2010-5-14 张星元：发酵原理 1
微生物生物工程
基本理论的探索
张 星 元
江南大学生物工程学院
江苏无锡 214036
2010-5-14 张星元：发酵原理 2
2010-5-14 张星元：发酵原理 3
摘 要
工业发酵是微生物群体活动的动态过
程 。 此过程靠如下三种流动来维系, 即伴
随能量形式的转换而发生的电子流动, 伴
随异化和同化作用而发生的物质流动以及
伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息
流动 。 在分析以上三种流动的运行规律和
工业发酵 (微生物生物工程 )大量信息的基础
上, 运用归纳逻辑的方法提出了关于微生
物生物工程的三个基本假说, 即生物能支
撑假说, 代谢网络假说和细胞经济假说 。
根据这三个假说进行演绎推理对工业发酵
的代谢导向做出了三条预测 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 4
前 言
随着生物化学, 细胞生物学, 应用分
子生物学, 遗传工程和代谢工程的进展,
工业发酵正在发生一个从技艺到科学的
重大变化, 正在向微生物生物工程过渡 。
在生物工程受到广泛重视的今天, 有必
要把微生物 （ 菌种选育 ）, 微生物学过
程 （ 发酵工艺 ） 和微生物体系 （ 生物反
应器 ） 作为一个整体, 在科学的水平上
对工业发酵进行重新审视 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 5
微生物生物工程基本理论的探索
1,工业发酵的基本模式
2,工业发酵的三个基本观点
3,微生物生物工程基本理论的探索
4,工业发酵的 23条基本概念
2010-5-14 张星元：发酵原理 6
第一部分
1.工业发酵理论研究的起点
2.工业发酵的基本模式
2010-5-14 张星元：发酵原理 7
1,工业发酵理论研究的起点
认真观察当今发酵工业的现状,
可知,1,大多数的发酵法工业生产的
生产菌种一般均属于化能异养型微生
物, 2,工业发酵产品大多数是从发酵
液中提取的微生物细胞的胞外产物,
3,工业发酵的目的产物和主要原料一
般是有机化合物 。 工业发酵理论的研
究是从这个基础水平上开始的 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 8
2,工业发酵的基本模式
为了研究的方便，必须对复杂而多
样的工业发酵进行合理的简化。假定工
业发酵依靠化能异养型微生物的代谢来
获得微生物代谢的胞外产物，把研究的
重点放在含碳架的化合物的代谢（碳代
谢）上，经抽象思维，则可以为工业发
酵建立以微生物活细胞为中心的基本模
式：
2010-5-14 张星元：发酵原理 9
工 业 发 酵 的 基 本 模 式
2010-5-14 张星元：发酵原理 10
1,培养基中的有机营养物质跨膜进入微
生物活细胞；
2,微生物细胞的代谢促成工业发酵的目
的产物在细胞内生成；
3,在细胞内生成的目的产物跨膜排放到
培养介质中 。 也就是说, 能源化合物
进入细胞, 经过代谢转换, 以一种变
化了的形式输出；靠消耗能量来保证
细胞结构与功能的有序状态 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 11
在此基本模
式的基础上，
本文作者于
1997年提出
以下关于工
业发酵的三
个基本观点,
2010-5-14 张星元：发酵原理 12
第二部分
工业发酵的三个基本观点
1,能量支撑的观点：细胞能学
2,代谢网络的观点：第二解剖学
3,细胞经济的观点：细胞经济学
2010-5-14 张星元：发酵原理 13
1,能量支撑的观点
微生物细胞是工业发酵的目的
产物的生产者, 微生物细胞的生
长和维持需要由其自身的能量转
换机构从其他形式的能量转化而
形成的可被其自身直接使用的能
量 —— 生物能来支撑 。 因此工业
发酵具有生物学属性 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 14
2,代谢网络的观点
由生化反应网络和跨膜的输送步
骤组成的代谢网络既没有绝对的起点,
也没有绝对的终点, 代谢网络中任何
一种中间产物 (包括可与代谢网络
,联网, 的任何一种化合物 ) 都可能
被开发成为工业发酵的目的产物或原
料 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 15
3,细胞经济的观点
微生物细胞的经济性是在自然选择
的过程中逐渐形成的 。 野生的 （ 未经人
工变异的 ） 微生物细胞在自然选择的过
程中逐渐形成竞争型的细胞经济 。 而工
业发酵往往要以目的产物的生产为主导,
调整代谢网络中的代谢流, 构建一种导
向型细胞经济 。 从竞争型细胞经济到导
向型经济的转变取决于遗传和环境因素
的信息导向, 这种导向必须遵循细胞经
