第四节细胞经济假说和细胞经济学

第四节细胞经济假说和细胞经济学2022/10/26张星元：发酵原理2细胞是生物的基本单位，每个生命有机体或者由细胞组成，或者它本身就是单个细胞。生物工程和发酵工程科技人员认识微生物细胞就是要它们工作，因此就更关注它们工作的和局限性，也就是微生物细胞的经济工作原理。2022/10/26张星元：发酵原理34.4.1工业发酵与细胞经济的对立

和统一

4.4.2网络及节点刚性理论与五字

策略的互补性

4.4.3细胞经济假说与细胞经济学

的萌芽2022/10/26张星元：发酵原理44.4.1工业发酵与细胞经济的对立

和统一

工业发酵的目的是利用微生物的生命活动为人类造福，为世界消灾。既然微生物的细胞经济的价值取向是自我保障，那么工业发酵与细胞经济之间有什么关系呢？

2022/10/26张星元：发酵原理54.4.1.1微生物的天然进化不可能刻

去照顾人类的利益

4.4.1.2微生物的生存利益与人类的

经济利益的对立与统一

4.4.1.3发酵工业生产中的人的主观

能动作用的发挥2022/10/26张星元：发酵原理64.4.1.1微生物的天然进化不可能刻意去照顾

人类的利益

生命是以遗传信息维系的、以不断自我更新的形式存在于时间和空间的过程，因此必须以历史唯物主义的观点来研究微生物进化和发展。宇宙万物都在运动和变化。天然存在的微生物物种是微生物在大自然中进行生命活动和发生遗传物质的变化。在微生物进化的历史长河中，运动变化中的微生物经受了环境的种种考验，经过生存斗争，适者生存下来，形成现在的各种微生物物种。

2022/10/26张星元：发酵原理7因此，它们是经物竞天择而得到的阶段性进化成果。它们的生命活动规律是在亿万年的物竞天择的过程中建立和逐步完善的，是不以人的主观意志为转移的客观存在。天然存在的各种微生物物种的生命活动过程——不论是造福于人类或危害人类的——都是它们按它们自己的生命活动规律进行生存竞争的新陈代谢过程。微生物的天然进化不可能刻意去照顾人类的利益。2022/10/26张星元：发酵原理8微生物具有造福于人类的巨大潜力，人类利用微生物可以实现更多美好的理想。然而，在发酵工业中人类只有依靠微生物才能间接地达到目的。因此，为了在工业发酵中争取主动，必须发挥人的主观能动作用，协调好工业生产中人类的经济利益与微生物生存竞争之间的关系。为此，必须研究微生物生命活动的规律，以及这个规律和人的意志之间的对立与统一。2022/10/26张星元：发酵原理94.4.1.2微生物的生存利益与人类的经

济利益的对立与统一

人类和微生物同样都是地球的居民，都是生命体，在地球生存空间处于理论上的平等的地位。尽管，人类有思维能力，微生物没有；人类也不可能随心所欲地支配微生物的生命活动。微生物有它自己的相对稳定的生命活动规律，这些规律是经千千万万年的物竞天择而稳定下来的。2022/10/26张星元：发酵原理10微生物代谢产物的生物合成必须依靠微生物的高度有序的生命活动，决不是打乱它。人类要利用微生物为自己服务，就必须研究、了解并遵循微生物的生命活动规律，在可能范围内对微生物的生命活动进行引导，而不是随意将自己的意志强加给微生物。工业发酵呼唤人与微生物的合作，而在合作中，人处于主导的地位，人应该发挥主观能动作用。2022/10/26张星元：发酵原理11

微生物生命活动有其自己的生存、发展的保障机制，这些机制服务于它们自身的生存竞争；在工业生产中，人类通过微生物的生命活动谋求经济效益。

微生物的生存利益与人类的经济利益，也就是微生物的生命活动规律和人的意志，这两者既是对立的，又是统一的。科学和技术工作的目的就在于努力促使对立向统一的转化。2022/10/26张星元：发酵原理12

