利用木葡糖酸醋杆菌一步发酵合成特定网状结构细菌纤维素的基础研究

Bacterial cellulose (BC), as a nano biotic material, show great potential in biomedical applications as dressing materials and substrate in tissue engineering. It has been reported that, the topography of BC has a significant effect on cellular behavior when BC was used as extracellular matrix materials. In addition, the balance between water holding capacity and water release rate of BC are crucial for wound healing. The topography, water holding capacity and water release rate in turn depend on the pore size, pore volume and surface area of BC. In this project, Gluconacetobacter xylinus CGMCC 2955, one of the most widely used strains for BC production, was selected to investigate the influence of oxygen concentration and oxygen supply mode on the BC producing and assembling, based on its oxygenotaxis and the fact that BC was usually synthesized at the gas-liquid surface. The variations of key intracellular metabolites, the expression of key genes and the structure of BC were analyzed to explore the interaction mechanism among BC synthesis, signal transduction, cell chemotaxis and metabolic network. Further, we could reveal the biological connection between oxygen and BC porosity and the influence of oxygen on cell movement and its response to microenvironment. The results and conclusion will help us to understand the mechanism of how oxygen regulating BC biosynthesis and assembly and to build a new production method for personalized BC products.

纳米生物材料——细菌纤维素（简称BC）作为医用包扎材料和细胞基质材料有极大的应用前景。研究表明，作为细胞基质材料时，BC的形貌会显著影响到细胞行为，另外，其持水性和释水率又与伤口愈合紧密相关。这些特征主要取决于BC孔隙率、空隙体积和表面积等三维网状结构特性。本研究以合成BC的典型菌株——木葡糖酸醋杆菌 CGMCC 2955为对象，基于BC生物合成过程中的趋氧特性及其在气液界面合成为主的特点。通过该菌株在不同氧浓度和不同供氧方式下利用氧的差异，从菌体胞内关键组分变化、关键基因表达和BC的宏观结构分析等方面，明确BC的表达基因、信号传导、细胞趋化性和代谢网络间的相互联系。进而确定氧与BC三维网状结构参数等之间的生物学作用原理，以及其对环境应答与菌体细胞自身运动的影响。确定氧对BC的生物合成及其三维结构的组装机制的影响机制，为个性化一步发酵合成BC产品方法的建立提供基础数据。

纳米生物材料——细菌纤维素（简称BC）作为医用包扎材料和细胞基质材料有极大的应用前景。BC作为细胞基质材料时，其孔隙率、空隙体积和表面积等形貌特征会显著影响到细胞行为，而其持水性和释水率又与伤口愈合紧密相关。为确保BC膜在微观结构上的均匀一致，本研究以合成BC的典型菌株——木葡糖酸醋杆菌 CGMCC 2955为对象，基于微生物合成BC过程中在气液界面处趋氧性的特点，研究了氧调控如何影响菌体的生长代谢及BC的网状结构。主要研究结果如下：.（1）将透明颤菌血红蛋白(VHb)在木葡糖酸醋杆菌进行异源表达，改变菌体自身的氧利用能力，在不同氧分压下进行培养，通过对菌株的发酵性能、胞内代谢图谱和结合基因组测序数据的转录组分析，阐释氧对木葡糖酸醋杆菌合成BC的影响及其机制。.（2）结合试验所用菌株的测序结果与转录组分析，选择以甘油为碳源，结合果糖-1,6-二磷酸酶编码基因fbp的过表达，进一步研究了氧分压等因素对菌体生长与代谢调控，以及BC合成及其理化性质的影响。.（3）通过影响微生物的培养环境，如添加琼脂和BC合成代谢过程中的关键中间代谢物（如丙酮酸和抗坏血酸钠等），从多角度证实氧的供给是影响BC合成的重要因素。.（4）通过基因组数据以及不同氧分压下的代谢组和转录组数据找到木葡糖酸醋杆菌生产BC的关键代谢节点，并利用CRISPRi干扰相应基因的表达，进而调控BC的三维网状结构。.（5）在木葡糖酸醋杆菌中构建了Red重组系统，通过敲除群体感应信号分子受体蛋白编码基因luxR，研究了群体感应与BC合成之间的关联。.该项研究的部分成果，即BC膜均匀性的研究成果已在山东纳美德生物科技有限公司产业化，商品名是“生物纤维素创伤敷料”。在氧调控方面的基础发现，有助于加深理解BC的合成机制。