fā)酵原理72

環(huán)