济的基本运行规律 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 16
第三部分
微生物生物工程基本理论的探索
从以上三个基本观点出发探索微生物生物工程
（ 工业发酵 ） 的基本理论：
1,三个基本假说
2,三个推理
2010-5-14 张星元：发酵原理 17
三个基本假说
运用归纳的逻辑学方法
提出以下三条基本假说
2010-5-14 张星元：发酵原理 18
生物能支撑假说
微生物细胞的生长和
维持需要其自身能量转换
机构从其它形式的能量转
化而形成的生物能来支撑。
第一假设
2010-5-14 张星元：发酵原理 19
代谢网络假说
微生物细胞是个远离
平衡状态的开放体系,
微生物细胞的代谢和生
长依赖于横跨细胞内外
的代谢网络来实现 。
第二假设
2010-5-14 张星元：发酵原理 20
细胞经济假说
野生的 （ 未经人工变
异的 ） 微生物细胞在自然
选择的过程中逐渐形成竞
争型的细胞经济 。
第三假设
2010-5-14 张星元：发酵原理 21
运用演绎逻辑的方法
从以上假说做出推理
三 个 推 理
2010-5-14 张星元：发酵原理 22
如果第一假说成立, 那
么微生物能量代谢的副
产物的形成与分泌将成
为工业发酵工艺控制的
重要依据 。
推理一
2010-5-14 张星元：发酵原理 23
如果第二假说成立，那么代谢
网络中任何一种中间产物 ( 或
者是可借助化学、生物化学或
生物学方法而与代谢网络, 联
网, 的任何一种化合物 ) 都有
可能被开发成为工业发酵的原
料或目的产物。
推理二
2010-5-14 张星元：发酵原理 24
如果推理二和假说一、二、三成立，那
么就可以以目的产物的生产为主导，借
助育种和条件优化等的手段，调整代谢
网络中的代谢流，构建一种导向型细胞
经济，从而使微生物细胞获得赖以生存
的生物能，并在细胞外累积目的产物。
然而微生物的细胞经济从竞争型到导向
型的转变取决于遗传和环境因素的信息
导向，对竞争型细胞经济的过度偏离将
导致细胞经济的崩溃。
推理三
2010-5-14 张星元：发酵原理 25
第四部分
工业发酵的 23条基本概念
１．细胞能学（电子流）：第 1－４条
２,第二解剖学（物质流）：第５－ 17条
３．细胞经济学（信息流）：第 18－ 23条
细胞能学（ 1 —— 4）
电子流
2010-5-14 张星元：发酵原理 27
1,微生物细胞能为其自身提供生物能
微生物细胞的生存方式与动物, 植物等高
等生物的细胞不同, 微生物细胞能独立存在,
自主生活 。 因此每个微生物细胞都具有能量转
换机构, 这种机构可把其它形式的能量转换成
能被其自身直接使用的生物动能 （ 如 ATP，
GTP ） 和生物势能 （ 储存在膜上的质子运动势
ΔP）, 暂且把生物动能和生物势能一起称为
生物能 。 在生物能的直接支撑下, 活细胞才能
维持其高度有序的状态 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 28
2,细胞能量转换机构的组成
微生物细胞的能量转换机构包括：
需要生物能来激活的酶和这些酶的辅
酶, 原核微生物的细胞质膜和真核微
生物线粒体的内膜, 以及这些膜上的
电子传递链和 ATP酶, 还有在能量代
谢和主动输送中起辅助作用的有关载
体 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 29
3,微生物代谢中的电子流和质子回路
发酵工业生产上普遍使用的化能异养
型微生物靠生物氧化把化学能转化为可被
微生物直接利用的生物能 。 微生物细胞的
生物氧化过程必须借助于辅酶 。 而且其呼
吸过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子
（ 或质子 ） 的流动, 形成微生物细胞代谢
中的质子回路
2010-5-14 张星元：发酵原理 30
ATP
ATP酶
呼吸链
跨越能量转换膜的质子
回路与直流电路的比较
H＋ ＋
2010-5-14 张星元：发酵原理 31
4,生物氧化和辅酶的回用
在微生物活细胞中, 参与生物氧化
反应的脱氢酶的辅酶在有关的细胞空间
内数量有限, 必须被再生和回用 。 还原
型辅酶把电子释放给电子受体而得到再
生, 根据最终电子受体的类型, 可把生
物氧化分成有氧呼吸, 无氧呼吸和发酵
三种类型 。
第二解剖学（ 5 —— 15）
物质 流
2010-5-14 张星元：发酵原理 33
5,生化反应途径和代谢途径
一系列按序进行的生物化
学反应构成生化反应途径；
若这条途径在活细胞里运行,
则为代谢途径 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 34
6,生化反应网络和代谢网络
生化反应途径按生物化学规律
整合成生化反应网络, 代谢途径与
跨膜输送步骤按代谢规律整合成
