Page 16 - 《精细化工》2021年第12期
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·2378·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 38 卷

                                          [4]
            生物降解性和生物相容性等特点 ，在纺织、医用                             中分离的高产菌株 iGEM 能在酸性和低氮培养基中
            材料、导电传感等诸多领域有着广泛的应用。本文                             生长，通过对 iGEM 基因组进行测序，开发了一个
            综述了近年来国内外 BC 菌种筛选的研究进展；分                           合成生物学工具包。该工具包能够转化、控制组成
            析了 BC 在透气性、吸湿排汗、力学性能和染色与                           型和诱导型转基因的表达以及控制该菌株的内源基
            脱色性能调控方面的研究进展；总结了 BC 在抗菌、                          因表达，并可对 BC 的合成进行调控，实现了对其
            防紫外线、防辐射、防静电、拒水拒油、导电和传                             生产的外部控制，从而可通过细胞编程，生产出新
            感设备功能化改性方面的研究进展。                                   型图案化和功能化的纤维素基生物材料。
                                                                   位于 BC 合成菌细胞质膜中的葡萄糖脱氢酶
            1   菌种筛选                                           （GDH）可以将葡萄糖氧化成葡萄糖酸，降低了葡
                                                               萄糖向 BC 的转化率。因此，KUO 等             [11] 通过同源重
                 自 1886 年首次发现 BC 以来，其被普遍地用于
                                                               组 G. xylinus 菌株中缺陷 GDH 基因获得了突变株；
            科研和生产，为了获得高产合成菌，对天然菌属进
                                                     [5]
            行筛选一直是领域内的研究重点。KHAN 等 从人                           在静态和振荡培养条件下，BC 产量分别比原 G.
                                                               xylinus 菌株提高了 40%和 230%。相较于传统天然
            参果中分离出一株可生产 BC 的乳酸杆菌属的新菌
                                                               菌种筛选，利用诱变方法或通过基因工程技术可获
            株 Lactobacillus hilgardii（IITRKH 159），BC 产量
                                                               得更为高产高效的优良菌种，是未来 BC 菌种研究
            可达到 7.82 g/L，结晶度达 90.25%；而相同培养条
                                                               的重点方向。
            件下 Acetobacter xylnium 菌株的 BC 产量只 有
                              [6]
            2.23 g/L。REVIN 等 从康普茶和蒂比科共生群落中
                                                               2  BC 性能调控
            分离出 Komagataeibacter sucrofermentans H  110 和
            Komagataeibacter hansenii C 110 两种菌株，在含有               BC 分子含有大量羟基基团，并通过自组装形成
            食品工业废物的培养基中培养，获得了 9.5 g/L 的                        了超微纤维三维网状结构，相较其他天然纤维表现
            BC 产量。截止到 2021 年 8 月，已报道的 BC 合成                    出更好的透气性、吸水性和力学性能，在功能材料
            菌属共有 18 类，分别为：气杆菌属（Aerobacter）、                    领域显示了良好的应用价值。同时，在 BC 生物合
            葡糖醋酸菌属（Gluconacetobacter）、土壤杆菌属                    成过程中，可以通过改变菌体生长空间和微纤丝排
            （Agrobacterium）、醋酸杆菌属（Acetobacter）、无               列等进行性能调控，从而制备出形状、大小、厚度
            色杆菌 属（ Achromobacter ）、肠杆 菌属                       和性质各不相同的 BC 材料。
            （Enterobacter）、埃希菌属（Escherichia）、假单胞               2.1   透气性调控
            菌属（Pseudomonas）、固氮菌属（Azotobacter）、根                    纤维材料的透气性受环境温湿度和气压等影响
            瘤菌属（Rhizobium）、八叠球菌属（Sarcina）、弯曲                   较大，与纤维本身孔隙大小及联通性、通道的长短、
            菌属（Campylobacter）、产碱菌属（Alcaligenes）、               排列及表面性状等直接相关。BC 独特的三维网状结
            沙门氏菌属（Salmonella）、动胶菌属（Zoogloea）、                  构中形成了很多“孔道”，可通过改变 BC 的随机原
            弧菌属（Vibrior）、克雷伯氏菌属（Klebsiella）、驹                  纤排列来调控 BC 膜的孔隙大小，使其具有可控的
                                           [7]
            形氏杆菌属（Komagataei bacter） 。                         透气性能。
                 在此基础上，利用诱变方法或基因工程技术导                              研究发现，通过控制培养基中静态磁场的强度
            入功能基因对天然菌株进行改造有望获得更加高产                             可以改变 BC 排列方式，未加入磁场时 BC 膜的比表
                                                                                      2
                                                                                                  3
            高效的 BC 合成菌。研究发现，高度有序的 BC 由                         面积和孔体积分别为 62 m /g 和 0.16 cm /g；加入磁
                                                                                                  2
            BC 合成酶（bcs）操纵子合成，该操纵子则由 4 个                        场后膜比表面积和孔体积分别为 69 m /g 和 0.19
                                                                 3
            基因组成——bcsA、bcsB、bcsC 和 bcsD；bcsA 编                 cm /g [12] 。基于 BC 的可控培养特性，可通过加入发
            码与尿苷二磷酸葡萄糖结合的纤维素合成酶催化亚                             泡剂来赋予 BC 膜更大更多的孔结构。YIN 等                 [13] 在
            基，bcsB 编码与环二磷酸鸟苷结合的纤维素合成酶                          发酵液中添加发泡剂偶氮二甲酰胺和氢氧化钠水溶
            调节亚基，在 bcsA 和 bcsB 共同作用下实现线性                       液，生成的 BC 膜孔径可达 20 μm。未加发泡剂时生
                                                                                                        2
            β-(1，4)葡聚糖链的聚合，生成的纤维素原纤结晶由                         成 BC 膜的比表面积和孔隙率分别为 56.87 m /g 和
            bcsC 和 bcsD 生长因子编码蛋白质形成的膜通道分                       28.3%；加入发泡剂后 BC 膜的比表面积和孔隙率分
                                                                               2
                                         [9]
                             [8]
            泌到细胞外基质中 。DONG 等 通过修饰 bcsA 基                       别提高到 169.86 m /g 和 90.8%。有机发泡剂几乎都
            因中一个假定的 IS-元件识别序列，成功地工程化了                          是易燃品，且分解温度低。因此，研究人员尝试用
            IS-元件抗性菌株（K. xylinus SAIT-IS），并获得高于                更安全的致孔剂，YIN 等          [14] 通过添加石蜡微球和淀
            原菌株 1.7 倍的 BC 产率。FLOREA 等           [10] 从红茶菌      粉颗粒制备出具有大孔结构的 BC 膜，但石蜡和淀
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