最新!南京工业大学院士组Bioresour Technol-合成生物-工程化活体生物-杂化材料用于可持续L-苏氨酸生产

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一、中文标题

工程化活体生物-杂化材料用于可持续L-苏氨酸生产（Engineering living bio-hybrid materials for sustainable l-threonine production）

二、发表单位及通讯作者

• 发表单位：南京工业大学生物技术与制药工程学院、材料化学工程国家重点实验室、国家生物技术工程研究中心等

• 通讯作者：

• 孙文俊‌（Wenjun Sun）

• 陈勇（Yong Chen），yongchen@njtech.edu.cn

三、科学问题

如何通过在大肠杆菌表面展示FimH凝集素蛋白，并构建甘露糖功能化的复合载体（CF+PEI+MM），建立基于FimH-甲基-α-D-吡喃甘露糖苷特异性识别的工程化活体生物-杂化材料，实现细胞与载体的定向、可逆粘附，从而在连续发酵中提高L-苏氨酸的生产效率和可持续性？

四、发表时间

• 出版年份：2026年6月

• 链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.133806

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五、摘要

      整合微生物与功能基质的活体材料已成为可持续生物工程和环境应用的有前景平台，但细胞-材料相互作用的精确控制仍具挑战性。本研究开发了工程化大肠杆菌菌株THR007，其表面展示凝集素蛋白FimH，可特异性识别甘露糖功能化复合载体（CF+PEI+MM）上的甘露糖配体。该工程化活体生物-杂化材料通过FimH-甲基-α-D-吡喃甘露糖苷识别建立定向、可逆粘附，实现致密生物膜形成和选择性、可重复使用的细胞-材料组装。在连续L-苏氨酸发酵中，该系统使产量提高22.15%，发酵时间缩短5小时。该研究为构建可编程活体材料提供了通用策略，将分子识别与微生物活性相结合，为可持续生物制造和连续发酵开辟了新途径。

六、研究背景

     材料科学与合成生物学的融合催生了材料合成生物学这一新兴领域。“活体材料”通常由自组装活细胞或群落嵌入支撑基质中组成，已广泛应用于水下粘附、废水处理、生物启发矿化等领域。生物膜是粘附在生物或非生物表面的微生物群落，可利用合成生物学进一步工程化构建功能化生物膜系统。基于生物膜的功能性活体材料因其内在的自形成机制和自组装能力，在生物制造与催化、生物医药和环境保护领域尤为引人注目。近年来，相对简单的活体材料平台已被越来越多地用于必需氨基酸（包括L-缬氨酸、L-赖氨酸和L-苏氨酸）的生物合成。其中，L-苏氨酸是氨基酸市场的主要商品，全球年产量超过70万吨。代谢工程和发酵技术已显著推进了L-苏氨酸生产，但传统发酵常存在工艺周期长、细胞稳健性有限以及与载体相容性欠佳等问题，共同制约了生产效率。因此，开发高效且创新的工程化活体生物-杂化材料具有重要的实际意义。

       理想的合成生物膜应具有稳健的粘附性和可重复使用性，以便在连续流生物过程中实现工业规模的生产和可重复性。生物膜的粘附特性使其可应用于连续系统，为生物制造和生物催化提供绿色可持续的解决方案。I型菌毛是大肠杆菌中最普遍的粘附细胞器之一，在生物膜发展的初始阶段介导表面定殖。I型菌毛尖端的粘附蛋白FimH在高流速条件下对含甘露糖的寡糖配体表现出高亲和力。因此，甘露糖功能化表面可促进细菌在流速增加时更大的积累和更强的附着，从而有利于在流式系统中形成更致密、更紧凑的生物膜。

       改性支撑材料可加速生物膜形成。非生物组分（如聚合物、量子点和水凝胶）可进一步扩展杂化材料的功能性并改善其可用性。聚乙烯亚胺（PEI）是一种含有多胺基团的阳离子聚电解质，可通过静电相互作用有效吸附在介质表面。此外，PEI的伯胺基团可与甘露糖醛基发生亲核加成反应。因此，PEI可作为水解甲基-α-D-吡喃甘露糖苷（MM）的交联剂，功能化支撑材料并改善其生物相容性。这些材料同时固定微生物并作为功能组分，形成固定化与生物膜之间的杂化结构。

