综述：低温保存中的多糖：极端微生物特性的多维系统综述及选择压力在结构-功能关系中的作用

本综述系统探讨了极端微生物多糖在低温保存中的应用机制，聚焦选择压力对多糖结构-功能关系的调控作用，为开发生物材料（如细菌纤维素BC）提供创新视角，尤其在环境与生物医学领域具有重要指导价值。

　　

Abstract

细菌纤维素（BC）因其独特的纳米结构和卓越的理化特性，已成为一种极具前景的生物材料。本研究通过谷胱甘肽（GSH）介导的生物合成，成功合成了一种新型球形分支BC结构，并证明其分支长度和数量可通过GSH浓度进行调控。适量的GSH补充改变了BC的微观形态和晶体结构，包括纤维直径减小、细菌细胞形态从杆状向球形转变以及结晶度增加。通过对照实验和转录组分析，系统研究了GSH对Komagataeibacter oboediens FHNH23培养环境及生理状态的影响，进一步阐明了其在BC合成与组装中的作用。本研究首次开发了可控的球形分支BC材料，揭示了谷胱甘肽调控BC结构的机制，为纤维素材料的生物合成调控提供了创新见解，并为环境、生物医学及相关领域新型材料的定制开发奠定了坚实的理论基础和实践指导。

Introduction

细菌纤维素（BC）是一种由微生物产生的天然多糖，可通过工业发酵大规模生产（Quijano et al., 2024; Shah et al., 2013）。与传统的植物纤维素相比，BC的生产具有诸多优势，包括不受季节、气候和地理条件限制、再生周期短、能耗低且污染少（Walling et al., 2023）。因此，BC被认为是一种支持可持续发展目标（SDGs）的环保生物材料，尤其与能源效率和气候行动相关（Mishra et al., 2024; United Nations Development Programme, 2015）。

BC的天然纳米结构奠定了其高孔隙率和高比表面积的物理特性，这些特性已被证明具有食用安全性（Lin et al., 2013）、抗消化性（Lee & Han, 2024）、高生物相容性和无细胞毒性等优势（Rebello et al., 2025; Sun et al., 2024）。它已被广泛应用于食品工业（Lee & Han, 2024; Z. Wang et al., 2025; X. Zhang et al., 2022）、制药工程（X. Wang et al., 2024）和环境污染控制（Mishra et al., 2024; Sayyed et al., 2021）等多个领域。

为满足特定应用需求，已开发出不同形态的BC材料，但目前可控的宏观形态非常有限。在这些材料中，保持BC的天然纳米结构对其性能至关重要（Muiruri et al., 2023）。高能粉碎或溶解-重构为BC材料形状提供了灵活选择（Rosson et al., 2024），但这些方法会破坏天然BC的纳米结构，损害其功能（Sun et al., 2024）。此外，这些过程中的高能耗或试剂污染可能增加环境负担（Rosson et al., 2024; Sofiah et al., 2023）。机械切割是塑造BC最简单且能保持纳米结构的方法，常用于生产立方体BC，如用作食品添加剂的椰果（Quijano et al., 2024）。然而，由于BC含水量高、纤维韧性强，该方法仅能产生有限的形态结果（Sofiah et al., 2023）。原位合成能够制备球形BC，在功能成分封装（Osorio et al., 2024）、控制药物释放（Lazarini et al., 2022a）和污染物吸附（Xiao et al., 2022）等应用中显示出潜力。但由于生产菌株（Rezaei et al., 2025）、发酵环境（Takayama & Kondo, 2023）和培养条件（Lasagni et al., 2024）等多种因素的影响，规则且可控的球形BC的微观形成机制直到近年才逐渐被阐明（Sun et al., 2024）。

球形分支结构是一种更新颖、更先进的宏观形态。它在以往的球形BC合成过程中偶尔出现，但被认为是一种不可控的随机形态（Gu & Catchmark, 2012; Zhang, Bi, et al., 2016）。理论上，这种结构在定制多功能或多次释放的功能材料方面具有巨大潜力。分支部分可提供更大的比表面积，实现功能组分的痕量、快速、大规模释放，达到速效效果（Gao et al., 2024）。同时，球形部分通过其高度多孔的纳米结构，持续稳定地控制释放功能组分，避免突然大剂量输送引起的副作用（Lazarini et al., 2022a）。

本工作中，通过原位发酵可控合成了“球形分支”BC，并发现其分支几何形状可通过谷胱甘肽（GSH）浓度进行调节。推测GSH影响了BC的生物合成过程。它通过改变微生物生理学和培养环境，促进了球形分支形态的发展。基于此假设，合成了一系列具有可控分支数量和长度的BC颗粒，并在宏观和微观形态以及晶体和分子结构水平上进行了系统表征。随后通过转录组分析初步分析了其形成机制。本研究的结果表明“球形分支”BC的形成是可控的，并为其工业化生产提供了理论基础。

Materials

本研究使用的Komagataeibacter oboediens FHNH23由本实验室先前分离并保存。基础发酵在改良的Hestrin-Schramm（HSx）培养基中进行，该培养基包含果糖（30 g/L）、酵母提取物（15 g/L）、柠檬酸（1.15 g/L）和Na₂HPO₄（2.7 g/L），pH为天然值，随后在121 °C下灭菌20分钟。外源处理培养基通过将HSx固体组分溶解于60% (w/w)超纯水中制备，然后无菌添加0.22 μm过滤的GSH储备液至最终浓度。

Macroscopic structural characterization

在K. oboediens FHNH23的发酵过程中，发现BC的宏观形态对GSH具有剂量依赖性（图1a）。在未添加GSH的CK组中，BC颗粒主要呈现规则的球形。也观察到独立的片状或絮状结构，这归因于动态培养过程中涡流诱导的搅动；这些结构被认为是卷曲形成前的预球形阶段（Caro-Astorga et al., 2021）。在GSH浓度为X时，观察到分支结构的出现。

Conclusions

本研究通过GSH处理开发了可调谐的球形分支BC结构，并全面表征了其宏观和微观形态以及晶体结构。机理分析表明，在组装方面，GSH为分支形成建立了pH和硫醇基团的关键条件。在合成水平上，GSH通过改变硫代谢和碳水化合物代谢途径，影响了产物速率和类型。总之，该研究为BC材料的可控形态合成提供了新的策略和深入的理解。

CRediT authorship contribution statement

Fei Xu: 撰写初稿，可视化，软件，方法论，形式分析，数据管理，概念化。Yilin Li: 调查。Xiaoxue Zhang: 调查。Wenhui Xue: 形式分析。Ying Xu: 撰写评审与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。Xun Sun: 撰写评审与编辑。

Funding

本研究得到了国家重点研发计划项目（Grant No. 2019YFC0901703）的资助。

Uncited references

Fatima et al., 2021

García-González et al., 2021

Panagopoulos et al., 2024

Declaration of competing interest

作者声明不存在任何可能影响本工作报告的已知竞争性经济利益或个人关系。