基因组分析揭示了Komagataeibacter intermedius FM883耐酸性和纤维素生产机制的奥秘

《Food Bioscience》：Genome analysis insights into mechanisms of acid tolerant and cellulose production of Komagataeibacter intermedius FM883

　　

郑美霞|刘阳|侯国华|郑宝东|朱玉静|张龙涛

福建农林大学食品科学学院，福州350002，中国

摘要

食品级细菌纤维素（BC）是食品工业中一种有前景的功能性生物聚合物；然而，其在工业相关基质中的生产率经常受到酸应激的阻碍。在这项研究中，我们分离出一种源自康普茶的菌株Komagataeibacter intermedius FM883，并评估了其在酸性橙汁中的表现。基因组分析显示该菌株具有五个纤维素合成酶操纵子、多样的碳利用途径以及强大的耐酸系统，这些共同促进了其在低pH条件下的BC生物合成。基于基因组的安评针对VFDB和CARD数据库的检测未发现已知的毒力因子或可转移的抗生素抗性基因，这支持了其在食品相关应用中的潜力。与这些基因组特征一致，FM883在pH 3.0–6.0的广泛酸性范围内保持了生长和BC的产生。在酸性橙汁中，FM883在7天的发酵后产生了1.342 ± 0.092克/升（干重）的BC，同时将pH值从3.35降低到2.78。结构表征证实，从橙汁中提取的BC（BC-OJ）保留了典型的纤维素Iα特征，并在所有测试的碳源中表现出最高的结晶度。这些发现确立了FM883作为一种基因组明确的耐酸BC生产菌株的地位，并突显了其在可持续生产富含BC的酸性饮料和食品级纤维素生物材料方面的潜力。

引言

细菌纤维素（BC）最早由Adrian J. Brown在1886年在Komagataeibacter xylinus中鉴定出来（Zheng等人，2022年）。1992年，美国食品药品监督管理局（FDA）将BC指定为“普遍认为安全”的物质，使其能够被纳入许多FDA批准的产品中，这得益于其良好的材料特性（Cazón & Vázquez，2021年）。许多细菌菌株都能合成BC，包括Komagataeibacter、Acetobacter、Gluconacetobacter和Gluconobacter（Li, Wang等人，2022年）。其中，Komagataeibacter属菌株被广泛认为是最有效的BC生产菌株（Ryngaj??o等人，2024年）。尽管Komagataeibacter属菌株具有高效的纤维素生物合成能力，但它们在产量和菌膜特性方面存在显著差异。这些差异取决于具体的菌株和培养参数，包括通气、碳源、温度、pH值和培养时间（Manan等人，2022年）。特别是在酸性食品基质中遇到的低pH条件会带来严重的酸应激，这会降低BC的生产率，并限制BC生产菌株在食品发酵中的应用。

BC是一种由葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性均聚糖（Sumini等人，2025年）。在细胞水平上，BC的生产遵循“聚合-输出-结晶”的典型顺序（Tajima等人，2022年）。纤维素合成酶复合体通过BcsA/B将UDP-葡萄糖转化为β-(1→4)葡聚糖链，其活性受到环二鸟苷单磷酸（c-di-GMP）的刺激（Li, Wang等人，2022年）。新形成的链通过BcsC转运穿过细胞膜，随后由周质因子（BcsZ/BcsD）处理和对齐，在细胞表面形成纤维素I微纤维（Sumini等人，2025年；Manan等人，2022年）。在基因组水平上，Komagataeibacter通常携带多个具有不同基因组成和序列差异的< />操纵子（Ryngaj??o等人，2019年）。这种模块化被认为有助于根据条件控制纤维素的产量和菌膜结构。

尽管最近在分离高产BC菌株、优化发酵过程以及解码其基因组方面取得了进展，但在高性能工业菌株中关键的基因型-表型相关性仍未解决。菌株FM883在测试条件下表现出遗传稳定性和高BC生产率（Zheng等人，2022年）。然而，其< />操纵子的配置、相关的调控机制以及将碳转化为UDP-葡萄糖的前体途径尚未得到系统研究。最近的比较基因组分析揭示了Komagataeibacter内部的巨大多样性，强调了将基因组特征与单个菌株的BC生产能力和耐受性联系起来的必要性（Akhoon等人，2025年；Manan等人，2022年）。全基因组测序结合比较基因组分析为研究K. intermedius中与BC生物合成和环境适应相关的基因和代谢特征提供了有用的基础。在这项工作中，我们对K. intermedius FM883进行了全基因组测序和比较基因组分析，并进一步结合了碳源利用、耐酸性和BC生产的实验评估。这项研究扩展了目前有限的K. intermedius基因组信息，提供了关于FM883的代谢潜力、环境适应性和食品相关应用价值的见解。它还为基于遗传学的BC生产优化和未来在酸性食品基质中的工艺开发提供了基础。

章节片段

细菌菌株和培养条件

Komagataeibacter intermedius FM883最初从康普茶中分离出来，并存放在福建种质资源中心（Zheng等人，2022年），用于探索其功能特性和进行比较基因组分析。将一个FM883菌落接种并在改良的Hestrin-Schramm培养基（20克/升葡萄糖、1克/升K₂HPO₄、5克/升MgSO₄、2%乙醇（v/v）中培养。在30°C和180 rpm下培养18小时后，进入对数生长阶段

K. intermedius FM883的基因组特征

FM883菌株的基因组包含一个染色体和五个质粒，总长度为3,530,964 bp，GC含量为61.23%（图1）。基因组统计信息总结见表1。该染色体编码3,870个预测的蛋白质编码基因（CDSs），还包括58个tRNA、15个rRNA、23个sRNA和一个CRISPR位点。在Komagataeibacter属中，基因组大小、GC含量、总基因数和蛋白质编码基因数范围分别为2.96至4.47 Mbp、60.0至64.0%、大约2000个

结论

本研究报道了Komagataeibacter intermedius FM883的基因组序列和比较基因组分析，这是一种能够在酸性基质中生产BC的康普茶衍生菌株。FM883的基因组显示了五个< />操纵子、广泛的碳源利用潜力以及多种与耐酸性相关的特征。这些基因组特征与其生理表现一致，因为FM883在pH 3.0–6.0的广泛酸性范围内保持了生长和BC生物合成。

CRediT作者贡献声明

郑美霞：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法学研究、数据分析。刘阳：撰写——审稿与编辑、方法学研究、数据分析。侯国华：撰写——审稿与编辑、方法学研究。朱玉静：撰写——审稿与编辑、资源获取、概念构思。张龙涛：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。郑宝东：资源获取、数据分析、概念构思

Li等人，2022年；Peng等人，2021年。

数据可用性

FM883的完整基因组序列已存放在GenBank中，登录号为JBQTGM010000001（染色体）、JBQTGM010000002（plas1）、JBQTGM010000003（plas2）、JBQTGM010000004（plas3）、JBQTGM010000005（plas4）和JBQTGM010000006（plas5）。数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2101305）的支持。