监测枯草芽孢杆菌在整个生长周期中的生物能量状态及细胞裂解情况

《Microbial Cell Factories》：Monitoring the bioenergetic state and cell lysis of Bacillus subtilis throughout the growth cycle

　　

摘要

背景

革兰氏阳性细菌枯草芽孢杆菌是一种生长迅速且易于操作的微生物，长期以来被用于工业酶、高价值生化产品、抗生素及其他次级代谢产物的商业化生产。近年来，它还被用作食品添加剂和植物益生菌。该菌能在廉价培养基上生长，并在长时间分批喂养条件下仍保持生产力。由于人们对它的遗传学、生物化学及基因调控有深入了解，因此能够运用代谢工程策略来优化底物利用效率和产品产量。作为一种自由生活的环境微生物，枯草芽孢杆菌会分化出具有不同生物学功能的亚群（如孢子形成、生物膜形成、抗菌物质产生等）。然而在发酵过程中，细胞分化过程可能会对其最佳生物技术应用构成挑战，尤其是当新出现的亚群无法参与产物合成时。在此，我们提出了可靠的检测方法，用于分析枯草芽孢杆菌两种此前难以研究的群体特性：（i）指数生长后期但仍处于活跃生长状态的细胞能量水平；（ii）此类条件下可能发生的细胞裂解程度。

结果

我们的研究发现，指数生长后期培养物中细胞的能量状况存在未被充分认识的异质性，而在看似健康的活跃生长群体中，细胞裂解程度却出奇地高。这些数据为我们理解表面上看似简单的细菌克隆培养物中的生物学复杂性及单细胞异质性提供了新的见解。同时，这些研究也建立了可靠且经过验证的分析工具，可用于研究相关过程，并为进一步优化枯草芽孢杆菌作为工业生产宿主提供依据。

结论

目前有许多研究致力于提高枯草芽孢杆菌在工业、医疗和农业领域的生产性能。然而，它在高细胞密度条件下发生生理和形态分化的可能性，最终可能会限制其生产力。我们的研究揭示了这种异质性如何影响培养物中单个细胞的能量状态，以及为何会出现如此高的群体水平细胞裂解现象。能够监测这些过程，有助于评估基因工程和代谢工程策略在提升生产力方面的效果。