下一代生物工厂：微小细菌如何彻底改变我们日常使用的材料

湿态细菌纤维素。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）采用一种突破性方法，利用变异的Komagataeibacter sucrofermentans将纤维素的产量提高了 70%，而纤维素是各行各业的关键材料。这种高效、可持续的方法具有更广泛的应用潜力，目前正在进行工业测试。图片来源：Peter Rüegg / 苏黎世联邦理工学院

细菌能产生人类感兴趣的物质，如纤维素、丝绸和矿物质。以这种方式生产细菌的优点是可持续，在室温和水中进行。缺点是这个过程需要时间，而且产生的数量太少，无法用于工业。

因此，一段时间以来，研究人员一直在尝试将微生物变成活的微型工厂，以便更快地生产出更多的所需产品。这需要对基因组进行有针对性的干预，或者培养最合适的细菌菌株。

苏黎世联邦理工学院（ETH）复杂材料学教授安德烈-斯图塔特（André Studart）领导的研究小组利用蔗糖纤维素生产细菌（ Komagataeibacter sucrofermentans）提出了一种新方法。根据自然选择进化的原理，科学家们可以用这种新方法快速生产出数以万计的细菌变种，并筛选出生产纤维素最多的菌株。

利用这种微格式分拣系统，可以将单个细胞装入微小的气泡中。图片来源：Julie Laurent / 苏黎世联邦理工学院

蔗糖酵母菌能天然产生高纯度纤维素，这种材料在生物医学应用、包装材料和纺织品生产中需求量很大。这种纤维素有两个特性，一是支持伤口愈合，二是防止感染。"然而，细菌生长缓慢，产生的纤维素数量有限。因此，我们必须找到一种提高产量的方法，"Studart 小组的博士生、刚刚发表在科学杂志《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究的第一作者朱莉-劳伦特（Julie Laurent）解释说。

她开发的方法成功地生产出了少量的Komagataeibacter变体，这些变体产生的纤维素比其原始形态多达70%。

用紫外线加速进化

材料研究人员首先必须创造出自然界中原始细菌的新变种--即野生型。为此，朱莉-洛朗用紫外线-C 光照射细菌细胞，破坏细菌DNA 的随机点。然后，她把细菌放在一个黑暗的房间里，以防止任何 DNA 损伤的修复，从而诱发突变。

然后，她使用一个微型仪器，将每个细菌细胞封装在一小滴营养液中，让细胞在特定时间内产生纤维素。培养期结束后，她使用荧光显微镜分析哪些细胞产生了大量纤维素，哪些细胞没有或很少产生纤维素。

通过 ETH 化学家安德鲁-德梅洛（Andrew De Mello）小组开发的分拣系统，斯图塔特团队自动分拣出了那些进化后能产生大量纤维素的细胞。这种分拣系统是全自动的，而且速度非常快。几分钟内，它就能用激光扫描 50 万个液滴，并分拣出含有最多纤维素的液滴。结果发现，只有四个液滴的纤维素含量比野生型高出 50% 到 70%。

野生型产生的冻干纤维素垫。图片来源：Peter Rüegg / ETH Zurich

进化后的蔗糖酵母菌细胞可以在空气和水交界处的玻璃瓶中的垫子上生长并产生纤维素。这种纤维素垫的自然重量在两到三毫克之间，厚度约为 1.5 毫米。新进化变种的纤维素垫的重量和厚度几乎是野生型的两倍。

其中一种高产变体生产的冻干垫要厚得多。图片来源：Peter Rüegg / ETH Zurich

朱莉-洛朗和她的同事们还对这四个变体进行了基因分析，以找出哪些基因被紫外线-C 光改变了，以及这些改变是如何导致纤维素过度生产的。这四种变体的基因都发生了相同的突变。该基因是一种蛋白质降解酶--蛋白酶的蓝图。然而，令材料研究人员惊讶的是，直接控制纤维素生产的基因并没有发生变化。"我们怀疑这种蛋白酶能降解调节纤维素生产的蛋白质。"研究人员解释说："如果没有这种调节，细胞就无法停止这一过程。"

这种新方法用途广泛，可用于生产其他物质的细菌。这种方法最初是为了创造生产某些蛋白质或酶的细菌而开发的。"我们是第一个使用这种方法改进非蛋白质材料生产的人，"ETH 教授安德烈-斯图塔特（André Studart）说。"对我来说，这项工作是一个里程碑"。

研究人员已经为这种方法和变异的细菌变种申请了专利。下一步，他们希望与生产细菌纤维素的公司合作，在实际工业条件下测试这种新型微生物。

编译自/ScitechDaily