（ 物质 ） 代谢网络 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 35
7,代谢网络的联网问题
代谢中间化合物都在代谢网络上, 有些有
机化合物虽然不在代谢网络中但仍有可能与代
谢网络联网 。 所谓, 联网, 就是用化学, 生物
化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去,
从而使它与微生物的代谢建立联系 。 联网可以
用化学, 生物化学或生物学方法 （ 含 DNA重组
技术 ） 来实现 。 广义的联网包含代谢网络细节
不同的生命有机体之间接力赛式的代谢联系 。
已在网上或者可以联网的化合物都可能被开发
为工业发酵的产物或原料 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 36
8,代谢流与碳架物质流
代谢物在代谢途径中流
动形成代谢流 。 在代谢分析
中, 代谢流往往是指碳架物
质流 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 37
9,代谢主流
微生物细胞在一定的培养条
件下进行新陈代谢时, 代谢中间
化合物在代谢网络中流动, 流量
相对集中的代谢流叫做这种微生
物在该培养条件下的代谢主流 。
代谢主流的流量测定是代谢工程
的重要组成部分之一 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 38
10,载流途径
从字面上讲, 有代谢物流通
过的代谢途径均为载流途径；其
中, 代谢主流流经的代谢途径为
主要载流途径 。 代谢工程没有必
要研究所有的载流途径, 因此它
所谓的载流途径一般是指主要载
流途径 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 39
11,代谢主流的变动性和选择性
微生物的代谢主流处于不断变
化之中, 其方向, 流量甚至所流经
的途径都可能发生变化 。 这就是微
生物代谢主流的变动性和代谢主流
对代谢网络中的途径的选择性 。 这
种变动和选择的根据在微生物细胞
的遗传物质, 选择的原因是微生物
所处的环境条件的变化 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 40
12,理想载流途径
为了提高产物对原料的转化率,
就要求代谢主流 （ 根据代谢分析的结
果推定的 ） 经设定的途径流到目的产
物, 使这些途径成为载流途径 。 因为
这样的载流途径是带有主观导向性的
虚拟的载流途径, 所以把它们叫做理
想载流途径 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 41
13,微生物生物工程的难题
既然代谢主流对代谢网络中的
途径有选择性, 而工业发酵的目标
又是要让微生物的代谢主流流经理
想载流途径, 因此就有必要去解决
理想载流途径的设计问题和代谢主
流的导向问题 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 42
14,理想载流途径的五段式
在工业发酵生产中, 培养器中的微生物
细胞的代谢是分步进行的 。 胞外营养物质 （ 一
般要经胞外酶降解后 ） 从培养介质跨膜进入细
胞, （ 一般要 ） 经过, 注入途径,,, 中心途
径, 和, 发散途径, 等三段连续的代谢途径的
代谢, 才能在胞内生成目的产物, 最后, 目的
产物跨过细胞质膜排出细胞, 回到培养介质 。
因此典型的理想载流途径应该由以上五段承担
不同代谢分工的依次衔接的代谢途径组成 。 这
就是载流途径的, 五段式, 。 在这条载流途径
上流动的代谢主流对应地也有五段, 这就是代
谢主流的, 五段式, 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 43
理 想 载 流 途 径 的 五 段 式
进入准
备及跨
膜步骤
注入
途径 中心代谢途径 发散途径
跨膜步
骤和胞
外修饰
2010-5-14 张星元：发酵原理 44
15,设计育种和发酵工艺控制的五字策略
在, 代谢主流, 和代谢的, 五段式, 等概念的
基础上, 从不同的角度出发, 提出能作为一个整体
用于设计育种以及发酵工艺控制的, 进, 通, 节,
堵, 出, 的, 五字策略,, ① 进, 促进细胞对碳源
等营养物质的吸收； ② 通, 使来自上游和各个注入
分支的碳架物质能畅通地流向目的产物； ③ 节, 阻
塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流,
使碳架物质相对集中地流向目的产物； ④ 堵, 消除
或削弱目的产物进一步代谢的途径； ⑤ 出, 促进目
的产物向胞外空间分泌 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 45
