第一部分工业发酵的细胞机器名师编辑PPT课件.ppt

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1、11/16/20231第一章第一章 工业发酵的细胞机器工业发酵的细胞机器 第一节第一节 工业发酵生产线上的细胞机器工业发酵生产线上的细胞机器第二节第二节 工业微生物细胞的工作模式工业微生物细胞的工作模式 11/16/20232请带着以下问题听课：请带着以下问题听课：1.什么叫做机器？工厂的机器从哪里来？什么叫做机器？工厂的机器从哪里来？它们怎样为我们工作？它们怎样为我们工作？2.生物体能起机器的作用吗？生物体能起机器的作用吗？3.微生物细胞能起机器的作用吗？微生物细胞能起机器的作用吗？4.微生物细胞机器与人们心目中的机器有微生物细胞机器与人们心目中的机器有 什么不同？什么不同？5.微生物细胞作

2、为细胞机器意味着什么？微生物细胞作为细胞机器意味着什么？11/16/20233第一节第一节 工业发酵生产线上的细胞机器工业发酵生产线上的细胞机器1.1.1 生物机器和细胞机器的概念生物机器和细胞机器的概念1.1.2 发酵工厂里关键的生产机器发酵工厂里关键的生产机器 11/16/20234 走进现代发酵工厂，最引人注意的是，走进现代发酵工厂，最引人注意的是，在排列整齐、纵横交叉的彩色管道的映衬下，在排列整齐、纵横交叉的彩色管道的映衬下，一排排的银灰色的庞然大物，它们的名字叫一排排的银灰色的庞然大物，它们的名字叫发酵罐。在庄重而祥和的发酵罐里亿万微生发酵罐。在庄重而祥和的发酵罐里亿万微生物小兄弟正

3、在为人类，也为自己的生存欢快物小兄弟正在为人类，也为自己的生存欢快地忙碌着。地忙碌着。面对此情此景人们不禁要问，工业发酵面对此情此景人们不禁要问，工业发酵生产线上关键的生产机器是发酵罐，还是微生产线上关键的生产机器是发酵罐，还是微生物？生物？11/16/2023511/16/202361.1.1 生物机器和细胞机器的概念生物机器和细胞机器的概念 11/16/20237 “机器机器”最初定义为由电或蒸汽甚至人最初定义为由电或蒸汽甚至人力推动的、由各具一定功能的几个部分组力推动的、由各具一定功能的几个部分组成的用于生产的装置，如纺纱机、织布机、成的用于生产的装置，如纺纱机、织布机、缝纫机等。因此缝

4、纫机等。因此“机器机器”应该是属于工程应该是属于工程学的概念。学的概念。“动物、植物、微生物动物、植物、微生物”应该应该是属于生物学的概念，它们的生命活动是是属于生物学的概念，它们的生命活动是由代谢能来驱动的。在人的组织下，如果由代谢能来驱动的。在人的组织下，如果动物、植物、微生物作为生产的动物、植物、微生物作为生产的“装置装置”使用，就可纳入使用，就可纳入“机器机器”的范畴，这就是的范畴，这就是生物机器生物机器。11/16/20238 生物机器是从机器衍生的新概生物机器是从机器衍生的新概念，念，生物机器是指由代谢能驱动的生物机器是指由代谢能驱动的机器机器。在这个意义上牛奶工厂的奶。在这个意义

5、上牛奶工厂的奶牛，水果原料基地的果树，发酵工牛，水果原料基地的果树，发酵工厂的菌种微生物分别称作为动物生厂的菌种微生物分别称作为动物生物机器物机器、植物生物机器和植物生物机器和微生物微生物生物机器生物机器。微生物细胞能自主生活微生物细胞能自主生活和独立存在，因此微生物生物机器和独立存在，因此微生物生物机器也就是微生物细胞机器，简称也就是微生物细胞机器，简称细胞细胞机器机器。11/16/202391.1.2 发酵工厂里关键的生产机器发酵工厂里关键的生产机器 11/16/202310 多年来，我们从研究微生多年来，我们从研究微生物的生命活动规律入手，从生物的生命活动规律入手，从生物学的角度重新审视