微生物在生存竞争中进化的总的方向是发展其自身的适应性、经济性和代谢的持续性（生命保障）。微生物代谢过程中任何中间产物、细胞组分或酶的过多产生都是与其求生存的利益背道而驰的，只有当3个子系统协调运转，实现最大限度的生长和繁殖，才是符合微生物自身利益的。2022/10/26张星元：发酵原理13把微生物细胞作为“细胞机器”，用来合成人类所需要的化学物质是人类的美好理想。

如果工业发酵的目的仅仅是为了获得菌体细胞，事情还好办些，因为这与微生物进化的目标一致；但如果要想获得的化学物质是代谢的中间产物，或细胞的生物大分子或其它细胞物质的话，那就要求微生物过量地合成这些物质，而且还要及时将它们排出细胞。2022/10/26张星元：发酵原理144.4.1.3发酵工业生产中人的主观能

动作用的发挥

微生物工业（发酵工业）是生物工业的开路先锋。发酵工业生产依赖于微生物生命活动；微生物活细胞在人给定的条件下进行新陈代谢，完成人交给它们的生产任务。2022/10/26张星元：发酵原理15在发酵工业生产中，人的意愿要通过微生物的生命活动来实现，人类只有依靠微生物才能间接地达到目的。在发酵工业中人客观上处于被动的地位，而微生物在求生存的方向上始终是主动的。

对于工业微生物学家和发酵工程师来说，如何在发酵工业生产中调动微生物的积极因素，始终是一个挑战性的问题。2022/10/26张星元：发酵原理16

在微生物生命活动中，微生物细胞生存的保障体系有利于它们自身的生存竞争；在发酵工业生产中，人类要利用微生物的生命活动谋求经济效益。微生物的生存利益与人类的经济利益，也就是微生物的生命活动规律和人的意志，这两者既是对立的，又是统一的。2022/10/26张星元：发酵原理17

发酵工程的基本矛盾在于：人出于经济利益对微生物代谢的导向与微生物的细胞的生存保障体系对这种导向的抵抗。

在对立和统一的矛盾斗争和相互转化中，人的作用是关键的。正确理论的指导和应顺自然规律的实践能够使对立向统一转化。2022/10/26张星元：发酵原理18我们研究微生物的生命活动规律，建立工业发酵的生物学理论就是为了能在发酵工业中引导微生物的代谢，使微生物的生存保障的本能与人的经济利益的对立在维持微生物细胞的生存（高度有序的状态）这一点上得到统一，让用于发酵生产的微生物细胞在人为的特定条件下进行新陈代谢的同时，为人类生产指定的代谢产物。2022/10/26张星元：发酵原理19人对微生物的生命活动规律理解得愈深，对微生物代谢的引导就愈有效，在发酵工业生产中的主动权就愈大。2022/10/26张星元：发酵原理204.4.2刚性理论与五字

策略的互补性

2022/10/26张星元：发酵原理21代谢网络刚性理论是指有关代谢网络及其节点刚性的理论。

本小节将从节点的刚性、网络的刚性、刚性代谢（生命保障体系）的基本概念出发，进而追究刚性的由来，以及生存保障体系与代谢变动性、遗传保守性的关系，简单地讨论代谢网络刚性理论。2022/10/26张星元：发酵原理22

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网络的刚性。代谢网络的刚性与主要节点的刚性大小、分布及数量密切相关。2022/10/26张星元：发酵原理234.4.2.1途径分支点的分类

4.4.2.2代谢网络与亚网络

4.4.2.3节点刚性理论与五字策

略的互补性2022/10/26张星元：发酵原理244.4.2.1途径分支点的分类

代谢网络中，两条或多条代谢途径的中介分支点（intermediatebranchpoint）称为节点（node）。

在生物学过程中，往往由于途径的酶水平或酶活性而影响途径的产品的得率。虽然指向产品的分支途径的酶的整体活性决定细胞机器的“生产力”，然而，产品得率是节点处流量分流（fluxsplitratio）的函数。2022/10/26张星元：发酵原理25虽然由不同生物体调节代谢流量所用的代谢控制机制明显地多样化，然而基于在节点处代谢流的分流比的控制特性，对节点进行分类。如果处于分支点的代谢中间物在各个分支上的分流比不易改变，这样的分支点被叫做刚性节点（rigidnode）；反之，叫被叫做挠性节点（flexiblenode），介于两者之间者则为弱刚性节点。刚，取其抵抗改变之意；挠，取其屈服顺从之意。2022/10/26张星元：发酵原理26