设计育种和发酵工艺控制的五字策略
2010-5-14 张星元：发酵原理 46
16,代谢网络的节点及其刚性
微生物代谢网络中的途径的交叉
点 （ 代谢流的集散处 ） 叫做节点, 微
生物自动抵制节点处代谢物流量分配
比率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 。 因此在应用, 五字策略,
制订育种方案时必须设法绕过强刚性
节点, 否则育种计划将难以兑现 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 47
17, 代谢网络的刚性
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
络的刚性与主要刚性节点的刚
性大小, 分布及数量密切相关 。
细胞经济学（ 18 —— 23）
信息流
2010-5-14 张星元：发酵原理 49
微生物活细胞是个远离平衡状态的开放
体系, 是一种靠消耗能量来维持的特殊的稳
定动态的低熵结构 —— 耗散结构 。 从微生物
细胞对能量和化学物质的内外交换, 增收节
支, 协调运行等客观规律出发, 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, 并且把这种按特殊的经济规律运行的
有利于生存竞争的新陈代谢的特性叫做细胞
经济性 。 细胞的经济性可以以生成细胞的重
量与消耗基质的重量之比值 —— 细胞经济系
数来衡量 。
18,微生物活细胞和细胞的经济性
2010-5-14 张星元：发酵原理 50
19,正常代谢和竞争型细胞经济
微生物在生存竞争中进化的方向是发
展其自身的适应能力和提高细胞运行的经
济系数 。 经生存竞争而幸存下来的野生型
微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能
力的, 并且它们的代谢中间物在代谢网络
中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞
生长, 繁殖和在竞争中获胜 。 在上述条件
下, 细胞处于正常代谢状态, 细胞经济体
系呈现竞争型经济的特色 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 51
20,异常代谢和导向型细胞经济
如果工业生产要求微生物在胞外累积
某种代谢中间产物, 则须对微生物的代谢
流进行导向 。 根据已获得的代谢分析的信
息, 应用, 五字策略, 就有可能设计理想
载流途径和配套的发酵培养工艺条件, 进
而改造菌种, 调整工艺, 将代谢主流尽可
能导向理想载流途径 。 在导向成功的情况
下, 细胞处于异常代谢状态, 细胞经济体
系呈现导向型经济的特色 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 52
21,细胞经济受到严格的制约
工业发酵依靠细胞群体的代谢来获
得产品, 导向型细胞经济固然有利于特
定的代谢产物的生产, 但竞争型细胞经
济向导向型细胞经济的转化受到能量代
谢, 还原力的平衡等条件的严格制约,
表现出代谢网络的刚性 。 若细胞经济实
体的运行状态过度偏离竞争型运行状态,
活细胞的高度有序状态将受到严重冲击,
最终导致细胞经济的崩溃 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 53
22,信息流指导下的工业发酵
在工业发酵生产中, 可以把微生物细
胞看作是生物机器, 它们进行能量代谢和
物质代谢；同时又可以把它们看作是信息
处理器, 它们复制和传递自己的生物信息,
接收细胞内外的物理, 化学甚至生物信息,
并在对内外信息流进行综合处理的基础上,
发出代谢调控的指令, 在代谢网络刚性的
范围之内控制微生物细胞自身的生命活动 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 54
23,限制性遗传信息之谜
可以推测在在每个微生物细胞的遗
传物质中必有限制性的, 生死攸关的遗
传信息, 它们规定微生物细胞生命活动
的基本的代谢网络及其调节机制 。 这些
遗传信息是微生物细胞能够自主生活和
独立存在的依据, 也是微生物对环境适
应的局限性和设计育种的计划往往不能
完全兑现的内在原因 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 55
微生物生物工程（工业发酵）后继有人
发酵正在加快步伐向科学进军,
发酵工程 (微生物生物工程 )必将成为
Biotechnology在生物工业上应用的
开路先锋 。
张星元
2001年 7月 1日
2010-5-14 张星元：发酵原理 57
欢迎批评，欢迎争鸣，
欢迎切磋，探索微生
物生物工程基础理论
E-mail,biozhang@163.com
Tel,0510-3193176
