塑料污染，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），因其难以降解而成为日益严重的环境问题。酶法PET回收（PET biodegradation）提供了一种将塑料废物解聚为单体（terephthalic acid， TPA；ethylene glycol， EG）的可持续途径，有望实现闭环循环。然而，该技术的一个关键瓶颈在于PET水解酶（如本研究中的PHL7mut3）的生产过程。这些酶对常用宿主（如大肠杆菌E. coli）具有细胞毒性（cytotoxicity），在生产过程中会引发广泛的细胞裂解（cell lysis）。这导致宿主细胞DNA和蛋白质大量释放到发酵液中，引起发酵液粘度剧增、泡沫过度产生、氧传递效率降低，并给下游的过滤、离心等处理步骤带来巨大困难，严重限制了高效、规模化生产。
为了解决这一挑战，由Lisa Fohler等研究人员在《New Biotechnology》上发表的研究论文，探索了两种创新策略来稳定这一“麻烦”的生产过程：一是直接向发酵液中添加纯化的核酸酶（Nuclease， 本研究使用NucA）来降解释放的DNA；二是更巧妙的思路——将生产PET酶的菌株和生产核酸酶的菌株进行共培养（Co-cultivation）。为了防止在共培养中，生长更快的菌株占据优势，研究团队还采用了生长解耦表达系统（growth-decoupled expression system），在诱导生产时暂停细胞生长，从而稳定两种菌株的比例。
研究人员为了验证这些策略，运用了多项关键的技术方法。他们使用了能够进行生长解耦表达的E. coli enGenes eXpress V2工程菌株作为宿主，分别构建了表达PET水解酶变体PHL7mut3和表达带有pelB信号肽的核酸酶NucA的菌株。研究在DASGIP®生物反应器系统中进行了1.8升规模的发酵实验，对比了不添加NucA、添加纯化NucA以及以不同接种比例（20%、5%、1%、0.5% NucA菌株）进行共培养等多种条件。通过对发酵过程（如搅拌速度、消泡剂用量）和发酵液样本（如DNA含量、粘度、细胞沉降速度）的系统分析，以及PET薄膜重量损失测定酶活性、SDS-PAGE分析蛋白表达和显微镜观察细胞形态等技术，全面评估了不同策略的效果。
研究结果
Preserved or Enhanced PETase Activity （保持或增强的PET酶活性）
通过PET薄膜重量损失实验发现，与不添加核酸酶的对照（90%降解率）相比，共培养1%和0.5% NucA菌株的实验组，其发酵上清液的PET降解率更高（93-98%），表明PET酶活性得到保持甚至增强。而含有20% NucA菌株的组别则因资源竞争导致PET酶产量下降。SDS-PAGE和滴度测定结果与活性数据一致。同时，所有含有NucA（无论是添加还是共培养）的发酵液在离心后都表现出更好的固液分离效果。
Improved Broth Clarity and Rheology （改善的发酵液澄清度与流变学特性）
对发酵上清液的检测表明，含有NucA（共培养或添加）的反应器中，胞外DNA含量在整个过程中都维持在很低的水平；而不含NucA的对照反应器，其DNA含量则持续上升。相应地，不含NucA的发酵液粘度在诱导后显著增加（从3 mPas升至10 mPas），而含有NucA的发酵液粘度则始终保持稳定。同时，含有NucA的发酵液中颗粒的沉降速度在诱导后增加，这有利于下游分离。
Cell Aggregation Enhances Settling Velocity （细胞聚集提升沉降速度）
显微镜观察揭示了有趣的现象：在含有NucA的发酵液中，诱导后6小时和10小时的样本出现了明显的细胞聚集现象，而在不含NucA的对照中，细胞则保持分散状态。这种由NucA诱导的细胞聚集，部分解释了为何在粘度稳定的情况下，细胞沉降速度反而会提高。
Nuclease Improves Fermentation Control （核酸酶改善发酵控制）
在线过程数据清晰地显示了NucA的益处。不含NucA的反应器需要更高的搅拌速度来维持溶解氧（DO）设定点，表明其发酵液粘度高、氧传递效率差。而含有NucA（无论是添加还是共培养）的反应器，其搅拌速度要求显著更低。在消泡剂使用方面，不含NucA的反应器在整个生产阶段持续需要添加消泡剂，总消耗量（14.8 mL）比含有NucA的反应器（约9.7-10 mL）高出约30%。这表明NucA通过降解DNA，有效缓解了泡沫问题，提升了发酵过程的稳定性和可控性。
结论与讨论
本研究证实，在PET酶生产过程中，细胞裂解是导致发酵液粘度增加、泡沫形成和下游处理性能下降的主要原因。研究成功证明，无论是添加纯化NucA还是采用共培养策略，都能有效缓解这些负面影响。特别是低比例（如0.5%和1%）的NucA菌株共培养，能够在不过度竞争资源、不影响目标PET酶（PHL7mut3）产量和活性的前提下，分泌足够的活性NucA来维持发酵过程的稳定。这一策略不仅降低了发酵液粘度、减少了消泡剂依赖、改善了氧传递和细胞沉降，还略微提升了PET酶的降解活性。
这项研究的重要意义在于，它提供了一种简单、经济且可扩展的解决方案，以应对工业化生产易裂解重组蛋白（如PET水解酶）时普遍面临的挑战。与在单一菌株中共表达（Co-expression）核酸酶相比，共培养策略避免了额外的代谢负担（metabolic burden），菌株比例易于优化，且无需对现有生产菌株进行复杂的遗传改造。与直接添加昂贵的纯化核酸酶相比，共培养显著降低了生产成本。该研究首次展示了通过低比例共培养实现活性核酸酶分泌，以缓解细胞裂解并稳定蛋白质生产的可行性，为生物制造领域，尤其是用于生物塑料降解、治疗性蛋白生产等领域的“棘手”酶类的规模化发酵工艺开发，开辟了新的思路，突出了共培养策略在提高工业酶发酵稳健性和效率方面的巨大潜力。
