文章题目：Targeted gene editing of bacterial cellulose biosynthesis-related genes enables programmable mechanical properties of bacterial cellulose

发表期刊：Bioresource Technology （IF：9）

作者团队：华东师范大学生命科学学院 蒋德明副教授团队（田爱田、高红亮为共同第一作者）

发表时间：2026年2月8日（在线发表）

研究背景

细菌纤维素（bacterial cellulose，BC）是由微生物合成的天然高分子材料，兼具高纯度、高结晶度、高持水能力与优异力学性能，在生物医药、包装、电子器件等领域展现广阔应用前景。木葡糖酸醋杆菌属（Komagataeibacter）是BC的高产模式菌株，其BC合成由细菌纤维素合成（bcs）操纵子编码的膜锚定末端复合体完成。

然而，bcs操纵子在菌株间存在冗余与功能分化，单个基因与BC性能之间的对应关系长期不清；更根本的瓶颈在于，Komagataeibacter缺乏高效的遗传操作工具——既有编辑系统或无法无缝敲除，或适用基因有限，或依赖特定宿主背景，使得系统性的基因功能筛选难以开展，BC力学性能的调控也只能依赖发酵优化与后处理，缺乏可编程性。

研究目的

为突破这一工具瓶颈并系统解析bcs基因功能，华东师范大学生命科学学院蒋德明副教授团队构建了基于突变pheS基因反选择标记的无缝基因组编辑系统，并据此对K. xylinus P1全部四个bcs操纵子开展系统性单基因敲除筛选。

该研究于2026年在国际学术期刊《Bioresource Technology》上发表，论文标题为”Targeted gene editing of bacterial cellulose biosynthesis-related genes enables programmable mechanical properties of bacterial cellulose”（doi: 10.1016/j.biortech.2026.134170）。

研究结果与发现

研究团队向内源pheS基因引入T259A与A310G突变（PheSAG），使其编码的苯丙氨酰-tRNA合成酶底物特异性放宽，将对氯苯丙氨酸（PCPA）误掺入新生肽链而产生致死效应，以此作为反选择标记：在含5 mM PCPA的平板上致死率超过99.999%，P1菌株敲除效率达51.7%，并在另外两个Komagataeibacter菌株背景中同样适用（≥38.5%）。

利用该系统构建的单基因缺失文库显示：操纵子I是BC合成的核心，而操纵子II的bcsCII基因敲除后，BC力学性能显著提升——湿膜拉伸强度达0.284 MPa、杨氏模量达0.715 MPa，分别为野生型的3.56倍与2.36倍；烘干膜拉伸强度高达198.18 MPa、模量6.538 GPa、韧性18.344 MJ/m³，超越多数已报道的静态发酵BC膜甚至部分复合材料。多尺度结构分析表明，性能提升源于更均匀的纳米纤维组装与更致密的层级网络（层间距由4.32 µm降至3.01 µm，纤维束以40–60 nm为主）。

更进一步，团队通过野生型与突变株共培养配比、以及阿拉伯糖诱导表达bcsCII两种策略，实现了BC力学性能在连续梯度上的”可编程定制”，为工程化活体材料（ELMs）提供了新范式。

从敲除载体构建到诱导表达系统，翌圣产品深度赋能

在这项以基因编辑与载体工程为主线的研究中，翌圣（Yeasen）产品嵌入分子克隆的关键环节，为编辑系统的构建效率与可靠性提供了坚实保障。

• 敲除质粒构建与无缝克隆：翌圣DNA聚合酶与同源重组酶搭建遗传工具基石

本研究的全部遗传操作——敲除质粒的同源臂扩增、bcsCII基因序列扩增、pheS突变构建、回补载体以及阿拉伯糖诱导表达载体（含mCherry报告系统）的Gibson组装——都建立在高保真扩增与高效无缝克隆之上。研究团队采用翌圣DNA聚合酶完成各类片段的精准PCR扩增，并配合翌圣同源重组酶完成载体无缝组装。对于无缝编辑系统而言，载体的序列准确性直接决定同源重组与反选择的成败；翌圣产品凭借高保真、高重组效率的稳定表现，支撑了覆盖四个bcs操纵子的敲除载体库及诱导表达系统的高效构建，成为整个基因编辑平台得以落地的分子工具保障。

从基因工具到可编程材料：BC产业化的理性设计路线

这项研究一举打通了”工具—机制—应用”三个层面：工具上，pheS反选择系统为Komagataeibacter提供了高效、无缝、跨菌株通用的基因编辑新选择；机制上，系统筛选不仅确认了操纵子I的核心地位，更揭示了bcsCII通过调控细胞间纤维组装与层间耦合影响宏观力学性能的新功能，并结合蛋白结构比较锁定了一段菌株保守的调控环；应用上，共培养与诱导表达两条路线让BC性能调控摆脱了对设备与后处理的依赖，朝着连续化生物制造与自调节活体材料迈出了实质一步。高性能、可定制的BC材料，距离生物医疗器械、柔性电子与功能包装的产业化落地又近了一步。

这一研究成果的发表，再次印证了翌圣产品在合成生物学与微生物遗传操作研究中的可靠性与高效性。从高保真扩增到无缝克隆，翌圣始终以稳定的性能陪伴科研工作者探索微生物制造的未知边界。

未来，翌圣将继续致力于为合成生物学、基因编辑与生物制造研究提供优质、创新的产品与解决方案，助力更多中国原创科研成果走向世界舞台！

翌圣助力产品

注：页码按论文PDF页码标注。