http:// biotech.wxuli.edu.cn
微生物生物工程
基本理论的探索
张 星 元
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2010-5-14 张星元：发酵原理 3
摘 要
工业发酵是微生物群体活动的动态过
程 。 此过程靠如下三种流动来维系, 即伴
随能量形式的转换而发生的电子流动, 伴
随异化和同化作用而发生的物质流动以及
伴随不同水平上的代谢调节而发生的信息
流动 。 在分析以上三种流动的运行规律和
工业发酵 (微生物生物工程 )大量信息的基础
上, 运用归纳逻辑的方法提出了关于微生
物生物工程的三个基本假说, 即生物能支
撑假说, 代谢网络假说和细胞经济假说 。
根据这三个假说进行演绎推理对工业发酵
的代谢导向做出了三条预测 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 4
前 言
随着生物化学, 细胞生物学, 应用分
子生物学, 遗传工程和代谢工程的进展,
工业发酵正在发生一个从技艺到科学的
重大变化, 正在向微生物生物工程过渡 。
在生物工程受到广泛重视的今天, 有必
要把微生物 （ 菌种选育 ）, 微生物学过
程 （ 发酵工艺 ） 和微生物体系 （ 生物反
应器 ） 作为一个整体, 在科学的水平上
对工业发酵进行重新审视 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 5
微生物生物工程基本理论的探索
1,工业发酵的基本模式
2,工业发酵的三个基本观点
3,微生物生物工程基本理论的探索
4,工业发酵的 23条基本概念
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第一部分
1.工业发酵理论研究的起点
2.工业发酵的基本模式
2010-5-14 张星元：发酵原理 7
1,工业发酵理论研究的起点
认真观察当今发酵工业的现状,
可知,1,大多数的发酵法工业生产的
生产菌种一般均属于化能异养型微生
物, 2,工业发酵产品大多数是从发酵
液中提取的微生物细胞的胞外产物,
3,工业发酵的目的产物和主要原料一
般是有机化合物 。 工业发酵理论的研
究是从这个基础水平上开始的 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 8
2,工业发酵的基本模式
为了研究的方便，必须对复杂而多
样的工业发酵进行合理的简化。假定工
业发酵依靠化能异养型微生物的代谢来
获得微生物代谢的胞外产物，把研究的
重点放在含碳架的化合物的代谢（碳代
谢）上，经抽象思维，则可以为工业发
酵建立以微生物活细胞为中心的基本模
式：
2010-5-14 张星元：发酵原理 9
工 业 发 酵 的 基 本 模 式
2010-5-14 张星元：发酵原理 10
1,培养基中的有机营养物质跨膜进入微
生物活细胞；
2,微生物细胞的代谢促成工业发酵的目
的产物在细胞内生成；
3,在细胞内生成的目的产物跨膜排放到
培养介质中 。 也就是说, 能源化合物
进入细胞, 经过代谢转换, 以一种变
化了的形式输出；靠消耗能量来保证
细胞结构与功能的有序状态 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 11
在此基本模
式的基础上，
本文作者于
1997年提出
以下关于工
业发酵的三
个基本观点,
2010-5-14 张星元：发酵原理 12
第二部分
工业发酵的三个基本观点
1,能量支撑的观点：细胞能学
2,代谢网络的观点：第二解剖学
3,细胞经济的观点：细胞经济学
2010-5-14 张星元：发酵原理 13
1,能量支撑的观点
微生物细胞是工业发酵的目的
产物的生产者, 微生物细胞的生
长和维持需要由其自身的能量转
换机构从其他形式的能量转化而
形成的可被其自身直接使用的能
量 —— 生物能来支撑 。 因此工业
发酵具有生物学属性 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 14
2,代谢网络的观点
由生化反应网络和跨膜的输送步
骤组成的代谢网络既没有绝对的起点,
也没有绝对的终点, 代谢网络中任何
一种中间产物 (包括可与代谢网络
,联网, 的任何一种化合物 ) 都可能
被开发成为工业发酵的目的产物或原
料 。
2010-5-14 张星元：发酵原理 15
3,细胞经济的观点
微生物细胞的经济性是在自然选择
的过程中逐渐形成的 。 野生的 （ 未经人
工变异的 ） 微生物细胞在自然选择的过
程中逐渐形成竞争型的细胞经济 。 而工
业发酵往往要以目的产物的生产为主导,
调整代谢网络中的代谢流, 构建一种导
向型细胞经济 。 从竞争型细胞经济到导
向型经济的转变取决于遗传和环境因素
的信息导向, 这种导向必须遵循细胞经
济的基本运行规律 。
