编辑推荐：
为解决细菌纤维素（BC）大规模应用中高成本、低产量的问题，研究人员开展了结合延长静态培养与间歇收获的研究。结果表明该方法显著提高 BC 产量，还得到高产突变株 M2。这为可持续 BC 生产及材料定制提供了新方向。
在生物材料的广阔领域中，细菌纤维素（Bacterial Cellulose，BC）就像一颗璀璨的新星，备受瞩目。它是由细菌产生的天然生物聚合物，与植物纤维素相比，BC 纯度极高，几乎不含木质素、半纤维素和果胶等杂质，这使得它在加工过程中无需复杂的提纯步骤，大大减少了工业废弃物对环境的污染。而且，BC 还具有诸多优异性能，如高达 70 - 80% 的结晶度、超强的保水能力（可高达 99%）、良好的孔隙率以及卓越的生物相容性，在拉伸性能和刚度等机械性能方面也远超植物纤维素 。
然而，这颗新星却面临着 “成长的烦恼”。目前，BC 在大规模应用的道路上困难重重，高昂的生产成本和较低的产量成为了阻碍其发展的两大 “拦路虎”。高成本使得 BC 在市场竞争中缺乏价格优势，而低产量则无法满足日益增长的市场需求。为了让 BC 能够充分发挥其潜力，突破这些限制，来自国外的研究人员开启了一场探索之旅。
研究人员开展了一项别出心裁的研究，他们将延长静态培养与间歇收获相结合，试图找到提高 BC 产量和优化其性能的方法。经过一系列深入研究，他们取得了令人惊喜的成果，不仅显著提高了 BC 的产量，还发现了一株高产突变株 M2，这一发现为 BC 的生产和应用开辟了新的道路。该研究成果发表在《Biofilm》上，引起了广泛关注。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过称量 BC 的重量来评估其产量，直观地了解不同培养条件下 BC 的生产情况；二是利用机械测试、X 射线衍射（XRD）和电子显微镜等技术，对 BC 的机械和结构性能进行全面分析；三是采用基因组测序技术，探究突变株 M2 与野生型菌株之间的基因差异；四是运用非靶向代谢组学分析，研究 WT 和 M2 菌株在代谢方面的变化。
下面来详细看看研究结果：
- 细菌纤维素在间歇收获条件下的生产：研究人员在静态培养条件下，对每周收获一次的 BC 进行了长期监测。结果显示，在最初的 35 天内，采用间歇收获策略的 BC 产量大幅提升，湿重产量相比静态培养增长了约 309%，干重产量增长了 139%。在培养过程中，葡萄糖被持续消耗，间歇收获组的葡萄糖消耗速度更快，到第 35 天浓度降至 5g/L 以下。同时，葡萄糖代谢产生的副产物 gluconic acid 在间歇收获组中含量更高，第 35 天达到约 3g/L，导致 pH 值降低至约 4。此外，间歇收获有助于维持浮游细胞的活力，使细菌生长更加稳定。
- 收获过程中细菌纤维素的机械和结构性能：研究人员对不同收获周期的 BC 进行了拉伸测试和 XRD 分析。结果发现，BC 的 E - 模量（代表材料抵抗弹性变形的能力）在最初的 6 次收获中为 1 - 2GPa，随后逐渐增加，在第 11 次收获时达到最大值 3.4GPa，之后又急剧下降。BC 的结晶度指数（CI）在空气侧的变化趋势与 E - 模量相似，在第 11 次收获前逐渐增加，之后大幅下降。此外，随着收获次数的增加，BC 的微晶尺寸在垂直于 1 - 10 和 200 晶格平面的方向上逐渐变小。
- 高产纤维素变体的出现：在反复收获过程中，研究人员发现了一些能够产生更厚 BC 的变体。其中，突变株 M2 表现尤为突出，在 7 天的培养后，M2 产生的湿纤维素和干纤维素分别比野生型菌株多 1.4 倍和 1.2 倍。
- 突变株 M2 与野生型菌株的结构和机械性能差异：对野生型菌株和突变株 M2 产生的 BC 进行对比分析发现，M2 产生的干燥 BC 更易变形，其 E - 模量（0.45GPa）明显低于野生型菌株（1GPa）。同时，野生型菌株产生的 BC 结晶度更高（约 65%），而 M2 产生的 BC 结晶度约为 50%。此外，两种菌株产生的 BC 在晶体尺寸和结构上也存在差异。
- 野生型菌株和突变株 M2 产生的细菌纤维素的结构特征差异：通过环境扫描电子显微镜（ESEM）和同步加速器 X 射线源对 BC 的结构进行观察和分析，发现突变株 M2 和野生型菌株产生的 BC 在结构上存在明显差异。M2 产生的 BC 在空气侧和培养基侧的结构与野生型菌株不同，其晶体尺寸和结晶度分布也有所不同。
- 突变株 M2 与野生型菌株的基因组差异：对野生型菌株和突变株 M2 进行基因组测序分析，发现突变株 M2 存在多个基因突变。这些突变涉及代谢、能量产生、适应（严格反应）、调控等多个功能类别，可能与 M2 的高产和特性改变有关。
- 培养基的非靶向代谢组学分析：通过对野生型菌株和突变株 M2 的培养基进行非靶向代谢组学分析，发现两者在多种代谢物水平上存在显著差异。在第 28 天，M2 培养基中多种脂肪酸代谢物的含量更高，而核苷酸（如 AMP、cAMP、GMP 和 cGMP）的含量更低，这表明 M2 的代谢途径发生了改变。
综合研究结果和讨论部分，这项研究意义重大。首先，该研究提出的间歇收获策略为提高 BC 产量提供了一种简单有效的方法，有望降低生产成本，推动 BC 在工业领域的大规模应用。其次，突变株 M2 的发现为进一步研究 BC 的合成和调控机制提供了宝贵的材料，有助于开发出性能更优的生物材料。此外，研究人员对 BC 结构和性能的深入研究，为理解细菌纤维素的形成过程和优化其性能提供了理论依据。总之，这项研究为细菌纤维素的发展和应用奠定了坚实的基础，为生物材料领域的发展注入了新的活力。