七、研究结果

结果1、载体的甘露糖功能化改性

      以棉纤维为载体，通过PEI交联将MM修饰至其表面。FT-IR分析显示CF+PEI+MM在1640 cm⁻¹处出现C=N吸收峰，在892 cm⁻¹处出现糖苷键吸收峰，证实MM成功修饰。XPS分析显示CF+PEI+MM在C1s区域形成O-C=O（289.1 eV）和C=N（287.9 eV），N1s区域出现-NH₂（401.7 eV）和C-N（399.8 eV）。EDS显示CF+PEI+MM中N元素含量增加。ConA-Alexa Fluor 594染色显示CF+PEI+MM呈现明显红色荧光，AFM显示表面粗糙度从1.20 nm增至29.50 nm。Zeta电位分析显示E. coli表面带负电荷，可与带正电的CF+PEI+MM通过静电吸引增强粘附。

图1 功能修饰

图2 功能性能

结果2、FimH展示工程菌株的构建与表征

       构建了15种FimH重组菌株（3种锚定蛋白 × 5种启动子强度）。通过流式细胞术和免疫荧光筛选，THF007（LPP-OmpA锚定+J23100启动子）FimH表达效率最高（41.59%），生长状态正常。CLSM显示THF007细胞壁表面呈现绿色荧光，证实融合蛋白成功表面展示。结晶紫半定量分析显示THF007生物膜形成能力较THF001提高45.20%。Cryo-SEM显示THF007生物膜孔径更小、内部结构更致密。SEM显示THF007在棉纤维上形成更密集的细胞网络。

图3 表面展示

结果3、活体生物-杂化材料的建立与表征

      FITC-甘露糖荧光探针标记显示，THF007荧光信号最强，较THF001提高188.20%，证实FimH蛋白能识别并结合甘露糖受体。PEI浓度优化显示2 g/L PEI改性未影响E. coli存活（死亡率44.2%-47.3%）。吸附实验显示，THF007在CF+PEI+MM上的吸附量最大（上清液中OD值最低），且PBS+MM可有效洗脱吸附的细胞（THF007洗脱效率高于THF001），表明可通过MM与FimH的竞争性结合实现载体的可逆吸附与解吸。

图4 系统表征

结果4、活体生物-杂化材料的发酵评价

      连续7批固定化发酵显示：THF007@CF+PEI+MM在第一批结束时L-苏氨酸产量为11.15 g/L（较THF001@CF的9.37 g/L提高），发酵时间缩短2 h。七批后产量达13.62 g/L，发酵周期28 h，葡萄糖消耗速率1.017 g/L/h。与THF001@CF相比，L-苏氨酸产量提高22.15%，发酵周期缩短5 h，葡萄糖消耗速率提高0.108 g/L/h。与游离细胞发酵相比，THF007@CF+PEI+MM的产量提高42.8%（13.62 vs 9.54 g/L），产率从0.318 g/g提高至0.454 g/g，生产率从0.265 g/L/h提高至0.480 g/L/h。SEM显示THF007在CF+PEI+MM上形成最致密的生物膜网络。

图5 固定化连续发酵

八、讨论

      本研究成功开发了一种基于大肠杆菌FimH凝集素@碳水化合物负载材料的工程化活体生物-杂化材料。核心创新在于：通过表面展示I型菌毛蛋白FimH，增强了E. coli对甘露糖功能化载体的特异性识别和定向粘附；通过PEI介导的棉纤维改性，成功负载MM配体，形成CF+PEI+MM复合载体，使细胞吸附能力显著增强；通过MM与FimH的竞争性结合实现了细胞的可逆解吸，赋予载体可重复使用性。在连续发酵中，THF007@CF+PEI+MM使L-苏氨酸产量提高22.15%，发酵时间缩短5小时，产率提高42.8%（0.454 vs 0.318 g/g）。该策略通过“分子识别-细胞粘附-生物膜形成-连续生产”的级联设计，将微生物活性与非生物材料功能有机结合，为可编程活体材料的构建提供了通用策略，在可持续生物制造领域具有广阔应用前景。

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