通过Vitreoscilla血红蛋白的表达及培养条件调控细菌纤维素的性质

《Journal of Natural Fibers》：Modulating Bacterial Cellulose Properties by Vitreoscilla Hemoglobin Expression and Culture Conditions

细菌纤维素（BC）由表达或未表达透明颤菌血红蛋白（VHb）的Komagataeibacter xylinus菌株产生，其水吸收能力（WAC）随VHb表达增强而提高，但搅拌条件（50/100 rpm）会显著降低WAC（32–45%）。X射线衍射（XRD）显示VHb表达使BC结晶度指数降低24–38%，尤其在静态培养时更明显。FTIR和热分析（TGA）表明，VHb表达和搅拌对BC的化学结构及热稳定性影响不显著。研究结果证实VHb表达和培养策略可调控BC的物理化学性质，为定制高吸水性敷料、生物可降解包装等应用提供依据。

　　细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）作为一种纳米结构的天然生物聚合物，因其高纯度、良好的结晶性、优异的拉伸强度以及出色的吸水能力而受到广泛关注。BC主要由木腐科马加泰杆菌（*Komagataeibacter xylinus*）等菌株合成，相较于植物纤维素，它不含木质素和半纤维素，这使得其在生物医学、食品和环境等领域具有独特的优势。BC的物理化学特性，如结晶度、孔隙率和吸水性，是决定其应用性能的关键因素。这些特性不仅影响其在不同应用中的表现，还决定了其在工业生产中的可调控性。

本研究探讨了透明颤菌血红蛋白（VHb）的表达以及不同培养条件（静态、50 rpm、100 rpm）对细菌纤维素物理化学性质的影响。研究使用了葡萄糖和蔗糖作为碳源，分别对缺乏VHb表达的菌株（vgb?）和表达VHb的菌株（vgb+）进行培养，并对最终生成的BC进行了结构、热稳定性和吸水性等方面的分析。实验结果表明，VHb的表达在所有培养条件下均能显著提高BC的吸水能力（Water Absorption Capacity, WAC），而摇动（即搅拌）则对WAC产生了明显的负面影响，导致其降低32-45%。这表明，虽然VHb在改善细胞内氧气运输和氧化还原平衡方面具有潜在作用，但其对BC的吸水性影响可能较为间接，或者在某些条件下并不显著。

在对BC的化学结构进行分析时，使用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术。FTIR光谱结果显示，无论是VHb表达还是摇动条件，对BC的化学结构和多态性（如纤维素Iα和Iβ的结构比例）均未产生显著影响。这一结果意味着，VHb的表达可能并未在分子层面改变BC的基本化学组成，而其对物理结构的影响则需要通过其他方法进一步验证。尽管如此，FTIR分析提供了对BC分子结构的初步了解，并支持了热分析的结果，即VHb表达对热降解行为的影响较小。

热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）和导数热重分析（Derivative Thermogravimetric, DTG）被用于评估BC的热稳定性。结果显示，BC在静态条件下表现出较高的热稳定性，其最大重量损失温度（T_max）约为335°C，而在摇动条件下（50-100 rpm），T_max显著降低，接近307°C。这表明，摇动条件可能破坏了BC的有序结构，导致其结晶度降低，从而影响其热稳定性。此外，BC在550°C和750°C下的残余质量分析也揭示了不同培养条件下BC热分解行为的差异。静态条件下培养的BC表现出更高的残余质量，这可能与其更紧密的结构和更高的结晶度有关。相比之下，摇动条件下培养的BC则具有更高的碳保留率，这一特性在某些工业应用中可能是有益的，如用于制备导电材料或碳纳米结构。

X射线衍射（XRD）分析进一步揭示了BC的微观结构变化。XRD图谱显示，BC在不同培养条件下表现出类似的晶体结构特征，但其结晶度指数（Crystallinity Index, CI）存在显著差异。与不表达VHb的菌株（vgb?）相比，表达VHb的菌株（vgb+）生成的BC在所有培养条件下均显示出24-38%的结晶度降低。这种结晶度的变化在静态条件下尤为明显，表明VHb的表达可能在某些情况下影响了BC的结晶过程。通过计算Z值（一种用于评估纤维素Iα和Iβ比例的参数），研究发现，VHb表达显著提高了BC中Iα结构的比例，而Iβ结构的比例则相应减少。这一结果支持了之前的假设，即VHb的表达可能通过影响细胞生长和纤维素合成速率，间接改变了BC的微观结构和结晶度。

此外，研究还发现，不同碳源（葡萄糖和蔗糖）对BC的结晶度和吸水性具有一定的影响。在静态培养条件下，使用蔗糖作为碳源的BC表现出更低的结晶度和更高的吸水性，这可能与其更复杂的糖代谢路径和更长的纤维素合成时间有关。而在摇动条件下，碳源的影响则相对较小，说明在搅拌环境中，细胞的代谢和合成过程可能更加均匀，从而降低了不同碳源带来的结构差异。值得注意的是，尽管VHb表达对BC的结晶度产生了显著影响，但其对热降解行为的影响并不明显，这表明其主要作用可能体现在对BC的物理结构调控上，而非其热稳定性。

本研究的发现具有重要的实际意义。首先，VHb的表达能够有效提高BC的吸水能力，这使其在需要高吸水性的应用中具有优势，如伤口敷料、组织工程支架等。其次，摇动条件虽然能够降低BC的吸水性，但其对热稳定性的负面影响可能使得某些应用（如需要耐高温的材料）更倾向于使用静态培养。此外，BC的结晶度变化还可能影响其机械性能，例如高结晶度的BC可能更适合用于机械强化材料，而低结晶度的BC则可能更适合用于柔性材料或吸水性更强的生物材料。

综上所述，本研究通过系统的实验设计，揭示了VHb表达和培养条件对BC物理化学性质的调控作用。这些结果不仅为BC的工业化生产提供了新的思路，还为其在不同领域的应用提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索BC在不同培养条件下的微观结构变化机制，并结合其他生物工程手段（如基因编辑或代谢调控）以更精确地控制其性能。此外，还可以拓展研究范围，评估BC在其他方面的特性，如气体渗透性、机械强度或生物相容性，从而为BC的多样化应用奠定基础。