《Molecules》：Machine Learning-Driven Refinement of Reactive Force Fields via Hierarchical “Center-Environment” Features for Energetic Molecular Crystals
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工业副产物在发酵过程中的可持续再利用支持了向循环生物经济的转型。本研究评估了九种毛霉目（Mucorales）菌株（包括从巴西生物群落中分离的新物种）在由玉米浆（CSL）和生物柴油衍生的甘油（GLY）组成的替代培养基中生产真菌壳聚糖（FuCho）的产量。此外，还
工业副产物在发酵过程中的可持续再利用支持了向循环生物经济的转型。本研究评估了九种毛霉目（Mucorales）菌株（包括从巴西生物群落中分离的新物种）在由玉米浆（CSL）和生物柴油衍生的甘油（GLY）组成的替代培养基中生产真菌壳聚糖（FuCho）的产量。此外，还研究了提取的FuCho的理化性质、刺激潜力及广谱抗菌活性。在CSL-GLY培养基中测试的菌株中，FuCho产量范围为（Absidia aguabelensis）至（Absidia caatinguensis）。通过中心复合旋转设计（CCRD）优化，A. caatinguensis（中心点条件）和Cunninghamella elegans（较低CSL浓度）的最大FuCho产量分别为。理化表征显示脱乙酰度（DD）分别为85%（A. caatinguensis）和75%（C. elegans），结晶指数（CI）分别为36.74%和37.93%，粘均分子量（Mv）分别为和。在HET-CAM实验中，两种FuCho样品均被归类为无刺激性，未表现出炎症、血管或血管收缩效应。FuCho对所有测试的病原细菌菌株和念珠菌（Candida）种类均表现出最低抑菌浓度（MIC），其中A. caatinguensis的FuCho对大多数微生物的MIC值低于C. elegans的FuCho。共聚焦激光扫描显微镜证实，通过破坏大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的细胞膜，微生物细胞活力显著降低。这些发现验证了CSL-GLY混合物作为一种经济、环保的培养基，可用于生产具有制药潜力的高价值生物聚合物，并强调了巴西Mucorales菌株的生物技术相关性。
**论文解读文章**
**研究背景**
天然聚合物因其生物相容性、可降解性及低毒性，在医药、食品等领域被广泛研究作为合成材料的环保替代品。真菌壳聚糖（FuCho）作为一类源自毛霉目（Mucorales）真菌细胞壁中几丁质脱乙酰化的异多糖，具有独特的聚电解质特性和广谱抗菌活性，尤其在制药和食品安全领域潜力巨大。然而，传统化学合成培养基的高成本限制了FuCho的产业化生产。为克服这一瓶颈，研究人员采用循环生物经济策略，将农业工业副产物——玉米浆（CSL，富含有机氮、氨基酸、维生素和微量元素）和生物柴油副产物粗甘油（GLY，丰富碳源）作为低成本、高营养的替代基质。巴西生物群落中分离的多种Mucorales新物种（如Absidia caatinguensis、Lichtheimia brasiliensis等）尚未被评估其FuCho生产能力。本研究旨在：利用CSL和GLY作为可持续基质，评估九种Mucorales菌株（包括巴西新物种）的FuCho产量；全面表征FuCho的理化性质、刺激性潜力（HET-CAM实验）及广谱抗菌活性，为废弃物的资源化利用和高附加值生物聚合物开发提供依据。该研究发表在《Molecules》期刊。
**关键方法**
研究人员采用的主要技术方法包括：利用中心复合旋转设计（CCRD）优化发酵条件（CSL和GLY浓度）；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）计算脱乙酰度（DD），X射线衍射（XRD）测定结晶指数（CI），热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估热稳定性，乌氏粘度计测定粘均分子量（Mv）；使用扫描电镜（SEM）观察表面形貌；采用鸡胚绒毛尿囊膜实验（HET-CAM）评估急性血管刺激潜力；通过微量肉汤稀释法测定最低抑菌浓度（MIC）；利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）结合SYTO 9/碘化丙啶（PI）双染评估膜完整性。菌株来源包括巴西卡廷加生物群落（Caatinga Biome）和巴西大西洋雨林（Atlantic Rainforest Biome）的土壤分离物，保藏于UCP和URM培养物保藏中心。
**研究结果**
**2.1 生物量与FuCho产量：筛选实验**
在标准化培养基（4.0% v/v CSL, 2.0% v/v GLY）中，九种Mucorales菌株的生物量（g/L）和FuCho产量（mg/g）存在显著差异。A. caatinguensis和C. elegans表现出最高的FuCho产量，优于文献报道的其他废基或合成培养基中的Mucorales菌株，因此被选用于CCRD优化。