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第三部分
微生物生物工程基本理论的探索
从以上三个基本观点出发探索微生物生物工程
（ 工业发酵 ） 的基本理论：
1,三个基本假说
2,三个推理
2010-5-14 张星元：发酵原理 17
三个基本假说
运用归纳的逻辑学方法
提出以下三条基本假说
2010-5-14 张星元：发酵原理 18
生物能支撑假说
微生物细胞的生长和
维持需要其自身能量转换
机构从其它形式的能量转
化而形成的生物能来支撑。
第一假设
2010-5-14 张星元：发酵原理 19
代谢网络假说
微生物细胞是个远离
平衡状态的开放体系,
微生物细胞的代谢和生
长依赖于横跨细胞内外
的代谢网络来实现 。
第二假设
2010-5-14 张星元：发酵原理 20
细胞经济假说
野生的 （ 未经人工变
异的 ） 微生物细胞在自然
选择的过程中逐渐形成竞
争型的细胞经济 。
第三假设
2010-5-14 张星元：发酵原理 21
运用演绎逻辑的方法
从以上假说做出推理
三 个 推 理
2010-5-14 张星元：发酵原理 22
如果第一假说成立, 那
么微生物能量代谢的副
产物的形成与分泌将成
为工业发酵工艺控制的
重要依据 。
推理一
2010-5-14 张星元：发酵原理 23
如果第二假说成立，那么代谢
网络中任何一种中间产物 ( 或
者是可借助化学、生物化学或
生物学方法而与代谢网络, 联
网, 的任何一种化合物 ) 都有
可能被开发成为工业发酵的原
料或目的产物。
推理二
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如果推理二和假说一、二、三成立，那
么就可以以目的产物的生产为主导，借
助育种和条件优化等的手段，调整代谢
网络中的代谢流，构建一种导向型细胞
经济，从而使微生物细胞获得赖以生存
的生物能，并在细胞外累积目的产物。
然而微生物的细胞经济从竞争型到导向
型的转变取决于遗传和环境因素的信息
导向，对竞争型细胞经济的过度偏离将
导致细胞经济的崩溃。
推理三
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第四部分
工业发酵的 23条基本概念
１．细胞能学（电子流）：第 1－４条
２,第二解剖学（物质流）：第５－ 17条
３．细胞经济学（信息流）：第 18－ 23条
细胞能学（ 1 —— 4）
电子流
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1,微生物细胞能为其自身提供生物能
微生物细胞的生存方式与动物, 植物等高
等生物的细胞不同, 微生物细胞能独立存在,
自主生活 。 因此每个微生物细胞都具有能量转
换机构, 这种机构可把其它形式的能量转换成
能被其自身直接使用的生物动能 （ 如 ATP，
GTP ） 和生物势能 （ 储存在膜上的质子运动势
ΔP）, 暂且把生物动能和生物势能一起称为
生物能 。 在生物能的直接支撑下, 活细胞才能
维持其高度有序的状态 。
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2,细胞能量转换机构的组成
微生物细胞的能量转换机构包括：
需要生物能来激活的酶和这些酶的辅
酶, 原核微生物的细胞质膜和真核微
生物线粒体的内膜, 以及这些膜上的
电子传递链和 ATP酶, 还有在能量代
谢和主动输送中起辅助作用的有关载
体 。
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3,微生物代谢中的电子流和质子回路
发酵工业生产上普遍使用的化能异养
型微生物靠生物氧化把化学能转化为可被
微生物直接利用的生物能 。 微生物细胞的
生物氧化过程必须借助于辅酶 。 而且其呼
吸过程和跨膜的主动输送过程伴随着电子
（ 或质子 ） 的流动, 形成微生物细胞代谢
中的质子回路
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ATP
ATP酶
呼吸链
跨越能量转换膜的质子
回路与直流电路的比较
H＋ ＋
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4,生物氧化和辅酶的回用
在微生物活细胞中, 参与生物氧化
反应的脱氢酶的辅酶在有关的细胞空间
内数量有限, 必须被再生和回用 。 还原
型辅酶把电子释放给电子受体而得到再
生, 根据最终电子受体的类型, 可把生
物氧化分成有氧呼吸, 无氧呼吸和发酵
三种类型 。
第二解剖学（ 5 —— 15）
物质 流
2010-5-14 张星元：发酵原理 33
5,生化反应途径和代谢途径
一系列按序进行的生物化
学反应构成生化反应途径；
若这条途径在活细胞里运行,
则为代谢途径 。
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6,生化反应网络和代谢网络