微生物代谢网络中的节点也是代谢流的集散处，微生物自动抵制节点处代谢物流量分流比的改变的特性叫做节点的刚性。节点的刚性取决于微生物代谢的自动调节机制。

2022/10/26张星元：发酵原理27S，为底物；P，为产物。分支处为节点。2022/10/26张星元：发酵原理28①刚性节点（rigidnode）：抵抗分流比改变的节点。如果某节点处的分流比受到该处的一条或多条支路严格的控制，这样的节点被称为刚性节点。这种控制往往是通过反馈控制和交叉激活两种机制的联合作用来实现的。所谓联合作用，是指各个分支途径自身的反馈控制和与之竞争原料的分支途径的产物对它的交叉激活，两种机制一起发生作用。刚性节点处的分流比不易发生改变，因为与节点相关的各种酶均存在特定的动力学关系。2022/10/26张星元：发酵原理29②挠性节点（flexiblenode）：屈服于分流比改变的节点。在此类节点处的分流比容易根据细胞代谢的需求做出响应，即容易做出相应的改变。从这些节点出发的互相竞争的分支途径的第一个酶，对节点（酶的底物）有类似的底物亲和力，有类似的酶反应速率。挠性节点不限制分支途径的产物得率，因为无论何时只要需要，任何分支途径的分流比都可能在0～100%范围变动，因此挠性节点是最“顺从”的（上图右半部分）。2022/10/26张星元：发酵原理30③弱刚性节点（weaklyrigidnode）：性能上处于前述两种节点之间的节点原则上都属于弱刚性节点。严格地说，如果一个节点的分流比主要取决于一条分支途径的动力学（即构成分支途径的所有酶的整体响应），这样的节点叫做弱刚性节点。2022/10/26张星元：发酵原理31弱刚性节点的分流比由一个分支途径（优势分支）控制，这可能是由于优势分支途径的第一个酶具有较高的比活力和（或）较高的底物（节点）亲和力，并且不受反馈抑制；即使从属分支（假定是流向产物的分支）解除调节，还是有相当大的一部分流量依然进入优势分支，从而限制产物得率的上升。2022/10/26张星元：发酵原理32弱刚性节点与挠性节点有如下不同：一条分支途径与另一条（一些）分支途径相比，占有明显的优势。这是由于优势分支途径的酶对共同代谢物（节点）有更大的亲和力，并且（或者）优势分支途径的酶比从属的分支途径的酶有更大的整体活性。在这种情况下，完全解除从属分支途径的调节，也不会对流量有什么显著的影响。另一方面，如果优势分支途径的活性被减弱，就会显著增加流入从属分支途径的流量。2022/10/26张星元：发酵原理33强刚性节点是被终端产物激活或抑制高度调控（上图左半部分）。在这个例子中，每个产物代谢物作为其竞争分支途径的激活剂，同时又作为其自己合成途径的抑制剂。反馈抑制总是施加在催化途径第一步反应的酶上。刚性节点对途径的产物得率施加控制性的影响，它的解除调节比酶学的弱化可能更为复杂。

因此在应用“五字策略”制订育种的具体方案时应尽量采用解除调节的育种手段。2022/10/26张星元：发酵原理34假定目标是增加P1分支的分流比，而且，在没有激活剂

