细菌的奇迹：如何让醋酸菌变身“纤维素制造机”

醋酸菌：可用于生产细菌纤维素

这位“微生物工匠”，以其革兰氏阴性、需氧的特性和对纤维素的强大生产能力而闻名。这种小小的细菌不仅能在食品和伤口敷料中产生细长的纤维素纳米纤维，还能通过将糖转化为UDP-葡萄糖，利用跨膜纤维素合酶复合物将其聚合成β（1至4）葡聚糖链。这些链条会自组装成坚韧的纤维素纤维，并通过细胞壁排出到细胞外。这种细菌纤维素（bacterial cellulose, BC）在自然环境中帮助细菌抵御紫外线，并使其能够在水汽界面漂浮，从而增加氧气的获取。

基于选择压力的定向进化

然而，醋酸菌的纤维素生产速度一直是个问题，阻碍了其广泛应用。为了加快这一过程，研究人员决定通过定向进化来寻找更高效的菌株。首先，他们将24小时内合成的纤维素量作为目标进行筛选。由于醋酸菌纤维素合成的机制尚不完全明了，研究团队采用了紫外线C（Ultraviolet-C）诱变技术，随机引入全基因组突变，创造出多样化的突变体，以期找到更适合的菌株。

微流控平台：实现突变体的快速筛选

接下来，为了从成千上万的突变体中筛选出优质的纤维素生产者，研究人员利用了先进的微流控平台。这一平台由三个主要部分组成：液滴发生器用于封装细胞，孵育容器用于纤维素生产和细胞生长，以及高速荧光激活液滴分选仪（FADS）。微流控平台能够以每秒2000个液滴的速度进行乳化，在短短10分钟内创建一个包含120万个液滴的库，其中大约包含10万个单细胞封装的突变体。分选仪则可以在9分钟内筛选约43万个液滴。

高产细菌纤维素的突变体

经过筛选，研究人员发现了5个突变体，其中四个的纤维素产量比天然菌株高出54%至70%。特别是Ev5突变株在传代5次后仍然保持高纤维素产量。通过对这些突变体进行全基因组测序，研究人员发现这四个高产突变体都有一个共同的特征——clpA基因阅读框内存在12个碱基对的缺失。ClpA蛋白是ClpAPS蛋白酶复合体的一部分，负责降解细胞内错误折叠的蛋白质。研究人员推测，这种缺失限制了ClpS-ClpA的相互作用，而不会妨碍ClpA的功能，从而促进了纤维素的生产。与天然菌株相比，ΔclpS敲除菌株的纤维素产量提高了25%。这表明ClpS-ClpA相互作用与纤维素合成调节之间存在尚未发现的联系。

图1：突变体的细菌纤维素产量测定^[1]

关键发现：

-基于全基因组随机突变和微流控筛选可以实现目标产物高产突变体的挖掘。

-ClpS-ClpA 相互作用与醋酸菌的纤维素合成调节之间存在未知关联。

结论

这些研究展示了基于微流控平台的高速筛选可以实现快速大量的突变体筛选。这种高通量定向进化平台能够增强微生物对特定表型的适应性，并揭示基因型-表型之间的联系。这个发现不仅揭示了细菌纤维素生产的新途径，也为未来的生物材料研发提供了宝贵的线索。

参考文献：Laurent JM, Jain A, Kan A, Steinacher M, Enrriquez Casimiro N, Stavrakis S, deMello AJ, Studart AR. Directed evolution of material-producing microorganisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Jul 30;121(31):e2403585121. doi: 10.1073/pnas.2403585121. Epub 2024 Jul 23. PMID: 39042685; PMCID: PMC11295069.