Development, characterization and application of 3D printed adsorbents for in situ recovery of taxadiene from microbial cultivations
- 作者
- Giuseppe Rafael Galindo-Rodriguez, M. Sulaiman Sarwar, Leonardo Rios-Solis, Simone Dimartino
- 单位
- Institute for Bioengineering, School of Engineering, The University of Edinburgh; Centre for Engineering Biology, The University of Edinburgh
- 杂志
- Journal of Chromatography A（2024）
- DOI
- 10.1016/j.chroma.2024.464815
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微生物细胞工厂生产高价值天然产物时，下游产品回收成本高（占总生产成本高达80%），传统吸附珠（如Diaion HP-20）存在剪切应力损伤细胞、磨损降解等问题，缺乏可定制化的高效吸附材料。
研究策略
利用数字光处理（DLP）3D打印技术，以甲基丙烯酸苄酯（BEMA）和甲基丙烯酸丁酯（BUMA）为功能单体，通过调节致孔剂种类和浓度调控孔径，制备疏水性整体式吸附剂，用于在酿酒酵母培养中原位回收紫杉二烯，并与商业Diaion HP-20珠进行比较。
核心内容
本研究利用数字光处理（DLP）3D打印技术，以甲基丙烯酸苄酯和甲基丙烯酸丁酯为功能单体，通过调节致孔剂浓度（30%–60% v/v）及共致孔剂比例，制备了孔径可在26至149纳米间调控的疏水性整体式吸附剂（Schoen gyroid结构），用于酿酒酵母培养中紫杉二烯的原位回收。研究发现含40%致孔剂的BEMA40吸附性能最优，其对Sudan 1和紫杉醇的吸附平衡常数分别为416.5和32.3。在5毫升酵母培养中，BEMA40使紫杉二烯滴度达46±2 mg/L，与商业Diaion HP-20（54±4 mg/L）相当，且细胞和上清液中几乎检测不到残留产物，表明近100%被吸附；同时吸附剂加入对细胞生长无显著影响。尽管Diaion HP-20比表面积为BEMA40的16.6倍，但其吸附常数仅为后者的3.2至9.6倍，说明3D打印材料具有更高的比表面积利用效率。该工作首次将3D打印技术用于微生物培养中的疏水产物原位回收，展示了可定制形状、适配不同反应器且不堵塞取样口等优势，为降低下游加工成本提供了新方案。
创新点
['首次将3D打印技术用于制造疏水吸附材料并应用于微生物培养中紫杉二烯的原位回收', '通过调整致孔剂浓度（30%-60% v/v）和共致孔剂比例实现孔径从26 nm到149 nm的调控', '3D打印吸附剂采用Schoen gyroid结构，可定制形状以适应不同生物反应器，不堵塞取样口和色谱柱，后处理更简便']
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉二烯（taxadiene）生物合成途径 | TASY (taxadiene synthase) | TASY | 催化 | 工程菌株LRS5中整合了GAL1p驱动的TASY-GFP，以及MBP-TASY-ERG20融合蛋白 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异戊二烯/萜类前体途径（MVA途径） | ERG20 | 法尼基焦磷酸合酶（FPPS） | 催化 | 与TASY融合过表达以增强紫杉二烯前体供应 |
| — | 紫杉二烯生物合成 | — | 紫杉二烯合酶（taxadiene synthase） | 催化 | 由TASY基因编码，催化GGPP环化生成紫杉二烯 |
| 体外材料 | — | — | BEMA（甲基丙烯酸苄酯）聚合物 | 区室化 | 3D打印吸附材料的功能单体，提供苯环疏水作用位点 |
| 体外材料 | — | — | BUMA（甲基丙烯酸丁酯）聚合物 | 区室化 | 辅助单体，增强疏水性 |
| 体外材料 | — | — | SR399（二季戊四醇五丙烯酸酯） | 区室化 | 交联剂，占40% v/v |
| 体外材料 | — | — | Diaion HP-20 | 区室化 | 商业聚苯乙烯-二乙烯基苯吸附树脂，作为对照 |
| 体外材料 | — | — | Schoen gyroid结构 | 区室化 | 3D打印吸附剂的三维结构单元，宏孔率50%，单元尺寸2 mm，立方体6×6×6 mm |
关键发现
['BEMA40（40% v/v致孔剂）在3D打印材料中对Sudan 1和紫杉醇的吸附能力最高，Sudan 1吸附平衡常数K=416.5±94.7，紫杉醇K=32.3±0.6', 'BEMA40在5 mL酿酒酵母培养中紫杉二烯滴度达46±2 mg/L，与Diaion HP-20（54±4 mg/L）相当，细胞和上清液中未检测到紫杉二烯，表明近100%被吸附', '紫杉二烯在BEMA40和Diaion HP-20上的负载量分别为1.0±0.1和1.2±0.1 mg/mL，无显著差异', '与无吸附剂对照（31±2 mg/L）相比，BEMA40和Diaion HP-20的紫杉二烯浓度显著更高（p=0.001，Tukey检验T=14）', 'BEMA40和Diaion HP-20的加入对细胞生长无显著影响（p=0.72），BEMA40培养的生物量为4.4 g/L，对照组为4.6 g/L', 'Diaion HP-20比表面积（828.38 m²/mL）约为BEMA40（49.96 m²/mL）的16.6倍，但其Sudan 1和紫杉醇的吸附平衡常数仅为BEMA40的3.2倍和9.6倍', '降低致孔剂含量从60%到30% (v/v)使平均孔径从123 nm减小到26 nm，但BEMA30虽比表面积最大，吸附能力最低，表明部分孔不可及']
研究结论
成功通过调节致孔剂组分和浓度3D打印出孔径可控的吸附材料，其中BEMA40在小型酿酒酵母培养中展现出与商业Diaion HP-20相当的紫杉二烯原位回收性能，且不影响细胞生长。3D打印吸附剂具有可定制化、适配多种生物反应器、不堵塞取样口等优势，展现了在生物产品下游加工中的应用潜力。