P2存在时，P1的稳态浓度（steadystateconcentration）高得足以抑制它本身的合成。在这种情况下，增加P1分支途径的分流比就会减弱流向P2的流量。然而，对于强刚性节点，这种做法将导致P2的低水平，所以P1分支途径将会丧失P2对它的激活作用。简单地说，一条分支途径的弱化导致其竞争分支途径的弱化，结果是整个节点崩溃（collapse），每条分支途径的分流比相对来说没有改变。2022/10/26张星元：发酵原理35因为复杂、多样的控制结构和酶动力学，代谢网络并不总是呈现上述分类所暗示的对于流量分配的二元响应。因此，强刚性节点的一条分支途径的弱化可能仅仅导致与它竞争的分支途径的部分弱化，以致有可能在包含一个刚性节点的依赖型网络（dependentnetwork）中实现产物得率改进。也有可能因为弱化无用的途径而引起中间代谢物的分泌，而不是流量的降低或代谢流的方向的改变。2022/10/26张星元：发酵原理36尽管其他可能的控制结构也可能产生一个刚性节点，任何此类控制的关键问题是，在互相竞争的分支途径之间存在一个反馈（相互影响）机制，以维持分流比恒定的趋势。刚性节点不仅能限制产物得率，而且通过简单的酶活性弱化不容易减轻这种作用。2022/10/26张星元：发酵原理372022/10/26张星元：发酵原理38上图所示的异柠檬酸节点是一个已经过全面研究的代谢分支点。当细胞在醋酸盐基质上生长时，异柠檬酸裂合酶（IL）被诱导；醋酸盐在碳架物质的回补方面起重要作用，否则碳架物质就会在TCA循环中以CO2的形式丢失。当在醋酸盐基质上生长时，异柠檬酸脱氢酶（IDH）主要处于磷酸化状态（大约80%），在这种状态下该酶没有活性。当给予细胞更有利的碳源时，如葡萄糖，IDH就会迅速脱磷酸而被激活。这是共价调节的一个典型例子。2022/10/26张星元：发酵原理39上图概括了在乙酸盐上生长时，两种互相竞争酶的动力学参数。该分支点的一个重要特征是各自的Km值差别极大，异柠檬酸裂合酶（IL）

的Km值是异柠檬酸脱氢酶（IDH）的75倍。在异柠檬酸生理浓度时（约160μmol·L-1），IL催化的反应是关于异柠檬酸的一级反应，而IDH则已被共同底物异柠檬酸所饱和。因为这两种酶的动力学的相互控制，通过该支路的流量对异柠檬酸浓度水平的变化极端敏感。2022/10/26张星元：发酵原理40若向乙酸基质中生长的培养物中加入葡萄糖，不仅能使IDH的vmax提高（葡萄糖可使IDH的vmax增加5倍），同时通过柠檬酸裂合酶的碳流的相应减少，其总结果是胞内异柠檬酸水平降低（大约170倍）。因为与IDH相比，IL对异柠檬酸有一个显著高的Km，所以异柠檬酸浓度的下降使通过该支路的流量有一个很大程度（约99%）的减少。2022/10/26张星元：发酵原理41因此，虽然没有任何已知的变构调节剂直接作用于IL，通过它的流量可从总量的30%下降到实际上的0。这种控制很有趣的特性是，最受影响的酶IL没有受到直接控制。这种现象已经被称作分支点效应。2022/10/26张星元：发酵原理424.4.2.2代谢网络与亚网络

代谢网络的包含2个以上节点的任何部分，都可以称为该代谢网络的亚网络。

代谢网络和亚网络的结构可以抽象为两个基本类型：独立型亚网络和依赖型亚网络。2022/10/26张星元：发酵原理43SBP12SB1B2P依赖型亚网络独立型亚网络S-基质P-目的产物B-副产物-节点122022/10/26张星元：发酵原理44依赖型亚网络：

亚网络中的每个节点向终端产物贡献一个按化学计量消耗的组成部分；所有分支的流量必须达到化学计量平衡，以防胞内代谢中间物的累积和分泌。若要提高产物转化率两个节点的流量分配都必须改变，两个节点的重要性相同。2022/10/26张星元：发酵原理45独立型亚网络：

亚网络的主要节点不是以按比例缩合的方式形成产物，改变任何一个节点上的流量分配就有可能提高产物转化率，但节点的重要性不同。2022/10/26张星元：发酵原理46代谢网络中包含大量的节点，一般认为只有相当少的节点，其分流比实际上影响目的产物得率，这些节点称为主要节点（principalnode）。网络的刚性程度取决于主要节点的性质及其在网络中的分布。

不论在独立型还是依赖型的代谢网络中，网络的刚性程度最终取决于将主节点的流量分布从适于生存竞争变成适于目的产物形成的难易程度。2022/10/26张星元：发酵原理474.4.2.2代谢工程与五字策略

