Morphology engineering for novel antibiotics: Effect of glass microparticles and soy lecithin on rebeccamycin production and cellular morphology of filamentous actinomycete Lentzea aerocolonigenes

新型抗生素的形態工程：玻璃微粒和大豆卵磷脂對絲狀放線菌 Lentzea aerocolonigenes 瑞貝卡霉素生產和細胞形態的影響

來源：Bioeng. Biotechnol. 10.3389/fbioe.2023.1171055

 

摘要核心內容

 

本研究首次將 玻璃微顆粒（SiO?基） 引入微顆粒增強培養（MPEC）體系，用于優化絲狀放線菌 Lentzea aerocolonigenes 的瑞貝卡霉素（抗腫瘤抗生素）生產。關鍵發現：

 

玻璃微顆粒顯著提升產量：添加10 g·L?1玻璃微顆粒（中值粒徑7.9 μm）使瑞貝卡霉素產量提高286%（37.8 mg·L?1 vs 對照13.1 mg·L?1）（圖2）。

 

 

形態調控機制：微顆粒被整合至菌球內部（圖5E），降低菌球密度（表1），減小菌球尺寸（AESD從對照的300 μm降至75 μm）（圖4），改善氧傳遞。

 

 

 

 

協同增效：聯合添加大豆卵磷脂（7.5 g·L?1）與玻璃微顆粒，產量達 213 mg·L?1（搖瓶培養歷史最高值）（圖9）。

 

 

氧傳遞動態：Unisense氧微電極揭示微顆粒增加菌球孔隙率，但代謝活性增強導致氧梯度更陡峭（圖12，表1），挑戰傳統“孔隙率提升供氧”假說。

 

 

 

 

研究目的

 

開發新型玻璃微顆粒MPEC體系，替代傳統滑石/氧化鋁顆粒。

解析微顆粒對菌體形態（菌球尺寸、密度、活性）和瑞貝卡霉素合成的調控機制。

探索大豆卵磷脂與MPEC的協同效應，實現產量突破。

 

研究思路與技術路線

 

graph TD

A[MPEC體系優化] --> B[玻璃微顆粒篩選]

B --> C[菌球形態與活性分析]

C --> D[氧微剖面測量]

D --> E[聯合大豆卵磷脂驗證]

 

關鍵實驗設計：

顆粒篩選：對比滑石（10 μm）與兩種玻璃微顆粒（7.9 μm, 30.5 μm），濃度梯度2.5–12 g·L?1（圖3）。

 

形態分析：激光衍射測菌球尺寸（圖4），CLSM（圖7,10）和切片技術（圖5）觀測微顆粒整合與菌球密度。

 

 

 

 

活性監測：SYTO9/PI雙染量化菌球活性（活細胞比率Live Ratio）（圖8）。

 

氧傳遞解析：Unisense氧微電極（10 μm尖端）測量菌球內部氧梯度（圖12）。

 

關鍵數據及研究意義

數據類別 來源圖表 研究意義

微顆粒提升產量 圖2,3,9 玻璃微顆粒（7.9 μm）效果優于滑石，確立新型MPEC材料

菌球尺寸減小 圖4 微顆粒使菌球AESD↓50%（300→150 μm），改善傳質

微顆粒整合模式 圖5E 顆粒在菌球內部環狀分布，降低密度（表1）

活性維持 圖7,8 MPEC菌球活細胞比率↑40%（0.42 vs 對照0.31），延緩衰亡

氧梯度矛盾現象 圖12, 表1 微顆粒增加孔隙率但氧消耗速率↑，揭示代謝活性主導增產

卵磷脂協同效應 圖9,10 聯合策略產量↑16倍（213 mg·L?1），創搖瓶培養紀錄

 

 

 

核心結論

 

玻璃微顆粒為高效MPEC材料：7.9 μm顆粒在10 g·L?1時產量提升近3倍，機制為：

菌球尺寸↓ → 比表面積↑

微顆粒整合 → 菌球密度↓（46.93 vs 對照106.49 kg·m?3）

活性維持↑ → 延長生產期

氧傳遞新認知：Unisense微電極顯示MPEC菌球氧梯度更陡（最大梯度0.60%·μm?1 vs 對照0.53%·μm?1），證明代謝活性增強是增產主因，而非單純供氧改善。

協同策略突破瓶頸：MPEC + 大豆卵磷脂（7.5 g·L?1）通過：

卵磷脂乳化作用改善疏水性產物溶解

微顆粒優化形態

→ 產量達213 mg·L?1，為工業化奠定基礎。

 

Unisense氧微電極數據的深度解讀

技術原理

 

傳感器類型：Clark型氧微電極（Ox-10，Unisense），尖端直徑10 μm，空間分辨率50 μm。

測量系統：

流動培養槽（玻璃管，流速控制層流）

菌球固定于發絲環，微電極步進式穿透（10 μm/步）

數據采集：SensorTrace Suite軟件（氧飽和度0–100%對應0–265.6 μM O?）

校準：兩點校準（0%飽和度：N?環境；100%飽和度：空氣飽和培養基）。

 

關鍵發現與意義

 

氧梯度空間異質性（圖12）：

對照菌球：氧飽和度從表面100%降至核心0%的穿透深度為300 μm，梯度0.53%·μm?1。

MPEC菌球（10 g·L?1玻璃顆粒）：穿透深度↓至237 μm，梯度↑至0.60%·μm?1。

意義：傳統假說認為孔隙率↑會改善供氧、降低梯度，但數據表明MPEC菌球代謝活性↑導致耗氧加速，梯度反而更陡。

 

代謝活性主導增產（表1）：

微顆粒濃度↑ → 菌球密度↓（孔隙率↑）但氧梯度↑（(dSatO?/dr)???從0.53增至0.60%·μm?1）。

活性區域厚度（Δractive）↓（300→237 μm），表明單位體積耗氧率↑。

意義：推翻“孔隙率改善供氧”的單因素理論，證明微顆粒通過激活細胞代謝（而非僅物理傳質）提升產量。

 

技術革新價值：

首例放線菌菌球氧剖面研究：克服絲狀細菌菌球纖弱的技術挑戰。

動態環境模擬：流動培養槽 + 層流設計逼近真實發酵條件，數據更可靠。

機制解析：明確MPEC增產的核心是代謝激活，指導后續工藝優化（如補料策略）。

 

局限與展望

 

未解析活性提升的分子機制：需結合轉錄組學驗證代謝通路激活。

流動槽非無菌環境：改用惰性介質避免雜菌干擾（見2.6節）。

建議：聯用pH/葡萄糖微電極，多參數解析營養梯度。

 

結論

 

玻璃微顆粒MPEC通過整合至菌球內部（降低密度、減小尺寸）和激活細胞代謝，顯著提升瑞貝卡霉素產量。Unisense氧微電極揭示 代謝活性增強（而非單純供氧改善）是增產核心機制。聯合大豆卵磷脂的協同策略突破產量瓶頸，為抗生素生產工藝創新提供新范式。