细菌可以生产人类感兴趣的材料，例如纤维素、丝绸和矿物质。以这种方式生产细菌的优点是可持续，可在室温和水中进行。缺点是这个过程耗时，而且产量太小，无法用于工业用途。

因此，研究人员一直在尝试将微生物变成活体微型工厂，以便能够更快速地生产大量所需产品。这需要对基因组进行有针对性的干预，或培养最合适的细菌菌株。

苏黎世联邦理工学院复合材料教授 André Studart 领导的研究小组提出了一种新方法，利用生产纤维素的细菌 Komagataeibacter sucrofermentans。

遵循自然选择进化的原理，新方法使科学家能够非常快速地产生数以万计的细菌变种，并选出产生最多纤维素的菌株。

K. sucrofermentans 天然产生高纯度纤维素，这种材料在生物医学应用以及包装材料和纺织品的生产中需求量很大。这种纤维素的两个特性是它有助于伤口愈合和预防感染。

“然而，细菌生长缓慢，产生的纤维素数量有限。因此，我们必须找到一种方法来提高产量，”Studart 团队的博士生、这项研究的第一作者 Julie Laurent 解释说，这项研究已发表在科学期刊PNAS上。

她开发的方法成功生成了少量的Komagataeibacter 变种，这些变种产生的纤维素比原始形式多出 70%。

利用紫外线加速进化

材料研究人员首先必须创造自然界中原始细菌的新变种——即野生型。为此，Julie Laurent 对细菌细胞进行了辐照，这会破坏细菌 DNA 的随机点。然后，她将细菌放在暗室中，以防止 DNA 损伤的任何修复，从而诱发突变。

然后，她使用微型仪器将每个细菌细胞封装在一小滴营养液中，并让细胞在特定时间内产生纤维素。孵化期结束后，她使用荧光显微镜分析哪些细胞产生了大量纤维素，哪些细胞没有产生或产生很少的纤维素。

借助苏黎世联邦理工学院化学家 Andrew De Mello 团队开发的分选系统，Studart 团队自动分选出那些进化出大量纤维素的细胞。该分选系统完全自动化，速度非常快。

只需几分钟，它就能用激光扫描 50 万个液滴，挑选出纤维素含量最高的液滴。最后只剩下四个液滴，它们产生的纤维素比野生型多 50% 到 70%。

进化的 K. sucrofermentans 细胞可以在空气和水的交界处的玻璃瓶中生长并产生纤维素垫。这种垫的自然重量在 2 到 3 毫克之间，厚度约为 1.5 毫米。新进化变种的纤维素垫几乎是野生型的两倍重和厚度。

Julie Laurent 和她的同事还对这四种变体进行了基因分析，以找出哪些基因被 UV-C 光改变了，以及这些变化如何导致纤维素的过量生产。这四种变体都在同一基因中发生了相同的突变。该基因是蛋白质降解酶(蛋白酶)的蓝图。

然而，令这位材料研究人员惊讶的是，直接控制纤维素生产的基因并没有改变。“我们怀疑这种蛋白酶会降解调节纤维素生产的蛋白质。没有这种调节，细胞就无法停止这一过程，”研究人员解释说。

这种新方法用途广泛，可以应用于生产其他材料的细菌。这种方法最初是为了制造生产某些蛋白质或酶的细菌而开发的。

“我们是第一个使用这种方法来提高非蛋白质材料产量的人，”ETH 教授 André Studart 表示。“对我来说，这项工作是一个里程碑。”

研究人员已为该方法和变异的细菌变体申请了专利。

下一步，他们希望与生产细菌纤维素的公司合作，在真实的工业条件下测试这种新的微生物。