的互补性2022/10/26张星元：发酵原理48微生物生物工程基本理论已对代谢流及其控制作了定性或半定量的分析，并在此基础上建立了代谢导向的五字策略。这就为代谢流（及其控制）的定量分析架起了桥梁。为发酵工程研究人员和技术人员学习和应用代谢工程的代谢分析和综合技术打好了理论基础。2022/10/26张星元：发酵原理49代谢工程是这样一种生物工程技术：

在对代谢流及其控制进行定量分析的基础上，提出精确的遗传修饰方案，并借助分子生物学技术付诸实施。如此按部就班反复进行实践，从代谢的整体上改善细胞的性能和应用前景。2022/10/26张星元：发酵原理50五字策略的统筹方法对代谢工程育种有宏观指导意义，但五字策略是建立在人一厢情愿的基础上的统筹策略。按五字策略制定育种方案时，尽管是以从原料到产物的载流路径及其调节机制为依据的，但一般并没有把节点刚性的因素考虑在内；在实施时也就不可能完全达到预期目标。

2022/10/26张星元：发酵原理51对于流经刚性节点的代谢流，仅仅改变该节点下游的反应的酶水平或活性的，是不可能对代谢流进行顺利导向的。如果目标节点为挠性节点或弱刚性节点，则可放心按应用五字策略制订育种方案进行相应的遗传操作，因为挠性节点对代谢流的导向是最顺从的。考虑到可能存在刚性节点，在应用五字策略制订育种的具体方案时应尽量采用解除调节的育种手段。2022/10/26张星元：发酵原理52代谢途径分析以及基于这些分析所进行的分子遗传学操作，必须把代谢网络节点刚性的问题考虑在内。五字策略仍需用代谢刚性理论来校验、补充和修正。根据五字策略制订育种方案，必要时需要对载流路径上的主要节点（产物形成时代谢流量发生明显改变的节点）的性质进行评估。2022/10/26张星元：发酵原理53五字策略与代谢工程是互补的，各有侧重的。常规育种成本低，实验周期短，采用五字策略一般都能取得比较好的效果（五个字中只要有两三个字有效）。代谢工程育种有时也要以常规育种的成果菌种作为基础材料。因此，五字策略宏观指导下的代谢工程育种也许更切合工业生产实际。2022/10/26张星元：发酵原理54

4.4.3细胞经济假说与细

胞经济学的萌芽

2022/10/26张星元：发酵原理55

微生物细胞的代谢实际上是自然界的一种经济运行。细胞经济假说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。我们把这种按特殊的经济规律运行的有利于微生物的生存竞争的新陈代谢整体性叫做细胞经济性。2022/10/26张星元：发酵原理56微生物群体作为大自然的不可分割的部分，如大自然一样，有其自身的运行规律。人类社会同样是大自然的不可分割的部分，也有其自身的经济运行规律。然而，因为人有智慧，有认识大自然（包括人类自身）的经济运行规律的能力，所以有可能局部地改变大自然经济运行的状况，但无法改变大自然（包括微生物）经济运行的规律。2022/10/26张星元：发酵原理57我们研究微生物经济运行的状况，就是为了要逐步认识微生物经济运行的规律，以便应用这些规律为人类造福为世界消灾。细胞经济假说用经济的眼光来分析和认识微生物细胞的生存保障问题，走出了细胞经济学研究的第一步。在细胞经济假说的研究中我们尝试对细胞的经济运行与社会的经济运行进行比较研究，这样的比较研究从微生物细胞经济开始，是因为：2022/10/26张星元：发酵原理58①微生物细胞中经济规律是客观存在的；②一个微生物细胞本身就是一个微观经济体系，经济结构相对简单，调节机制多样化；

