基于物理约束调控微生物群体实现生物转化的创新策略

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【字体：大中小】 时间：2025年02月26日 来源：Microbial Cell Factories 4.3

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　　为解决微生物细胞群体难以控制的问题，作者单位的研究人员开展了利用多孔水凝胶包封微生物的研究，结果表明该方法能实现稳定共培养及生物转化，对工业生物制造意义重大。

　　在生物制造领域，传统化学合成过程生产复杂分子时，往往伴随着高能耗、高污染等问题。而生物催化（biocatalysis），特别是全细胞生物转化（whole cell biotransformation）技术，就像一把新的钥匙，为可持续制造带来了希望。全细胞生物转化不仅具备可扩展性，细胞内自带的辅因子循环系统能降低成本，还能利用经济实惠的原材料，减少纯化成本，优势十分显著。

然而，这把 “钥匙” 也存在一些 “小麻烦”。在自然环境中，微生物通常以群落的形式存在，不同种类的微生物分工协作，共同完成复杂的化学反应。受此启发，科学家们尝试构建微生物群落进行生物制造。但在实际操作中，如何稳定且高效地控制群落中不同微生物的数量，成为了一个棘手的难题。若无法解决这个问题，微生物群落就难以稳定发挥作用，生物制造的效率和质量也会大打折扣。

为了攻克这一难题，[作者单位] 的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于如何通过物理手段调控微生物细胞群体，开展了一系列深入研究。最终，研究成果发表在了相关期刊上，为生物制造领域带来了新的曙光。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先，采用简单的挤压和交联技术制备超多孔水凝胶（hydrogel），这种水凝胶由明胶（gelatin）和微生物转谷氨酰胺酶（mTG）制成。其次，利用共聚焦显微镜观察细胞生长和分布情况；通过压缩测试测量水凝胶的刚度（Young’s modulus）；运用液相色谱 - 质谱联用技术（LCMS）分析生物转化产物。

下面让我们详细看看研究人员都取得了哪些成果。

确定超多孔水凝胶块的组成：研究人员通过简单的挤压方法，能快速制备大量明胶微粒，再经 mTG 共价交联形成高度多孔的水凝胶块。通过对不同 mTG 浓度水凝胶的热稳定性和孔隙率分析发现，2.5% w/v 的 mTG 浓度可促进形成稳定且多孔的水凝胶块，在高达 20% 的有机溶剂中仍能保持相对稳定，仅约 5% 的收缩率。而且，该制备方法使用的材料成本低、制备过程简单，有利于大规模工业生产。
交联后细胞的活力：考虑到 mTG 可能影响大肠杆菌（E. coli）的活力，研究人员进行了相关实验。结果显示，虽然随着 mTG 浓度增加，CFU（colony - forming units，菌落形成单位）略有减少，但总体 CFU 仍有 10? - 10?倍的增长。并且，经包封后细胞的 CFU 持续增加，证明细胞在包封后依然具有活力，这为后续作为全细胞生物催化剂发挥作用奠定了基础。
实现稳定的包封细胞群体：研究人员假设水凝胶材料的刚度会影响细胞增殖，于是制备了不同刚度的水凝胶并包封大肠杆菌。实验发现，刚度最低（157 kPa）的水凝胶中细胞生长最快，而较硬的水凝胶中细胞生长较慢，在第 3 天左右达到稳定。在 210 kPa 的水凝胶中，细胞数量从第 6 天开始稳定，同时 eGFP（增强型绿色荧光蛋白）信号逐渐增加。这表明物理约束限制了细胞生长，并使资源从生物质生产转向重组蛋白生产，有助于提高生物转化效率，还简化了确定系统最佳营养和底物进料速率的过程。
大肠杆菌的稳定共培养：多步生物转化过程中，实现不同菌株稳定的比例是个难题。研究人员将表达 eGFP 和 DsRed 的大肠杆菌分别包封在明胶微粒中，再交联形成单一水凝胶块。共聚焦成像显示，两种菌株在各自的微粒中，没有相互侵入的现象。这一方法实现了多菌株的分工协作，可通过调整不同菌株的细胞数量匹配各步骤的活性，还能促进底物和中间产物在菌株间的高效运输。
酶促卤化反应：为验证细胞包封在共培养生物转化中的优势，研究人员以表达 RadH 卤化酶的固定化大肠杆菌与游离链霉菌（Streptomyces）共培养发酵，对比有无包封时染料木黄酮的卤化程度。结果显示，未包封体系中仅检测到染料木黄酮，而包封体系中产生了氯化染料木黄酮产物，表明包封的微生物作为全细胞生物催化剂比未包封的更有效，且小分子底物和产物能在水凝胶基质中扩散。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，他们开发的简单包封方法成功实现了功能性全细胞生物催化剂的固定化。超多孔水凝胶结构保证了细胞的长期活力，同时限制了细胞增殖，使系统达到稳定状态。该策略为多种生物催化剂的稳定共培养提供了可能，有望应用于高效的生物转化级联反应。目前，研究人员正在优化各项参数，以将该方法应用于特定的多步生物转化过程。未来，这一方法可能构建出高效执行复杂生物转化反应的反应器模块，充分发挥其提高生物催化生产力的潜力，推动工业生物制造迈向新的高度。

研究的开展为生物制造领域提供了创新思路和有效方法，有望解决微生物群落控制难题，推动相关产业朝着绿色、高效的方向发展。

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