Nature子刊：水凝膠分區微生物、共培養物、按需生產並保存藥物

背景

大多數單培養和共培養生物工藝應用都依賴於大規模的懸浮發酵技術，這些技術不易攜帶，不適合按需生產。美國德克薩斯大學Hal S. Alper團隊在《Nature Communication》上發表了Compartmentalized microbes and co-cultures in hydrogels for on-demand bioproduction and preservation，作者構建了可區分微生物，對微生物具有空間隔離的水凝膠系統。使用的F127-氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯（F127-BUM）水凝膠還具有溫度依賴性的溶膠-凝膠轉變（17°C），可用於固定酵母細胞。材料的溫度響應使細胞能夠均勻摻入整個水凝膠中，而剪切稀化使得載有細胞的水凝膠可從噴嘴擠出。這種F127-BUM水凝膠可用於分隔工程微生物聯合體的各種組成生物，固定在水凝膠中的單培養系統和共培養系統可以進行擠壓印刷，以形成固態生物反應器，該生物反應器能夠產生小分子和抗菌肽，並可多次重複使用。有趣的是，也可以通過凍幹保存載有微生物的水凝膠，以乾燥狀態保存，然後在以後的時間重新水化，按需生產化學和藥物（圖1）。此外，在共培養系統中，微生物的空間劃分可以精確控制菌群的組成和動態，而不需要基因編碼的共生關係。

圖1：按需生產的載有微生物的擠出印刷水凝膠概述。

F127-BUM水凝膠中微生物的包封

作者使用單一培養物或共培養物來生產各種重要的生化化合物和抗菌劑。載有微生物的水凝膠均由30 wt％F127-BUM合成，F127-BUM是一種能夠形成溫度響應和剪切稀化的水凝膠的聚合物，能夠包裹酵母（例如，釀酒酵母）和/或細菌（例如，大腸桿菌）） 細胞。它的剪切稀化行為使該材料可以流延成薄膜或從噴嘴擠出為細絲。水凝膠製劑中包含光引發劑，紫外光使其固化。所得的載有微生物的水凝膠具有良好的機械穩定性，可多次重複使用而沒有任何降解跡象。

使用單培養負載水凝膠按需生產

作者選擇2,3-丁二醇（2,3-BDO）和3,4-二羥基-1-苯丙氨酸（1- DOPA）為增值生化藥品。首先，將過量生產的酵母菌株2,3-BDO封裝在凝膠基質中，並評估保存前和保存後的產量（圖2a）。保存後的酵母菌株在水凝膠保留近90％的BDO生產能力。在保存前後，水凝膠的1- DOPA產量沒有顯著差異（圖2b）。這些結果表明，酵母和載有細菌的凝膠均具有代謝活性，並且在保存過程中生物催化活性損失非常小。此外，載有細胞的凝膠可在至少一年之內長期重複生產，具有長期穩定性和再利用潛力（圖2c）。有微生物的水凝膠還可產生較大分子（大腸菌素），大分子能夠有效地從凝膠中擴散到周圍培養物中（圖2d）。通過使用酵母或細菌，這種水凝膠可實現小分子和肽抗生素的重複使用性和穩定性，並按需生產。

圖2：單培養的載有微生物的水凝膠的再利用和保存。

空間分隔的微生物共培養

通過在印刷水凝膠結構中簡單的空間分離來劃分一個組合可提供一種控制動力學的簡單方式，特別是在共培養的終點平衡。負載微生物的水凝膠可以通過噴嘴的沉積來沉積，這使得通過簡單地改變每個各自擠壓的凝膠的數量，可以在很大範圍內控制菌團組成，從而實現了一種即插即用的菌團生物處理方法。此外，凝膠的體積及其空間模式可以使用直寫擠出印表機進行數位化控制。為了測試水凝膠在空間上組織穩定組合的有效性，作者探索了兩種不同類型的組合:(i)用於生產倍他黴素的共生體組合和(ii)在發酵中更有效利用葡萄糖和木糖的平行組合。作者通過工程化大腸桿菌和釀酒酵母菌株的簡單組合在一起以形成基於凝膠的財團（圖3b）。一個含L-DOPA（可產生細菌）的水凝膠和一個含有酵母的水凝膠一起被列印出來，酵母含有能夠將L-DOPA轉化為蝦青素。水凝膠中的產量具有一致的生產響應曲線（圖3c）。作者認為，可以通過改變載細胞凝膠的體積來解決生物合成能力不平衡的問題。與傳統的液體培養相比，這種用水凝膠生產細菌的方法具有高穩定性，能夠保持代謝活性在100％以上，並至少可培養2個月（圖3d）。以此為基礎，作者組裝了一個平行的酵母-酵母菌株平臺，以實現同時發酵葡萄糖和木糖（圖2）。

圖3：水凝膠中的空間組織聯盟優於傳統的液體共培養系統。

結論

雖然所有實驗都是在實驗室規模進行的，但如果將其用於灌注式反應器中，介質會不斷流過固定的晶格，從而使恆定的流量和目標分子的產生無需反應器停機。這些材料也可以在模塊化生產方案中以較小的比例使用。該方法將允許水凝膠構生產較小體積的目標化合物。作者認為這些水凝膠在將來可以在更極端或偏遠的環境中實現固定化生物反應器。

參考文獻：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14371-4

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