引言

近日，一項(xiàng)由江南大學(xué)白仲虎教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表于國際期刊《Bioresource Technology》（IF=9.0）的研究成果，成功構(gòu)建了大腸桿菌-釀酒酵母模塊化共培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)了色醇從葡萄糖的高效從頭合成。該研究在5 L生物反應(yīng)器中80小時產(chǎn)率達(dá)2.14 g/L，為可再生碳源最高報道滴度。研究中全程采用了天木生物的生物培養(yǎng)過程在線檢測儀BODS與多參數(shù)樣品生化分析儀MBP，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程的精準(zhǔn)在線監(jiān)測與智能補(bǔ)料控制，為共培養(yǎng)體系的代謝耦合與工藝優(yōu)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

 

一、研究背景：共培養(yǎng)體系的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

色醇是一種高價值的芳香醇，在醫(yī)藥、香料等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。傳統(tǒng)單菌種發(fā)酵面臨代謝路徑復(fù)雜、前體供應(yīng)不足等瓶頸。本研究創(chuàng)新性地采用“分工協(xié)作”的共培養(yǎng)策略：上游大腸桿菌模塊專注于L-色氨酸的高效合成，下游釀酒酵母模塊則通過Ehrlich途徑將其轉(zhuǎn)化為IET。然而，共培養(yǎng)體系涉及兩種微生物的生長動力學(xué)差異及代謝通量平衡，對發(fā)酵過程的實(shí)時監(jiān)測與精準(zhǔn)控制提出了高要求。如何精準(zhǔn)調(diào)控底物濃度、實(shí)時監(jiān)測代謝物變化，成為突破產(chǎn)量瓶頸的關(guān)鍵。

 

圖1. 強(qiáng)化Ehrlich途徑的釀酒酵母菌株構(gòu)建與表征

二、天木生物發(fā)酵工藝優(yōu)化平臺的核心支撐作用

在此項(xiàng)研究中，天木生物的發(fā)酵工藝優(yōu)化平臺一系列裝備發(fā)揮了重要作用，解決了共培養(yǎng)發(fā)酵過程中的兩大核心痛點(diǎn)：底物濃度的精準(zhǔn)控制與代謝產(chǎn)物的快速檢測。

 

1. BODS生物培養(yǎng)過程在線檢測儀：實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的智能精準(zhǔn)控制

在5 L補(bǔ)料分批發(fā)酵過程中，研究團(tuán)隊(duì)利用天木生物BODS實(shí)現(xiàn)了全自動在線取樣、樣品處理與檢測。BODS系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)葡萄糖濃度、實(shí)時分析結(jié)果及周期性消耗速率，智能預(yù)測并計(jì)算下一周期的補(bǔ)料量。

研究結(jié)果顯示，得益于BODS實(shí)施的自動葡萄糖控制策略，發(fā)酵液中的葡萄糖濃度在12小時后即被消耗至2 g/L，并在此后始終維持在約2 g/L的低水平。這一精準(zhǔn)控制有效避免了高濃度底物對細(xì)胞的抑制，確保了共培養(yǎng)體系中大腸桿菌與釀酒酵母的協(xié)同生長與代謝。

 圖2. 5 L生物反應(yīng)器中的優(yōu)化與發(fā)酵過程

2. MBP生化分析儀：快速監(jiān)測關(guān)鍵代謝物

 

發(fā)酵過程中，葡萄糖、甘油和乙醇的濃度變化是評估體系狀態(tài)的重要指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)采用天木生物MBP多參數(shù)樣品生化分析儀，基于酶膜生物傳感器原理，快速、準(zhǔn)確地測定這些關(guān)鍵代謝物的濃度。這為研究團(tuán)隊(duì)解析共培養(yǎng)體系中的代謝流分布（如乙醇的積累趨勢、葡萄糖的消耗速率等）提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，助力工藝優(yōu)化決策。

 

3. 天木生物5 L生物反應(yīng)器：提供穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境

 整個共培養(yǎng)發(fā)酵過程在天木生物5 L生物反應(yīng)器中進(jìn)行。該反應(yīng)器精準(zhǔn)控制了溫度、pH、溶解氧（DO）等關(guān)鍵參數(shù)，并通過自動調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速（300-800 rpm）維持DO在30%，為大腸桿菌與釀酒酵母的階段性優(yōu)勢生長創(chuàng)造了理想條件。

 

三、研究成果與意義

通過理性模塊化共培養(yǎng)策略，結(jié)合代謝工程、計(jì)算設(shè)計(jì)與過程優(yōu)化，該研究實(shí)現(xiàn)了IET的高效生物合成。與前期開發(fā)的單培養(yǎng)系統(tǒng)相比，共培養(yǎng)體系在5 L反應(yīng)器中僅用80小時即達(dá)到2.14 g/L的滴度，生產(chǎn)效率提升超過4倍。

 

圖3. 共培養(yǎng)系統(tǒng)的建立與表征

天木生物發(fā)酵工藝優(yōu)化平臺，在此過程中扮演了“智能過程管家”的角色。其自動化、高通量、實(shí)時在線的監(jiān)測能力，幫助研究者精準(zhǔn)捕捉共培養(yǎng)體系的動態(tài)變化，突破了傳統(tǒng)離線取樣檢測滯后、數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏的局限，為工藝放大與優(yōu)化提供了確定性保障。

 

總結(jié)

本研究不僅為芳香醇的可持續(xù)生物合成提供了高效新路徑，也生動展示了天木生物過程自動化與在線檢測設(shè)備在先進(jìn)生物制造研究中的核心價值。從實(shí)驗(yàn)室探索到產(chǎn)業(yè)化放大，精準(zhǔn)的過程數(shù)據(jù)是成功的關(guān)鍵。天木生物致力于為生命科學(xué)研究與生物產(chǎn)業(yè)提供更智能、更自動化的儀器裝備，助力科研創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級。