学术动态

近日，中南林业科技大学稻谷及副产物深加工国家工程研究中心林亲录教授、李江涛副教授团队在国际著名期刊《Advanced Materials》（Q1, IF=27.4）在线发表题为“Synergistic Genetic and Chemical Engineering of Probiotics for Enhanced Intestinal Microbiota Regulation and Ulcerative Colitis Treatment”的研究论文。中南林业科技大学食品科学与工程学院2020级硕士研究生江佳妮以及华南理工大学生物科学与工程学院副教授马毅为共同第一作者；稻谷及副产物深加工国家工程研究中心林亲录教授、李江涛副教授以及华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授为论文共同通讯作者；中南林业科技大学为第一通讯单位。

溃疡性结肠炎（UC）作为一种慢性、非特异性肠道炎症性疾病，其发生发展与肠道菌群失衡密切相关。传统治疗手段存在副作用显著、复发率高以及难以根治等问题。尽管活菌疗法（LBT）通过工程化微生物调控肠道微生态，展现出独特优势。然而，口服递送过程中细菌存活率低、定植能力弱以及治疗目标不明确等瓶颈制约了其疗效。

针对这一挑战，​稻谷及副产物深加工国家工程研究中心基于大米深加工技术优势，创新性地开发了以大米淀粉为核心的工程菌递送系统，为UC治疗提供了高附加值解决方案。本文通过整合基因工程与化学工程方法，将益生菌改造为“超级特洛伊木马”和“细胞工厂”以有效治疗UC。本研究旨在为两项核心创新提供概念验证：(i) 利用外源强化策略提高口服细菌的功效；(ii) 应用基因工程实现更强的肠道菌群调控。细菌疗法的疗效在很大程度上取决于疾病部位活细菌的浓度。细菌表面的化学修饰可以大大提高它们对各种环境压力的抵抗力。而这种外源强化策略中载体材料的选择是一项极具挑战性的任务，除了考虑成本外，用于输送益生菌的载体材料必须是可食用的（如：蛋白质、脂质和多糖等）、生物相容好的、并具备良好的保留/保护/释放能力的。淀粉是一类常见的植物多糖，通常从谷物（如：水稻）中分离和提取得到。本研究中，大米淀粉因安全、无毒、带负电荷，能通过静电作用与带正电荷的化合物在细菌表面形成屏障层而被选为细菌化学工程的封装材料。然而，天然大米淀粉具有不溶于水且热稳定性差等特性，从而限制了它们的应用。因此，作者通过普鲁兰酶脱支和过氧化氢氧化连续处理大米淀粉制备脱支/氧化大米淀粉，然后以大肠杆菌Nissle 1917（EcN）为模型，利用氧化淀粉（OS）的物理屏障效应和聚乙烯亚胺（PEI）的亲质子效应，通过静电/氢键作用一步法开发出聚电解质复合涂层。同时，引入质粒使EcN::mcmA过量表达抗菌肽MccM，增强EcN对病原菌的抗菌能力。MccM能够与铁元素结合，并被病原菌感知为铁载体，使其主动吸收，继而作用于细菌外膜，导致细菌死亡。该研究结合化学与合成生物学，提出了一种安全、有效的UC细菌疗法潜在方案。同时系统地探究了脱支/氧化大米淀粉作为功能性纳米载体用于益生菌纳米封装的可行性，为淀粉基材料在水环境中的应用提供新的借鉴；也为今后开发预防和控制慢性疾病的益生菌类特医食品提供参考。

研究亮点

l  协同创新策略：结合基因与化学工程改造益生菌，提升其调节肠道菌群和治疗UC的效力。

l  化学工程增强细菌存活：开发一种水溶性淀粉基纳米载体，用于在细菌表面自组装成聚电解质复合涂层，显著增强益生菌胃肠道存活率。

l  基因工程实现靶向抗菌：通过基因改造益生菌实现菌群精准调控，恢复微生态平衡，为菌群失调相关疾病治疗提供新思路。

研究结论

以绿色的改性手段制备一种安全性好、水溶性佳的淀粉基载体材料——脱支/氧化大米淀粉（OS₃₀）。脱支-氧化连续处理过程中普鲁兰酶首先选择性地水解 α-1,6 糖苷键，从而增加线性短链淀粉的比例。随后的氧化过程通过自由基驱动反应在淀粉葡萄糖单元的 C-2、C-3 或C-6 位置引入羧基，破坏氢键并部分降解结晶区域，从而增强亲水性并产生静电排斥力，以有效防止淀粉聚集。同时，氧化过程造成的链断裂进一步降低了淀粉分子的分子量。分子量和结晶度的降低以及羧基引起的静电斥力的共同作用抑制了淀粉的再结晶和聚集，从而提高了溶解度和溶液稳定性。与天然大米淀粉相比，OS₃₀的水溶性（从 4.5% 提高到 94%）和溶液稳定性显著提高，其绝对分子量为 3.613 kDa，相对结晶度为 26.54%，平均链长为 15.12，羧基含量为 1.89% ± 0.025。

提出一种整合基因工程与化学工程的新策略，以精准调节肠道菌群并推动UC的LBT发展。该策略利用生物和化学工具对EcN进行了两种关键的改造（EcN::mcmA@P/O）：(i) 基因重编程，以实现抗菌肽MccM的持续生产；(ii) 应用聚电解质复合涂层封装。这种双重工程框架使EcN::mcmA@P/O能够抵御胃肠道恶劣环境，显著提高其在胃肠道的存活率（胃部40倍，小肠74倍）。同时使工程益生菌充当“超级特洛伊木马”和“活细胞工厂”，原位持续输送MccM。MccM通过“特洛伊木马”机制靶向并结合细菌TonB依赖的外膜受体，破坏其细胞膜。在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠UC模型中，EcN::mcmA@P/O有效重塑了肠道菌群，显著减轻炎症并恢复微生态平衡。重要的是，该平台的技术优势不限于疗效。其基因回路的模块化设计便于替换抗菌剂，从而适应物种特异性抗菌靶标，实现定制化治疗应用。

本研究为大米淀粉的高端医疗应用开辟了新路径，彰显了稻谷资源在生物医学领域的独特价值。