6、了发酵工物学的角度重新审视了发酵工程，形成以下关于现代发酵工程，形成以下关于现代发酵工程新思路：程新思路：11/16/202311 现代发酵工程依靠微生物活细胞现代发酵工程依靠微生物活细胞来完成发酵工厂生产线上不可缺少的来完成发酵工厂生产线上不可缺少的加工（或转化）步骤，在这个意义上，加工（或转化）步骤，在这个意义上，微生物活细胞就是工业发酵生产线上微生物活细胞就是工业发酵生产线上不可缺少的微生物生物机器（或称细不可缺少的微生物生物机器（或称细胞机器），是发酵工厂里关键的生产胞机器），是发酵工厂里关键的生产机器。机器。11/16/202312 细胞机器与普通意义上的机器不细胞机器与普通意义上的

7、机器不同，它们必须由代谢能同，它们必须由代谢能（metabolic energy）直接驱动。在发酵工厂的生）直接驱动。在发酵工厂的生产线上，产线上，微生物必须完成微生物细胞微生物必须完成微生物细胞机器的机器的“在线制造在线制造”（细胞增殖）细胞增殖）和和“生产运行生产运行”（目的产物的合成目的产物的合成和输出）的双重任务。和输出）的双重任务。11/16/202313 微生物细胞机器按其自身固微生物细胞机器按其自身固有的规律运行。为了引导微生物有的规律运行。为了引导微生物为我们服务，必须深入研究微生为我们服务，必须深入研究微生物细胞机器的工作原理。要研究物细胞机器的工作原理。要研究微生物细胞机器

8、的工作原理，首微生物细胞机器的工作原理，首先要建立微生物细胞机器的工作先要建立微生物细胞机器的工作模式。模式。11/16/202314第二节第二节 微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式1.2.1 活细胞的基本性能活细胞的基本性能1.2.2 微生物细胞的工作模式微生物细胞的工作模式1.2.3 创新思路的理论基础创新思路的理论基础11/16/202315 微生物细胞能自主生活（微生物细胞能自主生活（free-living）和独立存在。单个微生物和独立存在。单个微生物细胞能独立地完成能量转化及其自细胞能独立地完成能量转化及其自身的生长、繁殖等生命过程，而不身的生长、繁殖等生命过程，而不直

9、接依赖于其他同一类型的或不同直接依赖于其他同一类型的或不同类型的细胞。而动植物细胞（体细类型的细胞。而动植物细胞（体细胞）在自然界不能单独存活，只能胞）在自然界不能单独存活，只能作为动植物个体的一部分而存在，作为动植物个体的一部分而存在，具有相互依赖性。具有相互依赖性。11/16/202316 细胞是微生物生命活动的基本单细胞是微生物生命活动的基本单位。微生物细胞是一个由细胞膜（外位。微生物细胞是一个由细胞膜（外面一般有细胞壁）包围的，包含许多面一般有细胞壁）包围的，包含许多化学物质和亚细胞结构的整体。化学物质和亚细胞结构的整体。细胞细胞膜是将空间分为细胞内与细胞外的界膜是将空间分为细胞内与细

10、胞外的界面，也是对细胞有保护作用的屏障。面，也是对细胞有保护作用的屏障。11/16/202317 细胞膜包围的部分是细胞行使细胞膜包围的部分是细胞行使功能的结构和化学物质。细胞的关功能的结构和化学物质。细胞的关键结构是核（或核区）以及细胞质，键结构是核（或核区）以及细胞质，前者储存着用来制造更多细胞的生前者储存着用来制造更多细胞的生物信息，后者包含实现细胞生长和物信息，后者包含实现细胞生长和细胞功能的机构。细胞功能的机构。11/16/202318 虽然每种微生物细胞都有一定虽然每种微生物细胞都有一定的结构和大小，但的结构和大小，但微生物细胞是动微生物细胞是动态的单位，是其所在环境中的微生态的单

11、位，是其所在环境中的微生物细胞，它们每时每刻都在自我更物细胞，它们每时每刻都在自我更新，通过与环境不断的交换，保持新，通过与环境不断的交换，保持相对稳定的存在方式。相对稳定的存在方式。11/16/2023191.2.1 活细胞的基本性能活细胞的基本性能 11/16/202320 活细胞的基本性能主要包括以活细胞的基本性能主要包括以下下5条：条：自我复制：自我复制是一切生物自我复制：自我复制是一切生物（包括非细胞生物和细胞生物）的（包括非细胞生物和细胞生物）的基本性质。基本性质。11/16/202321代谢和代谢能支撑：细胞生物的生命活代谢和代谢能支撑：细胞生物的生命活性来自于组成其自身的活细胞

