近日，中国农业大学马曦教授与北京市农林科学院畜牧兽医研究所张董燕副研究员等在Responsive Materials期刊上发表题为《Construction of an O2-responsive engineering bioreactor for enhanced indole-3-propionic acid production and deoxynivalenol detoxification》的研究论文。本文开发了一种氧气响应型的生物反应器，用于高效生产生物活性代谢物3-吲哚丙酸（Indole-3-propionic acid, IPA），并验证其在缓解脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol, DON）诱导的畜牧动物肠道损伤方面的保护效果。
本文创新性构建出一种氧气响应型生物反应器。通过好氧-厌氧代谢耦合与种间原生质体融合技术，将枯草芽孢杆菌的氧气耐受特性整合入产孢梭菌，从而创制出P-Cs.HN01/P-Bs.168融合菌株。此工程菌株能在有氧条件下实现3-吲哚丙酸（IPA）稳定、高产的生物合成。所产的IPA在畜牧动物模型中，有效缓解了脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）诱导的肠道氧化应激、炎症和屏障损伤，为开发用于厌氧生物制造和生物医学应用的响应型活体材料提供了新型通用策略。
该研究采用了 “两步法”策略。第一步是好氧-厌氧代谢耦合：首先筛选到一株高产IPA的厌氧产孢梭菌（Cs.HN01），并发现与一株好氧的枯草芽孢杆菌（Bs.168）共培养时，后者能消耗氧气，为前者创造局部厌氧微环境，从而显著提升IPA产量。这证明通过微生物互作将氧气“转化”为生产刺激的可行性。第二步采用种间原生质体融合技术，将这种依赖共培养的、临时性的互作优势永久固定下来。将枯草芽孢杆菌的氧气耐受/消耗相关特性与产孢梭菌的IPA合成能力整合进一个单一的工程菌株中。
通过上述策略，成功构建出 P-Cs.HN01/P-Bs.168（融合子PC52）的生物反应器。该菌株取得了突破性性能：1. 获得遗传性氧气耐受：与亲本厌氧菌不同，PC52能在有氧条件下稳定生长和代谢，其氧气响应性成为稳定遗传的性状。2. IPA生产能力大幅提升：在单一培养条件下，其IPA产量比原始厌氧亲本菌株提高了39.71%；在优化的共培养条件下，产量比原始的简单共培养系统进一步提高了22.22%，达到3.3 g/L。这标志着从“依赖外援的临时系统”成功升级为“自主高效、性能稳定的工程化活体材料”。
研究进一步在体内验证了该生物反应器所产IPA的生物活性。在脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol, DON，一种常见的霉菌毒素）诱导的小鼠和仔猪肠道损伤模型中，IPA处理显示出全面的保护作用：它能缓解肠道氧化应激、增强肠道屏障完整性、抑制肠道炎症反应，并能有益调节肠道菌群结构（如增加Dubosiella和Bifidobacterium等有益菌的丰度）。这些结果证明了该工程系统的产物具有明确的生物医学应用潜力，尤其是在缓解霉菌毒素毒性方面。
本研究通过原生质体融合技术，将微生物间不稳定的、依赖于生态互作的适应性表型，转化为稳定、可遗传、可编程的“活体材料”内在功能。所构建的P-Cs.HN01/P-Bs.168生物反应器，代表了一种从“基于群落相互作用的代谢增强”到“基于单一工程菌株的自主功能”的根本性范式转变。这项工作为开发用于厌氧生物制造（生产其他氧气敏感的代谢物）和生物医学干预（如靶向递送治疗剂或解毒）的下一代智能响应型生物材料开辟了新思路。
Responsive Mater. 2026, e70051.
DOI: 10.1002/rpm2.70051
马曦，中国农业大学二级教授，博士生导师。教育部重大人才工程特聘教授，国家“高层次人才支持计划”领军人才，国家优青基金获得者，兼任北京市农林科学院畜牧兽医研究所所长。主要研究方向为仔猪生理与营养代谢调控，合成生物学与饲用微生物细胞工厂创制。近五年主持十四五科技部重点研发计划、国家自然基金重点项目、地区联合重点项目等，在Nat Commu、Adv Mater、iMeta等权威期刊以通讯作者发表SCI论文多篇，入选2022-2025科睿唯安全球高被引科学家。第一完成人获颐和青年成就奖等。
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