天木生物發酵工藝優化平臺助力大腸桿菌-釀酒酵母共培養體系實現從頭合成色醇

 

引言

近日，一項由江南大學白仲虎教授團隊發表于國際期刊《Bioresource Technology》（IF=9.0）的研究成果，成功構建了大腸桿菌-釀酒酵母模塊化共培養體系，實現了色醇從葡萄糖的高效從頭合成。該研究在5 L生物反應器中80小時產率達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過程在線檢測儀BODS與多參數樣品生化分析儀MBP，實現了發酵過程的精準在線監測與智能補料控制，為共培養體系的代謝耦合與工藝優化提供了關鍵數據支撐。

 

一、研究背景：共培養體系的挑戰與機遇

色醇是一種高價值的芳香醇，在醫藥、香料等領域具有廣泛應用前景。傳統單菌種發酵面臨代謝路徑復雜、前體供應不足等瓶頸。本研究創新性地采用“分工協作”的共培養策略：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途徑將其轉化為IET。然而，共培養體系涉及兩種微生物的生長動力學差異及代謝通量平衡，對發酵過程的實時監測與精準控制提出了高要求。如何精準調控底物濃度、實時監測代謝物變化，成為突破產量瓶頸的關鍵。

 

圖1. 強化Ehrlich途徑的釀酒酵母菌株構建與表征

二、天木生物發酵工藝優化平臺的核心支撐作用

在此項研究中，天木生物的發酵工藝優化平臺一系列裝備發揮了重要作用，解決了共培養發酵過程中的兩大核心痛點：底物濃度的精準控制與代謝產物的快速檢測。

 

1. BODS生物培養過程在線檢測儀：實現葡萄糖濃度的智能精準控制

在5 L補料分批發酵過程中，研究團隊利用天木生物BODS實現了全自動在線取樣、樣品處理與檢測。BODS系統根據預設的目標葡萄糖濃度、實時分析結果及周期性消耗速率，智能預測并計算下一周期的補料量。

研究結果顯示，得益于BODS實施的自動葡萄糖控制策略，發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。這一精準控制有效避免了高濃度底物對細胞的抑制，確保了共培養體系中大腸桿菌與釀酒酵母的協同生長與代謝。

 圖2. 5 L生物反應器中的優化與發酵過程

2. MBP生化分析儀：快速監測關鍵代謝物

 

發酵過程中，葡萄糖、甘油和乙醇的濃度變化是評估體系狀態的重要指標。研究團隊采用天木生物MBP多參數樣品生化分析儀，基于酶膜生物傳感器原理，快速、準確地測定這些關鍵代謝物的濃度。這為研究團隊解析共培養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）提供了可靠的數據基礎，助力工藝優化決策。

 

3. 天木生物5 L生物反應器：提供穩定的發酵環境

 整個共培養發酵過程在天木生物5 L生物反應器中進行。該反應器精準控制了溫度、pH、溶解氧（DO）等關鍵參數，并通過自動調節攪拌轉速（300-800 rpm）維持DO在30%，為大腸桿菌與釀酒酵母的階段性優勢生長創造了理想條件。

 

三、研究成果與意義

通過理性模塊化共培養策略，結合代謝工程、計算設計與過程優化，該研究實現了IET的高效生物合成。與前期開發的單培養系統相比，共培養體系在5 L反應器中僅用80小時即達到2.14 g/L的滴度，生產效率提升超過4倍。

 

圖3. 共培養系統的建立與表征

天木生物發酵工藝優化平臺，在此過程中扮演了“智能過程管家”的角色。其自動化、高通量、實時在線的監測能力，幫助研究者精準捕捉共培養體系的動態變化，突破了傳統離線取樣檢測滯后、數據點稀疏的局限，為工藝放大與優化提供了確定性保障。

 

總結

本研究不僅為芳香醇的可持續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備在先進生物制造研究中的核心價值。從實驗室探索到產業化放大，精準的過程數據是成功的關鍵。天木生物致力于為生命科學研究與生物產業提供更智能、更自動化的儀器裝備，助力科研創新與產業升級。