**2.2 A. caatinguensis和C. elegans的生物量与FuCho产量：CCRD 22实验**
通过CCRD 22设计（CSL浓度1.18–6.82% v/v，GLY浓度0.59–3.41% v/v），研究人员建立了四个经验方程（方程1–4）描述生物量和FuCho产量与CSL（x?）和GLY（x?）的关系。A. caatinguensis的最高FuCho产量（119.86 mg/g）出现在中心点（4% CSL, 2% GLY），而C. elegans的最高产量（164.92 mg/g）出现在低CSL浓度（1.18% CSL, 2% GLY）。响应面分析表明，FuCho产量与生物量无直接线性关系，且较低的营养浓度有利于C. elegans的特定聚合物积累。
**2.3 真菌壳聚糖的表征：红外光谱、X射线衍射和热分析**
FTIR光谱显示A. caatinguensis FuCho和C. elegans FuCho均具有特征吸收带（OH/NH伸缩、酰胺I、II、III等），计算DD分别为85%和75%。TGA/DSC曲线显示两步降解：初始吸热（~97°C，水分蒸发）和高温放热（295–315°C，聚合物分解）。XRD图谱在2θ ≈ 9.0°和20.0°出现结晶峰，CI分别为37.93%和36.74%，表明半结晶结构且无残余几丁质。粘均分子量（Mv）分别为1.6×103 g/mol和2.0×103 g/mol，归类为低分子量生物聚合物，高DD和低Mv利于抗菌活性。
**2.4 扫描电镜（SEM）形态表征**
SEM显示两种FuCho表面均无微纤维排列，呈无定形、致密、粗糙且平坦的碎片状区域，与商业甲壳素来源的壳聚糖相比缺乏多孔或层状结构。这种无定形性增强了酸性介质中的溶解性和与微生物膜的离子相互作用。
**2.5 鸡胚绒毛尿囊膜实验（HET-CAM）评估刺激性**
HET-CAM实验中，两种FuCho（10 mg/mL）和阴性对照（0.9% NaCl）均未引起血管收缩、出血或凝血，刺激性评分（IS）为0.0，分类为无刺激性。阳性对照（1% SLS）引发严重刺激（IS 17.74 ± 0.4），确认血管损伤。
**2.6 最低抑菌浓度（MIC）测定**
FuCho对测试的所有病原细菌（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等）和念珠菌（白色念珠菌、克柔念珠菌）均表现出抑制活性，MIC值范围为0.5–5.0 mg/mL。A. caatinguensis FuCho（DD 85%）对多数微生物的MIC低于C. elegans FuCho（DD 75%），表明DD是抗菌活性的主要驱动因素。
**2.7 共聚焦显微镜观察FuCho对细菌形态和膜完整性的影响**
CLSM显示，未经处理的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌呈绿色荧光（SYTO 9，膜完整），而经FuCho处理后出现红色荧光（PI，膜损伤）增加。C. elegans FuCho导致金黄色葡萄球菌细胞密度降低、裂解和脱离；A. caatinguensis FuCho则引起大量细胞聚集和共捕获活/死细胞。对于大肠杆菌，C. elegans FuCho诱导聚集和黄色/橙色复合荧光，A. caatinguensis FuCho导致细胞密度显著降低和脱离。两种FuCho均通过破坏膜完整性导致细胞死亡，但作用模式因菌株和靶标微生物而异。
**讨论与结论**
研究人员总结认为，CSL-GLY混合物作为Mucorales真菌FuCho生产的替代培养基具有显著潜力，这是首次报道该组合应用于FuCho生产。A. caatinguensis和C. elegans在优化条件下获得高产量。FuCho的理化性质（DD、CI、Mv）与文献报道一致，无刺激性，且对致病菌和念珠菌具有广谱抗菌活性，主要通过膜破坏机制实现。研究还强调了DD对抗菌效能的关键作用，以及不同菌株来源FuCho的物种依赖性作用模式。这些结果支持CSL-GLY作为低成本、环保培养基，用于生产具有制药价值的高价值生物聚合物，并凸显了巴西Mucorales菌株的生物技术潜力。
**结论翻译**
可持续基质CSL-GLY被证明可作为毛霉目真菌生产真菌壳聚糖（FuCho）的替代培养基。在九种测试菌株中，从卡廷加生物群落分离的Absidia caatinguensis URM 7156和Cunninghamella elegans UCP 1306在CSL-GLY培养基中表现出最高的壳聚糖产量。培养基中这些底物的浓度影响壳聚糖产量，其中Absidia caatinguensis URM 7156在含4% CSL、2% GLY的培养基中获得最高比产量，Cunninghamella elegans UCP 1306在含1.18% CSL、2% GLY的培养基中获得最高比产量。据研究人员所知，这是首次报道CSL-GLY混合物作为毛霉目真菌FuCho生产的营养源。此外，FuCho对致病细菌和念珠菌种类表现出抑制效果，通过在体外实验中引起大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细胞损伤和膜破坏，同时对哺乳动物黏膜无刺激性潜力。
