低成本明胶/胶原支架在生物反应器中促进细菌生长的生物技术应用研究

为解决生物反应器中细菌培养效率低下的问题，研究人员开发了基于明胶(GEL)和胶原(COL)的电纺纳米纤维支架。通过优化GEL/COL比例，显著提升了金黄色葡萄球菌(S. aureus)、大肠杆菌(E. coli)和铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)的增殖效率（最高达128%），为生物制药和工业微生物培养提供了经济高效的解决方案。

在生物技术和制药领域，微生物发酵是生产抗生素、酶制剂和重组蛋白的核心工艺。然而，传统培养方法面临两大瓶颈：一是细菌在悬浮液中生长效率有限，二是高成本载体材料制约规模化应用。现有研究多聚焦于抑制细菌生物膜，却忽视了如何通过材料学手段主动调控微生物生长这一关键科学问题。墨西哥国立自治大学与下加利福尼亚自治大学的研究团队另辟蹊径，利用天然高分子材料构建三维培养系统，其成果发表在《Applied Microbiology and Biotechnology》上。

研究采用电纺丝技术制备不同比例的GEL/COL复合纳米纤维，通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)等技术表征材料特性，并系统评估了三种工业菌株在支架上的增殖动力学。特别设计了生物反应器模拟实验，比较静态培养与动态培养的差异。

【材料表征】电纺获得的纳米纤维直径在169-235 nm范围，孔隙率达50%。热重分析显示15%GEL支架在368°C才出现50%质量损失，表明其具备良好的热稳定性。FTIR光谱证实纤维保留了胶原特征性酰胺带（1536 cm^-1），未因电纺破坏分子结构。

【细菌增殖】24小时培养数据显示，15%GEL支架使S. aureus增殖提升128%，E. coli和P. aeruginosa分别增长40%和35%。值得注意的是，低浓度COL(1-10%)更促进E. coli生长（72小时增殖达175%），而高浓度COL反抑制P. aeruginosa，这种菌种特异性响应与细菌表面黏附蛋白（如S. aureus的MSCRAMMs）差异相关。

【生物反应器验证】在动态培养系统中，GEL支架展现出显著优势：S. aureus生物量达到对照组的2.5倍。这种增强效应归因于纳米纤维的高比表面积（>200 m²/g）和胶原提供的赖氨酸残基，二者协同促进细菌定植和营养交换。

该研究首次证实天然高分子支架可定向调控工业菌株生长：GEL通过提供甘氨酸-脯氨酸序列作为氮源，而COL的纤维结构模拟细胞外基质(ECM)，共同创造仿生微环境。相较于传统聚苯乙烯载体，GEL/COL支架具有三大突破性优势：原料成本降低80%、无需氟化溶剂（避免环境毒性）、且降解产物可直接参与代谢循环。

讨论部分特别指出，这种"促生长"型支架将革新生物制造范式：在疫苗生产中可缩短发酵周期，在环境修复中能增强工程菌降解效率。但作者也强调需平衡促生长与污染控制的关系，建议未来研究可尝试负载溶葡萄球菌素等抗菌肽，实现生长-抑制的双重调控。这项跨学科研究为生物反应器设计提供了新思路，同时拓展了海洋源胶原（本研究使用鱼源I型胶原）的高值化应用场景。