生化反应途径按生物化学规律
整合成生化反应网络, 代谢途径与
跨膜输送步骤按代谢规律整合成
（ 物质 ） 代谢网络 。
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7,代谢网络的联网问题
代谢中间化合物都在代谢网络上, 有些有
机化合物虽然不在代谢网络中但仍有可能与代
谢网络联网 。 所谓, 联网, 就是用化学, 生物
化学反应把指定的化合物连接到代谢网络上去,
从而使它与微生物的代谢建立联系 。 联网可以
用化学, 生物化学或生物学方法 （ 含 DNA重组
技术 ） 来实现 。 广义的联网包含代谢网络细节
不同的生命有机体之间接力赛式的代谢联系 。
已在网上或者可以联网的化合物都可能被开发
为工业发酵的产物或原料 。
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8,代谢流与碳架物质流
代谢物在代谢途径中流
动形成代谢流 。 在代谢分析
中, 代谢流往往是指碳架物
质流 。
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9,代谢主流
微生物细胞在一定的培养条
件下进行新陈代谢时, 代谢中间
化合物在代谢网络中流动, 流量
相对集中的代谢流叫做这种微生
物在该培养条件下的代谢主流 。
代谢主流的流量测定是代谢工程
的重要组成部分之一 。
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10,载流途径
从字面上讲, 有代谢物流通
过的代谢途径均为载流途径；其
中, 代谢主流流经的代谢途径为
主要载流途径 。 代谢工程没有必
要研究所有的载流途径, 因此它
所谓的载流途径一般是指主要载
流途径 。
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11,代谢主流的变动性和选择性
微生物的代谢主流处于不断变
化之中, 其方向, 流量甚至所流经
的途径都可能发生变化 。 这就是微
生物代谢主流的变动性和代谢主流
对代谢网络中的途径的选择性 。 这
种变动和选择的根据在微生物细胞
的遗传物质, 选择的原因是微生物
所处的环境条件的变化 。
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12,理想载流途径
为了提高产物对原料的转化率,
就要求代谢主流 （ 根据代谢分析的结
果推定的 ） 经设定的途径流到目的产
物, 使这些途径成为载流途径 。 因为
这样的载流途径是带有主观导向性的
虚拟的载流途径, 所以把它们叫做理
想载流途径 。
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13,微生物生物工程的难题
既然代谢主流对代谢网络中的
途径有选择性, 而工业发酵的目标
又是要让微生物的代谢主流流经理
想载流途径, 因此就有必要去解决
理想载流途径的设计问题和代谢主
流的导向问题 。
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14,理想载流途径的五段式
在工业发酵生产中, 培养器中的微生物
细胞的代谢是分步进行的 。 胞外营养物质 （ 一
般要经胞外酶降解后 ） 从培养介质跨膜进入细
胞, （ 一般要 ） 经过, 注入途径,,, 中心途
径, 和, 发散途径, 等三段连续的代谢途径的
代谢, 才能在胞内生成目的产物, 最后, 目的
产物跨过细胞质膜排出细胞, 回到培养介质 。
因此典型的理想载流途径应该由以上五段承担
不同代谢分工的依次衔接的代谢途径组成 。 这
就是载流途径的, 五段式, 。 在这条载流途径
上流动的代谢主流对应地也有五段, 这就是代
谢主流的, 五段式, 。
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理 想 载 流 途 径 的 五 段 式
进入准
备及跨
膜步骤
注入
途径 中心代谢途径 发散途径
跨膜步
骤和胞
外修饰
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15,设计育种和发酵工艺控制的五字策略
在, 代谢主流, 和代谢的, 五段式, 等概念的
基础上, 从不同的角度出发, 提出能作为一个整体
用于设计育种以及发酵工艺控制的, 进, 通, 节,
堵, 出, 的, 五字策略,, ① 进, 促进细胞对碳源
等营养物质的吸收； ② 通, 使来自上游和各个注入
分支的碳架物质能畅通地流向目的产物； ③ 节, 阻
塞与目的产物的形成无关或关系不大的代谢支流,
使碳架物质相对集中地流向目的产物； ④ 堵, 消除
或削弱目的产物进一步代谢的途径； ⑤ 出, 促进目
的产物向胞外空间分泌 。
