研究背景

细菌纤维素（BC）被认为是一种支持可持续发展目标（SDG）的生态友好型生物材料，不同形貌的BC材料已被开发出来以满足特定的应用需求，但目前可控的宏观形态非常有限。BC的球形分支结构是一种更新颖且先进的宏观形式，在定制多功能或多时间释放功能性材料方面具有巨大潜力，但被认为是一种不可控的无规形貌。其分支部分可提供更大的比表面积，实现功能性组分的痕迹、快速和大规模释放，实现快速效果；球形部分高度多孔的纳米结构，可以持续且稳定地以受控方式释放功能性成分。因此，该研究通过谷胱甘肽（GSH）介导的生物合成成功合成了一种新型球形分支BC结构，且发现枝条的长度和数量受GSH浓度调节。通过受控实验和转录组分析，系统性研究了GSH对Komagataeibacter oboediens FHNH23的培养环境和生理状态的影响，进一步阐明了其在BC合成和组装中的作用。

本文要点

BC的宏观形态与GSH的剂量依赖

在GSH浓度为0.2%（w/w）时，BC合成进入从球形向球形分支形态的过渡状态；0.4%-0.6%（w/w）时，BC展现出稳定且规律的球形分支结构；1.2%（w/w）时，尺寸显著减小，形态变得不规则。因此，0.4%-0.6%（w/w）GSH被确定为产生稳定的球形支化BC结构的最佳浓度范围。

GSH影响了BC的纤维直径及其产株

K. oboediens FHNH23的细胞大小

在GSH作用下，BC的纤维直径发生显著变化。GSH浓度低于0.6%（w/w）时，处理组的纤维直径显著小于对照组，而在1.2%（w/w）时，直径显著增加。与对照组相比，所有处理组细胞宽度均显著增加，而除GSH组为1.2%（w/w）外，所有处理组细胞长度均有所减少。此外，GSH处理降低了单个细胞的长宽比，促进了细胞形态向更球形转变。

硫醇基是球形分支BC形态的关键因素

采用了不同含硫官能团的处理方法，仅在L-Cys处理组中观察到片状BC分支，而在TA或SDBS处理组中未发现球形分支切片。这些结果强化了硫醇基团而非单纯硫本身可能是球形分支结构形成的关键贡献者这一假说。

研究结论

该研究通过GSH处理，制备了可控的球形支化BC结构，全面表征其宏观、微观形貌及晶体结构。机理分析显示，在组装方面，GSH为分支的形成建立了pH和巯基的临界条件。在合成水平上，GSH通过改变硫代谢和碳水化合物代谢途径影响产物的种类和速率。总之，球形分支BC具有制造简便和可调结构多样性，具备多样化的应用潜力。

文章信息

Fei Xu, Yilin Li, Xiaoxue Zhang, Wenhui Xue, Ying Xu, Xun Sun.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.124482

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