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    天津大學仰大勇團隊:電紡微纖維包覆微生物實現微生物的室溫儲存

     
    發布日期:2018-10-25
     

    室溫儲存和運輸微生物可最大限度地提高醫療、能源和環境中微生物的作用。最近,已經開發了基于紙的生物技術,使得能夠室溫存儲各種非活生物體系,例如診斷設備和無細胞系統。傳統上微生物的儲存和運輸通常需要冷鏈、特殊設備和復雜的加工方法,這些方法通常昂貴、技術要求高、人力密集或受到生物安全法規的限制。

    近日,天津大學仰大勇課題組利用靜電紡絲技術構建了包覆微生物的微纖維非織造紙(MEM),不同于之前報道的是,他們在商用紙固定了非活性生物試劑;相反,該課題組是將微生物封裝在微纖維內。研究者通過含有凸起區域的靜電紡絲非織造紙實現活微生物的室溫儲存,所述凸起區域由具有密集分布的微生物的卷曲微纖維組成。在靜電紡絲后,微生物被包封到微纖維中并完好無損,且微生物可以在室溫下保存較長時間。該研究以聚(環氧乙烷)(PEO)作為聚合物基質,甘油(GL)和右旋糖酐用作添加劑。大腸桿菌和釀酒酵母細胞在室溫時間分別延長至2天和7天,達到室溫存儲的最長時間。

    根據需要,可以通過添加水來活化微生物,并用于直接培養微生物。此外,該課題組還進一步研究了微生物活性和儲存機制,發現微纖維的拓撲結構、電紡過程中滲透環境的劇烈變化以及微纖維內微量水分是影響微纖維活性的三個因素。研究結果表明,基于微纖維的策略適用于固體配方中原核微生物和真核微生物的室溫存儲。此外,通過自下而上策略構建的微生物/聚合物復合物結構代表了新型生物材料,這對于新的生物醫學應用具有巨大潛力。


    方案1. 微生物室溫儲存和運輸的微纖維策略示意圖。(a)通過瞬時干燥過程封裝微生物的電紡微纖維的制備方案。(b)微生物以紙張形式儲存,可在室溫下儲存和運輸,例如空運到世界任何地方。(c)根據需要,微生物被活化并通過加水進一步培養。


    圖1. MEM中大腸桿菌的形態和活性。MEM由20% PEO/5%Gl/0.4%右旋糖酐/大腸桿菌分散體制備而成。(a-c)靜電紡絲過程的數碼照片。(d-f)光滑區域的熒光和SEM圖像。羅丹明B(紅色)用于染色微纖維和大腸桿菌細胞表達GFP(綠色)。(g-i)凸起區顆粒團聚體的熒光、掃描電鏡和三維掃描圖像。(j) 在PEO/大腸桿菌不同組分分散液中大腸桿菌的生長曲線。(k)電紡后,MEM立即被稀釋100倍置于瓊脂板的數碼照片。


    圖2. 采用不同PEO/大腸桿菌體系制備的MEM的室溫貯存。(a-d) CFU在不同PEO/大腸桿菌系統中存儲時間的函數。(e-h)在不同存儲時間,含有不同MEMs瓊脂板的數碼照片。(a,e)20%PEO/大腸桿菌。(b,f) 20% PEO/5%Gl/大腸桿菌,(c、g)20%PEO / 0.4%右旋糖酐/大腸桿菌,(d,h) 20% PEO/5%Gl/0.4%右旋糖酐/大腸桿菌。


    圖3. 微生物室溫貯存的機理。(a)平衡微纖維拓撲結構、滲透環境、微纖維內部含水量和微生物活性的方案。(b)通過引入甘油形成顆粒團聚體的方案。(c)密集卷曲微纖維的熒光圖像。(d)引入右旋糖酐制備兩相結構微纖維的工藝方案。(e)微生物包封在具有兩相結構的微纖維的熒光圖像。(f)不同PEO/大腸桿菌系統的CFU與存活率曲線。(g)以PEO/Gl/大腸桿菌的MEMs為基礎,計算不同甘油含量對CFU和含水率的影響,常溫貯藏時間為6h。(h)不同PEO/大腸桿菌的MEMs對CFU和含水量的影響,室溫貯藏時間為6小時。


    圖4. 微生物常溫保存MEM的通用性。(a-c)使用20%PEO/5%Gl/0.4%右旋糖酐/大腸桿菌MEM存儲多種同源大腸桿菌,貯藏時間為48h。(a)含MEM瓊脂板的數碼照片。(b) MEM的熒光圖像。(c) MEM的激光掃描共聚焦顯微鏡圖像。(d-f)釀酒酵母細胞室溫貯藏。(d)不同MEMs中CFU作為存儲時間函數的圖。(e) 在不同的存儲時間,20%PEO/S 釀酒酵母細胞MEM瓊脂板的數碼照片。(f) 在不同的存儲時間,20%PEO/5%Gl/0.4%葡聚糖/S釀酒酵母細胞MEM瓊脂板的數碼照片。

    總之,該研究提出的基于微纖維的方法有以下主要優勢:1)所有工藝,包括制造、儲存和運輸都在室溫下進行,避免了冷鏈;2)將微生物封裝在微纖維內,作為紙張形式,避免液體形式造成潛在的生物安全問題;3)只涉及靜電紡絲(簡單的儀器和工藝),避免了龐大的設備和復雜的加工過程。因此,微纖維/微生物復合結構將為生物材料和器件的設計提供新的思路。

     
     
     

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