③控制微生物细胞的代谢活动相对容易；④在研究微生物细胞经济运行规律的基础上构建发酵工程生物学理论；

⑤自然科学与人文科学交叉，形成新的学科生长点。

2022/10/26张星元：发酵原理594.4.3.1发酵学与微观经济学的交叉

4.4.3.2微生物细胞经济的运行状况2022/10/26张星元：发酵原理604.4.3.1发酵学与微观经济学的交叉

学科是指一定科学领域或一门科学的分支。学说是指学术上自成系统的主张和理论。在化学、生物化学、微生物学、分子生物学、细胞学、微生物代谢生理学，以及仪器分析、传感技术、计算机技术发展的基础上，发酵正在从技艺（technique）走向科学（science），并正在形成自成系统的学术理论；发酵学经过半个多世纪的酝酿终于应运而生，成为微生物学的工程学分支，成为生物工程最重要的台柱之一。2022/10/26张星元：发酵原理61

经济学的产生与发展，就是为了如何更好地解决人类社会所面临的基本矛盾，即如何把有限的资源合理、有效地分配和使用于各个方面，以满足于一个社会的无限多样的需要的矛盾。2022/10/26张星元：发酵原理62

19世纪后期，在翻译西方文献“economy”一词时，日本学者借用古汉文将它译作“经济”，“经济”从字面可解释为“经世济民”，一般是指社会经济制度、经济活动、经济部门、经济行为等等。经济学是英语构词法从“economics”翻译的。2022/10/26张星元：发酵原理63

经济学是研究各种经济关系和经济活动的科学，包括经济学科的理论基础、部门和专业经济学和技术经济学等门类。微观经济学属于经济学的一个分支，主要研究单个经济单位。2022/10/26张星元：发酵原理64从经济学所面临的基本矛盾出发，微观经济学所研究的基本问题，包括以下几个方面：

①经济活动的目标（价值取向问题）；②如何组织生产（经济效率问题）；③分配原则和分配机制（系统的稳定和延续问题）。2022/10/26张星元：发酵原理65

细胞经济学属于生物学（自然科学）和经济学（社会科学）的交叉学科。因此还要从对应的领域寻找对应的研究对象。

生物学领域的与工业发酵直接相关的研究对象微生物细胞的经济运行，与经济学领域的微观经济学研究的内容有许多可以比较研究之处。2022/10/26张星元：发酵原理66

微生物细胞独立存在自主生存，而且微生物细胞直接存在于其培养环境中，因而它们的代谢能支撑和生命保障必须靠自己，比其他生物细胞表现得更明显、更完整、更单纯、更容易操作（人工调节的可行性），用它来研究细胞的经济问题最为合适，而且与经济学中的微观经济学（研究的是单个经济单位）有更多的共性。2022/10/26张星元：发酵原理67

微生物细胞是生物学的概念，工业发酵的微生物生物机器是工程学的概念。

微生物细胞的生产力（可量化为细胞经济假设中的经济系数）与工业发酵的微生物细胞机器的生产力（可量化为工业发酵的产率系数），是不同的概念。高产菌种生产目的产物的能力与微生物自身的生存保障能力是对立统一的两种不同的生产力。

2022/10/26张星元：发酵原理68

在典型工业发酵的微生物细胞（即细胞机器）而言，天然的细胞经济结构（代谢的3个子系统，取决于细胞的遗传物质与细胞所处的环境）已被局部破坏或调整，但细胞经济管理原则（细胞整体高度有序性的遗传根据对代谢的支持和制约）不变。微生物细胞的经济管理原则既束缚细胞机器的生产力，又为细胞机器的生产力提供保障。如果没有这个管理原则，生命活动就难以持续。

2022/10/26张星元：发酵原理69微生物的适应性和节约性建立在代谢变动性上，微生物的持续代谢建立在代谢网络的刚性上。因此代谢变动性和代谢网络的刚性是细胞经济管理原则的生物学根据。2022/10/26张星元：发酵原理70

工业生产过程中细胞机器的经济运行状况可以改变，但细胞的“整体协调，维持生计”的细胞经济管理原则不会改变。

细胞生产关系和细胞生产力都可以改变，但细胞经济管理原则（微生物生命的本质）不能变。2022/10/26张星元：发酵原理71细胞经济管理原则，如经济学中的价值规律一样，按细胞经济的价值取向（生命保障）协调细胞的新陈代谢；发酵生产的价值取向不能动摇细胞经济管理原则。

细胞经济管理原则的根据可能存在于细胞遗传物质的保守部分。2022/10/26张星元：发酵原理72

环