南京工业大学通过生物被膜工程提高大肠杆菌耐受性强化丁二酸的生产能力

摘要：丁二酸是一种重要的平台化合物，广泛应用于食品、医药、表面活性剂、绿色溶剂和可生物降解塑料等各个行业。由于生长速度快、营养需求低以及拥有成熟的基因操作工具，大肠杆菌已成为生产丁二酸常用的底盘细胞。然而，大肠杆菌对高渗透压和酸性环境较为敏感，这限制了在该宿主中大规

丁二酸是一种重要的平台化合物，广泛应用于食品、医药、表面活性剂、绿色溶剂和可生物降解塑料等各个行业。由于生长速度快、营养需求低以及拥有成熟的基因操作工具，大肠杆菌已成为生产丁二酸常用的底盘细胞。然而，大肠杆菌对高渗透压和酸性环境较为敏感，这限制了在该宿主中大规模生产丁二酸。因此，提高大肠杆菌在生物反应器中对高渗透压和酸性环境的耐受性，对于实现基于生物法的高效丁二酸生产至关重要。

近日，南京工业大学的蒋羽佳副教授、信丰学教授在 Bioresource Technology 上发表了题为“Biofilm engineering to improve succinic acid production in Escherichia coli by enhancing extracellular polysaccharide synthesis”的研究论文。该研究通过增强胞外多糖合成进行生物被膜工程改造提高了大肠杆菌对高渗透压和酸性环境的耐受性，在 5 L 生物反应器中利用葡萄糖合成 70.54 g/L 丁二酸；此外，在弱酸性环境下，通过基于生物被膜的固定化技术在 5 L 生物反应器中利用小麦秸秆水解液合成 57.67 g/L 丁二酸（收率达到 0.75 g/g），为基于生物法的大规模丁二酸生产提供了一种高效、经济的平台技术。

研究团队首先从铜绿假单胞菌中提取了负责合成胞外多糖的基因簇，引入大肠杆菌后显著增强其生物被膜形成能力。生物被膜作为微生物的 “保护罩”，可有效提升细胞对酸性环境和高渗透压的耐受性。此外，引入 PBAD 诱导型启动子，通过廉价无毒的 L-阿拉伯糖调控基因表达，避免代谢负担，实现生物被膜按需合成。改造后的菌株在 5 L 反应器中，以葡萄糖为底物时丁二酸产量达 70.54 g/L，较对照菌株提高 13.41%，且在低pH（6.0）条件下产量和收率分别提升 28.96% 和 42.15%。

图 1 | 生物被膜形成增强的工程菌株构建

图 2 | 工程菌株对高渗透压的耐受性验证

图 3 | 工程菌株对酸性环境的耐受性验证

为进一步提升效率，研究团队利用海藻酸钙水凝胶构建细胞固定化系统，将工程菌株包裹在多孔载体中。基于生物被膜的固定化细胞进行多批次发酵，丁二酸产量较游离细胞提高 34.52%，收率提升 22.95%，且发酵时间缩短近 50%。固定化载体可重复使用 7 批次以上，减少菌种损耗，降低生产成本。此外，在 5 L 生物反应器中，固定化细胞在小麦秸秆水解物中能够保持良好的生产性能，在 108 h 内可产生 62.66 g/L 的丁二酸。即使在酸性环境（pH 6.0）中，固定化细胞仍能产生 57.67 g/L 的丁二酸，实现了多批次连续发酵。