优化微球菌β-胡萝卜素生产及其对耐药粪肠球菌生物膜的抑制作用研究

研究人员针对医疗植入设备表面耐药粪肠球菌(MDR E. faecalis)生物膜感染难题，通过优化微球菌(Micrococcus luteus)β-胡萝卜素生产工艺，发现其可显著抑制GelE基因表达，使生物膜形成降低94%。该研究为开发新型抗菌涂层提供了创新解决方案，论文发表于《Microbial Cell Factories》。

　　

医疗植入设备相关感染已成为全球公共卫生挑战，其中粪肠球菌(Enterococcus faecalis)形成的顽固生物膜是导致导管相关尿路感染(CAUTIs)的主要原因。更棘手的是，约80-90%的肠球菌感染已发展为多重耐药(MDR)菌株，对常规抗生素治疗产生抵抗。与此同时，微生物源天然色素因其安全性和多重生物活性备受关注，但低产率问题长期制约其应用。

针对这一交叉领域的科学难题，坦塔大学药学院微生物与免疫学系的研究团队开展了一项创新研究。他们通过系统优化微球菌(Micrococcus luteus)的β-胡萝卜素生产工艺，并首次发现其对MDR粪肠球菌具有显著的抗菌和抗生物膜活性。这项突破性成果发表在生物技术领域权威期刊《Microbial Cell Factories》上。

研究采用多学科技术方法：通过响应面法(RSM)优化54种物理化学参数；使用硅胶柱色谱和HPLC纯化鉴定β-胡萝卜素；采用微量稀释法测定最小抑菌浓度(MIC)；通过结晶紫染色和共聚焦显微镜观察生物膜抑制；结合qRT-PCR和分子对接分析GelE基因表达机制。实验菌株来自坦塔大学医院临床分离的20株MDR粪肠球菌。

【微生物分离与优化】从土壤分离的M6菌株(GenBank PP197163)经MALDI-TOF MS鉴定为微球菌。通过单因素和Plackett-Burman设计筛选出12个关键参数，最终采用响应面法将β-胡萝卜素产量提高6倍至1.2 g/L。DSC和HPLC证实产物为高纯度β-胡萝卜素，在DMSO中4℃可稳定保存1年。

【抗菌活性】β-胡萝卜素对全部20株临床分离MDR粪肠球菌均显示抑菌活性，抑菌圈13-32 mm，MIC为3.75-30 μg/mL。MTT实验证实其对人类真皮成纤维细胞的IC₅₀为542.7 μg/mL，显示良好生物安全性。

【抗生物膜机制】0.5 MIC剂量可使强生物膜形成菌株的生物膜量减少94%。硅导管涂层实验显示生物膜形成降低75.3%。共聚焦显微镜显示处理组生物膜厚度从50μm降至15μm。表型实验证实凝胶酶抑制率达100%，qRT-PCR显示GelE基因表达下调63-80%。

【分子机制】分子对接揭示β-胡萝卜素通过His74位点与凝胶酶结合，结合能为-9 kcal/mol，直接干扰其生物膜形成功能。

这项研究实现了三大突破：首次建立微球菌β-胡萝卜素的高效生产工艺；首次发现其抗MDR粪肠球菌生物膜的活性；阐明通过抑制GelE基因表达的作用机制。特别值得注意的是，β-胡萝卜素涂层硅导管的抗生物膜效果达75.3%，为预防导管相关感染提供了极具转化前景的新型解决方案。研究团队建议未来开展临床前评估，推动这一天然抗菌剂的医疗应用。