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科技日报---下一代生物工厂：微小细菌如何彻底改变我们每天使用的材料

2024-08-14 09:09阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5119766161

题记：科技的进步远远超出人类的想象，已经进入了“没有做不到，只有想不到”的状态。微生物的潜能是无限的，人类可以充分利用它们完成人类无法或不易完成的事情。在生物工厂里，微生物这些操作工永远是勤勤恳恳、任劳任怨，且不求回报地为人类服务并创造着奇迹。另外，这样的工厂不存在着耗能和排污的问题，永远都是可持续且环境友好的！
科技日报---下一代生物工厂：微小细菌如何彻底改变我们每天使用的材料
湿态细菌纤维素。苏黎世联邦理工学院的一种突破性方法使用突变的Komagataeibacter sucrofermentans生产70%以上的纤维素，纤维素是各种行业的关键材料。这种高效、可持续的方法具有更广泛的应用潜力，并正在向工业测试迈进。图片来源：Peter Rüegg/苏黎世联邦理工学院
ETH的研究人员用紫外线改造了某些细菌，使其产生更多的纤维素。其基础是一种新方法，研究人员利用这种方法产生了数千种细菌变体，并选择了那些已经发展成为最具生产力的变体。
苏黎世联邦理工学院的材料研究人员创造了40000种纤维素生产细菌Komagataeibacter sucrofermentans的变体。
其中有四种细菌纤维素的产量比原始形式的细菌纤维素产量高出70%
。
研究人员使用专门为此目的开发的新方法实现了这一目标，并获得了专利。
纤维素是如食品、纺织品和生物医学等应用中备受追捧的原材料。
可持续细菌生产
细菌产生人类感兴趣的物质，如纤维素、丝绸和矿物质。以这种方式产生细菌的优点是它是可持续的，可以在室温和水中进行。缺点是该过程需要时间，并且产生的数量太小，无法用于工业用途。
因此，一段时间以来，研究人员一直试图将微生物转化为活的微型工厂，以便更快地生产出更多所需的产品。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。
提高产量的进化方法
苏黎世联邦理工学院复杂材料教授AndréStudart领导的研究小组现在提出了一种新方法，该方法使用纤维素生产细菌Komagataeibacter sucrofermentans。遵循自然选择进化的原则，这种新方法使科学家能够非常快速地产生数万种细菌变体，并选择产生最多纤维素的菌株。
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通过这种微格式分选系统，单个细胞可以被包装成微小的气泡。图片来源：Julie Laurent/苏黎世联邦理工学院
K.sucrofermentans天然生产高纯度纤维素，这种材料在生物医学应用以及包装材料和纺织品的生产中需求量很大。这种纤维素的两个特性是它支持伤口愈合和预防感染。Studart团队的博士生Julie Laurent解释说：“然而，细菌生长缓慢，产生的纤维素量有限。因此，我们必须找到一种方法来提高产量。”Julie Laurents是刚刚发表在科学杂志PNAS上的一项研究的第一作者。
她开发的方法成功地生产了少量的Komagataeibacter变种，这些变种产生的纤维素比原始的形式多70%。
利用紫外线加速进化
材料研究人员首先必须创造自然界中原始细菌的新变种，即野生型。为了做到这一点，Julie Laurent用UV-C光照射细菌细胞，这会破坏细菌DNA的随机点。然后，她将细菌放在一个黑暗的房间里，以防止DNA损伤的任何修复，从而诱导突变。
然后，她使用微型装置将每个细菌细胞包裹在一小滴营养液中，并让细胞在特定时间内产生纤维素。在繁殖期结束后，她使用荧光显微镜分析了哪些细胞产生了大量的纤维素，哪些细胞没有产生纤维素或产生的纤维素很少。
通过ETH化学家Andrew De Mello团队开发的分选系统，Studart的团队自动分选出那些已经进化到产生大量纤维素的细胞。该分拣系统完全自动化，速度非常快。在几分钟内，它可以用激光扫描50万个液滴，并找出含有最多纤维素的液滴。只剩下四种，其纤维素产量比野生型多50%至70%。 科技日报---下一代生物工厂：微小细菌如何彻底改变我们每天使用的材料
野生型生产的冻干纤维素垫。图片来源：Peter Rüegg/苏黎世联邦理工学院
基因洞察和工业应用
进化的K.sucrofermentans细胞可以在空气和水之间的界面处的玻璃瓶中的垫子上生长和产生纤维素。这种垫子的自然重量在2到3毫克之间，厚度约为1.5毫米。在重量和厚度方面，新进化的变种的纤维素垫几乎是野生型的两倍。
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Julie Laurent和她的同事还从基因上分析了这四种变体，以找出哪些基因被UV-C光改变了，以及这些变化是如何导致纤维素过度生产的。所有四种变体在同一基因中都有相同的突变。该基因是蛋白质降解酶（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没有改变。研究人员解释说：“我们怀疑这种蛋白酶会降解调节纤维素生产的蛋白质。如果没有这种调节，细胞就无法停止这一过程。”
未来的应用和专利
这种新方法用途广泛，可以应用于产生其他材料的细菌。这种方法最初是为了创造产生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来改善非蛋白质材料生产的人，”ETH教授AndréStudart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突变细菌变体申请了专利。
下一步，他们希望与生产细菌纤维素的公司合作，在真实的工业条件下测试这种新的微生物。

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