细菌纤维素
细菌纤维素 性质
细菌纤维素是一种天然的生物高聚物，具有生物活性、生物可降解性、生物适应性，具有独特的物理、化学和机械性能，例如高的结晶度、高的持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等，因而成为近来国际上新型生物医学材料的研究热点。
细菌纤维素（bacterial cellulose, BC）是生物基骨组织工程材料，它是真菌、藻类以及各种细菌（如土壤杆菌属、醋杆菌属、无色杆菌属等）等微生物生长过程中合成的高分子聚合物[7]，具有类EMC的三维纤维网状结构、良好的生物相容性以及出色的机械性能，在骨组织工程领域有着广泛的研究与应用[8]。当前对细菌纤维素已有相当深入的研究，通过扫描电镜（SEM）可以观察到细菌纤维素的三维结构，其具有互联的3D多孔网络结构，该网络由纤维素纳米纤维随机组装而成，具有高长径比，直径为 20～100 nm（图1）。
图1 SEM镜下观察到的细菌纤维素BC
细菌纤维素的合成是一种复杂而精密的生物过程，通常由特定的细菌菌株执行。主要包括醋杆菌属、土壤杆菌属、无色杆菌属、沙门氏菌属、肠杆菌属、埃希氏菌属、假单胞菌属、葡糖醋杆菌属等，其中木醋杆菌的纤维素合成能力最强，是研究细菌纤维素合成的模式菌株[10]。
培养条件
大多数细菌纤维素是通过传统的静态发酵技术生产的，其中木醋杆菌可以在30 ℃静态培养箱中的半限定生长培养基的浅容器中生长7～14 d，然后在30 ℃形成厚厚的纤维素薄膜[11]。尽管这是最广泛使用的细菌纤维素生产方法，但其存在培养时间长及成本高等缺点。另外，碳源梯度差异和氧气分布差异会导致纤维素的生产不均匀，震荡培养作为生产细菌纤维素的一种方法，可以有效解决氧气分布不均而致纤维素的生产不均匀这一问题。
产物合成
纤维素的生物合成始于细菌从环境中被动吸收葡萄糖，然后从6-磷酸葡萄糖异构化为1-磷酸葡萄糖。然后该异构体与三磷酸尿苷（UTP）反应，形成尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-葡萄糖），该 UDP-葡萄糖被纤维素合酶A催化成线性1,4葡聚糖链，并被环二鸟苷酸（c-di-GMP）激活。然后这些纤维素链通过细菌细胞壁的孔排出体外，经过进一步的调控和修饰，形成了纤维素微纤维[12]。此外，如果细菌缺乏葡萄糖来源，则会利用果糖合成途径[13]。[1] CHUAN LUO. [New Advances in the Application of Bacterial Cellulose Composite Materials in the Field of Bone Tissue Engineering].[J]. Journal of Sichuan University (Medical Science Edition), 2024, 55 2: 243-248. DOI:10.12182/20240360507.
[2] KENNETH T. WALKER. Self-pigmenting textiles grown from cellulose-producing bacteria with engineered tyrosinase expression[J]. Nature biotechnology, 2024, 43 3: 345-354. DOI:10.1038/s41587-024-02194-3.
细菌纤维素（bacterial cellulose, BC）是生物基骨组织工程材料，它是真菌、藻类以及各种细菌（如土壤杆菌属、醋杆菌属、无色杆菌属等）等微生物生长过程中合成的高分子聚合物[7]，具有类EMC的三维纤维网状结构、良好的生物相容性以及出色的机械性能，在骨组织工程领域有着广泛的研究与应用[8]。当前对细菌纤维素已有相当深入的研究，通过扫描电镜（SEM）可以观察到细菌纤维素的三维结构，其具有互联的3D多孔网络结构，该网络由纤维素纳米纤维随机组装而成，具有高长径比，直径为 20～100 nm（图1）。
图1 SEM镜下观察到的细菌纤维素BC
细菌纤维素形成独特的织态结构及其具有的生物活性、生物可降解性、生物适应性等特性，使其在一些领域广泛应用：
医用材料中的应用：由于良好的生物相容性、湿态时高的机械强度、良好的液体和气体透过性以及抑制皮肤感染，细菌纤维素可作为人造皮肤用于伤口的临时包扎。
在食品工业中的应用：由于细菌纤维素具有很强的亲水性、黏稠性和稳定性，可作为食品成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂、改善口感作为肠衣和某些食品的骨架，已成为一种新型重要的食品基料和膳食纤维。
在造纸工业中的应用：日本在造纸工业中，将醋酸菌纤维素加入纸浆，可提高纸张强度和耐用性，同时解决了废纸回收再利用后，纸纤维强度大为下降的问题。
菌株选择细菌纤维素的合成是一种复杂而精密的生物过程，通常由特定的细菌菌株执行。主要包括醋杆菌属、土壤杆菌属、无色杆菌属、沙门氏菌属、肠杆菌属、埃希氏菌属、假单胞菌属、葡糖醋杆菌属等，其中木醋杆菌的纤维素合成能力最强，是研究细菌纤维素合成的模式菌株[10]。
培养条件
大多数细菌纤维素是通过传统的静态发酵技术生产的，其中木醋杆菌可以在30 ℃静态培养箱中的半限定生长培养基的浅容器中生长7～14 d，然后在30 ℃形成厚厚的纤维素薄膜[11]。尽管这是最广泛使用的细菌纤维素生产方法，但其存在培养时间长及成本高等缺点。另外，碳源梯度差异和氧气分布差异会导致纤维素的生产不均匀，震荡培养作为生产细菌纤维素的一种方法，可以有效解决氧气分布不均而致纤维素的生产不均匀这一问题。
产物合成
纤维素的生物合成始于细菌从环境中被动吸收葡萄糖，然后从6-磷酸葡萄糖异构化为1-磷酸葡萄糖。然后该异构体与三磷酸尿苷（UTP）反应，形成尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-葡萄糖），该 UDP-葡萄糖被纤维素合酶A催化成线性1,4葡聚糖链，并被环二鸟苷酸（c-di-GMP）激活。然后这些纤维素链通过细菌细胞壁的孔排出体外，经过进一步的调控和修饰，形成了纤维素微纤维[12]。此外，如果细菌缺乏葡萄糖来源，则会利用果糖合成途径[13]。[1] CHUAN LUO. [New Advances in the Application of Bacterial Cellulose Composite Materials in the Field of Bone Tissue Engineering].[J]. Journal of Sichuan University (Medical Science Edition), 2024, 55 2: 243-248. DOI:10.12182/20240360507.
[2] KENNETH T. WALKER. Self-pigmenting textiles grown from cellulose-producing bacteria with engineered tyrosinase expression[J]. Nature biotechnology, 2024, 43 3: 345-354. DOI:10.1038/s41587-024-02194-3.