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设计育种和发酵工艺控制的五字策略
2010-5-14 张星元：发酵原理 46
16,代谢网络的节点及其刚性
微生物代谢网络中的途径的交叉
点 （ 代谢流的集散处 ） 叫做节点, 微
生物自动抵制节点处代谢物流量分配
比率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 。 因此在应用, 五字策略,
制订育种方案时必须设法绕过强刚性
节点, 否则育种计划将难以兑现 。
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17, 代谢网络的刚性
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
络的刚性与主要刚性节点的刚
性大小, 分布及数量密切相关 。
细胞经济学（ 18 —— 23）
信息流
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微生物活细胞是个远离平衡状态的开放
体系, 是一种靠消耗能量来维持的特殊的稳
定动态的低熵结构 —— 耗散结构 。 从微生物
细胞对能量和化学物质的内外交换, 增收节
支, 协调运行等客观规律出发, 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, 并且把这种按特殊的经济规律运行的
有利于生存竞争的新陈代谢的特性叫做细胞
经济性 。 细胞的经济性可以以生成细胞的重
量与消耗基质的重量之比值 —— 细胞经济系
数来衡量 。
18,微生物活细胞和细胞的经济性
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19,正常代谢和竞争型细胞经济
微生物在生存竞争中进化的方向是发
展其自身的适应能力和提高细胞运行的经
济系数 。 经生存竞争而幸存下来的野生型
微生物在其所栖身的环境中是富有竞争能
力的, 并且它们的代谢中间物在代谢网络
中的分布及细胞经济运行状况有利于细胞
生长, 繁殖和在竞争中获胜 。 在上述条件
下, 细胞处于正常代谢状态, 细胞经济体
系呈现竞争型经济的特色 。
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20,异常代谢和导向型细胞经济
如果工业生产要求微生物在胞外累积
某种代谢中间产物, 则须对微生物的代谢
流进行导向 。 根据已获得的代谢分析的信
息, 应用, 五字策略, 就有可能设计理想
载流途径和配套的发酵培养工艺条件, 进
而改造菌种, 调整工艺, 将代谢主流尽可
能导向理想载流途径 。 在导向成功的情况
下, 细胞处于异常代谢状态, 细胞经济体
系呈现导向型经济的特色 。
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21,细胞经济受到严格的制约
工业发酵依靠细胞群体的代谢来获
得产品, 导向型细胞经济固然有利于特
定的代谢产物的生产, 但竞争型细胞经
济向导向型细胞经济的转化受到能量代
谢, 还原力的平衡等条件的严格制约,
表现出代谢网络的刚性 。 若细胞经济实
体的运行状态过度偏离竞争型运行状态,
活细胞的高度有序状态将受到严重冲击,
最终导致细胞经济的崩溃 。
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22,信息流指导下的工业发酵
在工业发酵生产中, 可以把微生物细
胞看作是生物机器, 它们进行能量代谢和
物质代谢；同时又可以把它们看作是信息
处理器, 它们复制和传递自己的生物信息,
接收细胞内外的物理, 化学甚至生物信息,
并在对内外信息流进行综合处理的基础上,
发出代谢调控的指令, 在代谢网络刚性的
范围之内控制微生物细胞自身的生命活动 。
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23,限制性遗传信息之谜
可以推测在在每个微生物细胞的遗
传物质中必有限制性的, 生死攸关的遗
传信息, 它们规定微生物细胞生命活动
的基本的代谢网络及其调节机制 。 这些
遗传信息是微生物细胞能够自主生活和
独立存在的依据, 也是微生物对环境适
应的局限性和设计育种的计划往往不能
完全兑现的内在原因 。
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微生物生物工程（工业发酵）后继有人
发酵正在加快步伐向科学进军,
发酵工程 (微生物生物工程 )必将成为
Biotechnology在生物工业上应用的
开路先锋 。
张星元
2001年 7月 1日
2010-5-14 张星元：发酵原理 57
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