12、。活细胞的性来自于组成其自身的活细胞。活细胞的生命活动，包括能源化合物被降解以前的生命活动，包括能源化合物被降解以前的激活和生物合成，以及细胞自身高度有序激活和生物合成，以及细胞自身高度有序状态的维持，均需要代谢能的支撑。细胞状态的维持，均需要代谢能的支撑。细胞中的所有的生化反应，包括降解代谢和合中的所有的生化反应，包括降解代谢和合成代谢是一个整体，叫做代谢体系。成代谢是一个整体，叫做代谢体系。细胞细胞的代谢体系能将其他形式的能量转变成代的代谢体系能将其他形式的能量转变成代谢能，而代谢能反过来又支撑细胞代谢体谢能，而代谢能反过来又支撑细胞代谢体系，即支持细胞的生命活动。系，即支持细胞的生命活动

13、。11/16/202322进化：进化是指经自然选择而获得进化：进化是指经自然选择而获得的遗传性变异。与无生命的化学结构的遗传性变异。与无生命的化学结构不同，单细胞或多细胞有机体会进化。不同，单细胞或多细胞有机体会进化。遗传性能的改变能以正的或负的方式遗传性能的改变能以正的或负的方式影响微生物细胞的适应性，进化的结影响微生物细胞的适应性，进化的结果是对最适合于在该特定环境中生活果是对最适合于在该特定环境中生活的那些微生物做出选择（适者生存）。的那些微生物做出选择（适者生存）。11/16/202323分化：在生物体的生命循环过程的分化：在生物体的生命循环过程的特定阶段，某些细胞类型在形式或功特定阶

14、段，某些细胞类型在形式或功能方面的发生改变的现象，通称分化。能方面的发生改变的现象，通称分化。细胞分化时，某些分化前不能形成的细胞分化时，某些分化前不能形成的物质或结构得以形成，而某些分化前物质或结构得以形成，而某些分化前可以形成的物质或结构不能再形成。可以形成的物质或结构不能再形成。微生物细胞分化时往往生成次生代谢微生物细胞分化时往往生成次生代谢产物。产物。11/16/202324 化学通讯：细胞间一般可通过化学化学通讯：细胞间一般可通过化学信号互相通讯。多细胞生物信号互相通讯。多细胞生物(如植物、如植物、动物动物)由许多不同类型的细胞组成（分由许多不同类型的细胞组成（分化的结果化的结果）。

15、在多细胞生物中，这些）。在多细胞生物中，这些不同类型的细胞之间的复杂的不同类型的细胞之间的复杂的 相互作相互作用导致这些细胞的指定的行为和功能。用导致这些细胞的指定的行为和功能。在微生物细胞也存在化学通讯。在微生物细胞也存在化学通讯。11/16/202325 以上几条中，代谢和代谢能以上几条中，代谢和代谢能支撑是活细胞最基本的性能。有支撑是活细胞最基本的性能。有生命就有代谢能的生成，没有代生命就有代谢能的生成，没有代谢能的支撑就没有生命。生存和谢能的支撑就没有生命。生存和生长均需要代谢能来支撑。生长均需要代谢能来支撑。11/16/2023261.2.2 微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的

16、工作模式 1.2.2.1 微生物细胞是个远离平衡状微生物细胞是个远离平衡状 态的不平衡的开放系统态的不平衡的开放系统 1.2.2.2 微生物细胞机器的工作模式微生物细胞机器的工作模式 1.2.2.3 微生物细胞机器的运行特点微生物细胞机器的运行特点11/16/202327 世界上一切物体总是相互作用、世界上一切物体总是相互作用、相互关联，形成一个整体。世界作为相互关联，形成一个整体。世界作为一个整体是无法进行实验和研究的，一个整体是无法进行实验和研究的，为了实验和研究的方便，只好从这个为了实验和研究的方便，只好从这个整体分隔出一部分（我们感兴趣的部整体分隔出一部分（我们感兴趣的部分）来，这样分隔出来的被界面包围分）来，这样分隔出来的被界面包围的部分（准备进行研究的部分），被的部分（准备进行研究的部分），被称为热力学的体系（称为热力学的体系（或系统或系统），与与体系相互作用着的其余部分称为该体体系相互作用着的其余部分称为该体系的环境或外界。系的环境或外界。11/16/202328 根据界面的性能可将热力学的体根据界面的性能可将热力学的体系分成系分成 3 类：孤立系统（也称隔离类：孤立系统