Insect symbionts as valuable grist for the biotechnological mill: an alkaliphilic silkworm gut bacterium for efficient lactic acid production

昆蟲共生作為寶貴的糧食的生物技術：一個堿親蠶腸道細菌有效生產乳酸

來源：Applied Microbiology and Biotechnology (2018) 102:4951–4962

 

一、論文摘要

本研究從家蠶（Bombyx mori）幼蟲腸道（pH > 10）中分離出一株堿性適應菌——Enterococcus mundtiiEMB156，它能高效生產乳酸，而乳酸是工業上生產生物塑料聚乳酸的重要前體。EMB156在堿性條件下生長良好，并能穩定地將多種碳源（如葡萄糖和淀粉）轉化為乳酸，這為下游發酵過程提供了優勢。通過單分子實時（SMRT）測序技術，獲得了EMB156的完整基因組序列（3.01 Mbp），揭示了與乳酸發酵相關的關鍵基因，如糖酵解途徑和淀粉酶基因。酶活性測定顯示，其淀粉酶在高溫下保持穩定，這解釋了菌株在堿性環境中的強生長能力。這些發現表明，通過極端堿性條件（如鱗翅目昆蟲腸道）篩選，能高效發現有價值的乳酸生產細菌，為生物技術應用提供新資源。

二、研究目的

本研究的主要目的是從昆蟲共生微生物中篩選和鑒定能高效生產乳酸的菌株，特別是適應堿性環境的菌株，以支持生物塑料的可持續生產。具體目標包括：

 

從家蠶腸道中分離和鑒定堿性適應細菌。

評估這些細菌在堿性條件下的生長和乳酸生產能力。

通過基因組學分析揭示乳酸發酵的分子機制。

 

探索昆蟲共生微生物作為工業生物技術資源的潛力。

 

三、研究思路

研究采用多學科方法，結合微生物學、生理學和基因組學：

 

樣本采集與處理：從家蠶幼蟲腸道中分離微生物，使用Enterococcus選擇性培養基和Brain Heart Infusion培養基。

環境參數測量：使用丹麥Unisense微電極精確測量腸道各區域的pH值（Fig. 1b），確認極端堿性環境（pH > 10）。

 

細菌鑒定：通過16S rRNA基因測序和系統發育分析（Fig. 2）鑒定分離的菌株，確定E. mundtiiEMB156為主要共生體。

 

生理特性測試：在控制pH的培養基中測試EMB156的生長和乳酸生產（Fig. 4, Fig. 5），并比較其他分離菌株的乳酸產量（Fig. 3）。

 

 

 

基因組測序與分析：使用PacBio SMRT測序技術獲得完整基因組，進行功能注釋（Table 2, Fig. 6），識別與乳酸發酵相關的基因。

 

 

 

酶活性測定：測量淀粉酶活性在不同pH下的穩定性（Fig. 8b），以解釋菌株的堿性適應性。

 

四、測量的數據、來源及研究意義

研究測量了多方面的數據，這些數據及其研究意義如下（數據來源于文中圖表）：

 

腸道pH值（數據來自Fig. 1b）：使用Unisense微電極測量家蠶腸道前、中、后區域的pH，平均值為10.5。研究意義：確認了腸道極端堿性環境，為分離堿性適應菌提供生態背景，并模擬工業堿性預處理條件，增強菌株的工業應用潛力。

細菌分離與鑒定（數據來自Table 1）：從家蠶腸道分離出多種細菌，包括E. mundtii、E. faecalis等，其中E. mundtiiEMB156分離頻率最高（100%）。研究意義：E. mundtii是家腸道的核心共生體，適應堿性環境，是乳酸生產的理想候選。

 

乳酸產量比較（數據來自Fig. 3）：EMB156在葡萄糖培養基中生產22 g/L乳酸，顯著高于其他分離菌株（6.5-8.5 g/L）。研究意義：EMB156是高效的乳酸生產者，具有工業應用價值。

pH對生長和乳酸生產的影響（數據來自Fig. 4, Fig. 5）：EMB156在pH 8-10下生長更好，生物量更高；乳酸產量在初始pH 8時最高（23 g/L）。研究意義：菌株在堿性條件下保持高乳酸產率，減少發酵過程中的污染風險，降低控制pH的成本。

基因組特征（數據來自Table 2, Fig. 6）：基因組大小3.01 Mbp，GC含量38.5%，包含2956個蛋白編碼基因、65個tRNA基因和6個rRNA操縱子。關鍵基因包括糖酵解途徑酶、淀粉酶和木糖異構酶。研究意義：基因組注釋揭示了乳酸發酵的完整代謝途徑，支持菌株的代謝靈活性和高效乳酸生產。

 

酶活性穩定性（數據來自Fig. 8b）：淀粉酶活性在pH 7-10下保持穩定，無明顯下降。研究意義：酶在高溫下的穩定性解釋了菌株在堿性環境中的生存和生長能力，為工業發酵提供酶學基礎。

 

五、結論

 

E. mundtiiEMB156是從家蠶腸道分離的堿性適應菌，能高效生產乳酸（光學純度99.1%），在pH 8-10下生長良好且乳酸產量高。

基因組分析顯示其具有完整的乳酸發酵途徑，包括糖酵解和淀粉降解基因，支持其代謝靈活性。

酶活性在高溫下穩定，表明其適應堿性環境的機制，便于在工業堿性預處理過程中應用。

 

昆蟲共生微生物是寶貴的生物技術資源，通過極端堿性條件篩選能高效發現具有工業價值的菌株。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義

丹麥Unisense微電極在本研究中用于精確測量家蠶腸道各區域的pH值（Fig. 1b）。測量結果顯示，腸道pH高達10.5，尤其是中部區域，這是極端堿性環境。這種高精度測量（電極尖端直徑20-30 μm）確保了數據的可靠性和空間分辨率。

研究意義包括：

 

生態適應性驗證：測量數據直接證實了家蠶腸道為極端堿性環境，解釋了為什么EMB156等菌株能適應這種條件。這為分離堿性適應菌提供了科學依據，并強調了昆蟲共生微生物在獨特環境中進化出的特殊特性。

工業應用鏈接：腸道的高pH環境模擬了工業中常用的堿性預處理過程（如木質纖維素生物質的處理）。因此，從這種環境分離的菌株自然適應工業條件，減少在發酵過程中調整pH的需求，降低成本和復雜性。

技術優勢：Unisense電極的高靈敏度和微尺度測量能力允許對微小腸道區域進行原位pH mapping，避免了傳統方法可能帶來的樣本擾動。這增強了數據的真實性，為后續微生物培養和實驗設計提供了準確的環境參數。

 

創新篩選策略：基于pH測量結果，研究者提出從極端堿性環境（如鱗翅目昆蟲腸道）篩選乳酸生產菌的策略，這能高效發現具有工業潛力的菌株，避免盲目篩選。

 

總之，Unisense電極的數據不僅描述了腸道環境，還指導了整個研究方向，突出了昆蟲共生微生物作為生物技術資源的價值，并為工業發酵菌株的篩選提供了新思路。