Nature子刊：水凝胶分区微生物、共培养物、按需生产并保存药物

背景

大多数单培养和共培养生物工艺应用都依赖于大规模的悬浮发酵技术，这些技术不易携带，不适合按需生产。美国德克萨斯大学Hal S. Alper团队在《Nature Communication》上发表了Compartmentalized microbes and co-cultures in hydrogels for on-demand bioproduction and preservation，作者构建了可区分微生物，对微生物具有空间隔离的水凝胶系统。使用的F127-氨基甲酸酯二甲基丙烯酸酯（F127-BUM）水凝胶还具有温度依赖性的溶胶-凝胶转变（17°C），可用于固定酵母细胞。材料的温度响应使细胞能够均匀掺入整个水凝胶中，而剪切稀化使得载有细胞的水凝胶可从喷嘴挤出。这种F127-BUM水凝胶可用于分隔工程微生物联合体的各种组成生物，固定在水凝胶中的单培养系统和共培养系统可以进行挤压印刷，以形成固态生物反应器，该生物反应器能够产生小分子和抗菌肽，并可多次重复使用。有趣的是，也可以通过冻干保存载有微生物的水凝胶，以干燥状态保存，然后在以后的时间重新水化，按需生产化学和药物（图1）。此外，在共培养系统中，微生物的空间划分可以精确控制菌群的组成和动态，而不需要基因编码的共生关系。

图1：按需生产的载有微生物的挤出印刷水凝胶概述。

F127-BUM水凝胶中微生物的包封

作者使用单一培养物或共培养物来生产各种重要的生化化合物和抗菌剂。载有微生物的水凝胶均由30 wt％F127-BUM合成，F127-BUM是一种能够形成温度响应和剪切稀化的水凝胶的聚合物，能够包裹酵母（例如，酿酒酵母）和/或细菌（例如，大肠杆菌）） 细胞。它的剪切稀化行为使该材料可以流延成薄膜或从喷嘴挤出为细丝。水凝胶制剂中包含光引发剂，紫外光使其固化。所得的载有微生物的水凝胶具有良好的机械稳定性，可多次重复使用而没有任何降解迹象。

使用单培养负载水凝胶按需生产

作者选择2,3-丁二醇（2,3-BDO）和3,4-二羟基-1-苯丙氨酸（1- DOPA）为增值生化药品。首先，将过量生产的酵母菌株2,3-BDO封装在凝胶基质中，并评估保存前和保存后的产量（图2a）。保存后的酵母菌株在水凝胶保留近90％的BDO生产能力。在保存前后，水凝胶的1- DOPA产量没有显着差异（图2b）。这些结果表明，酵母和载有细菌的凝胶均具有代谢活性，并且在保存过程中生物催化活性损失非常小。此外，载有细胞的凝胶可在至少一年之内长期重复生产，具有长期稳定性和再利用潜力（图2c）。有微生物的水凝胶还可产生较大分子（大肠菌素），大分子能够有效地从凝胶中扩散到周围培养物中（图2d）。通过使用酵母或细菌，这种水凝胶可实现小分子和肽抗生素的重复使用性和稳定性，并按需生产。

图2：单培养的载有微生物的水凝胶的再利用和保存。

空间分隔的微生物共培养

通过在印刷水凝胶结构中简单的空间分离来划分一个组合可提供一种控制动力学的简单方式，特别是在共培养的终点平衡。负载微生物的水凝胶可以通过喷嘴的沉积来沉积，这使得通过简单地改变每个各自挤压的凝胶的数量，可以在很大范围内控制菌团组成，从而实现了一种即插即用的菌团生物处理方法。此外，凝胶的体积及其空间模式可以使用直写挤出打印机进行数字化控制。为了测试水凝胶在空间上组织稳定组合的有效性，作者探索了两种不同类型的组合:(i)用于生产倍他霉素的共生体组合和(ii)在发酵中更有效利用葡萄糖和木糖的平行组合。作者通过工程化大肠杆菌和酿酒酵母菌株的简单组合在一起以形成基于凝胶的财团（图3b）。一个含L-DOPA（可产生细菌）的水凝胶和一个含有酵母的水凝胶一起被打印出来，酵母含有能够将L-DOPA转化为虾青素。水凝胶中的产量具有一致的生产响应曲线（图3c）。作者认为，可以通过改变载细胞凝胶的体积来解决生物合成能力不平衡的问题。与传统的液体培养相比，这种用水凝胶生产细菌的方法具有高稳定性，能够保持代谢活性在100％以上，并至少可培养2个月（图3d）。以此为基础，作者组装了一个平行的酵母-酵母菌株平台，以实现同时发酵葡萄糖和木糖（图2）。

图3：水凝胶中的空间组织联盟优于传统的液体共培养系统。

结论

虽然所有实验都是在实验室规模进行的，但如果将其用于灌注式反应器中，介质会不断流过固定的晶格，从而使恒定的流量和目标分子的产生无需反应器停机。这些材料也可以在模块化生产方案中以较小的比例使用。该方法将允许水凝胶构生产较小体积的目标化合物。作者认为这些水凝胶在将来可以在更极端或偏远的环境中实现固定化生物反应器。

参考文献：

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

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