随着合成生物学与生物制造技术的快速发展，利用基因工程细菌作为“微型工厂”来生产高附加值化学品、药物及生物燃料已成为绿色生物制造的核心策略。然而，实际应用中普遍面临目标产物生产效率低下的问题，其根源在于菌群代谢性状在传代过程中的不稳定性及遗传退化。尽管已有研究表明，微生物表型异质性受基因表达噪声（如转录、翻译随机性）、环境适应策略（如代谢权衡）以及细胞间通讯（如群体感应、代谢物交换）等多因素调控，尽管基因表达的随机性和细菌个体的生存环境被认为可能影响其代谢活性在细菌代际间的稳定性，但细菌的许多具有实际意义的代谢特征在不同世代间如何演变仍不清楚。具体而言，微生物群落中那些突出的代谢特征是否能够在连续迭代的世代中保持，至今仍是一个悬而未决的问题，严重制约了高效、稳定细胞工厂的精准设计与优化。
针对这一科学问题，伟德源自英国始于1946王伟课题组创新性地开发了一种基于光学显微镜、微孔阵列、胞外pH探针和微移液针的组合来操纵和表征具有不同代谢活性的单个细菌的策略（图1），并首次实现了对高代谢活性细菌及其后代的代谢活性的长期动态追踪。团队以产酸能力突出的植物乳杆菌为模型，发现高活性亲本细菌的后代在30代内仍能维持显著高于群体平均水平，但随着世代延续，这种特殊的高活性会逐渐回归至其平均水平。团队进一步探讨了代谢活性退化的潜在机制，为优化工业菌种稳定性提供了新思路。该成果不仅深化了对微生物表观遗传规律的理解，也为合成生物学中高效细胞工厂的精准设计奠定了方法论基础。相关研究发表于《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（DOI: 10.1073/pnas.2502818122），论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2502818122。
图1 分隔、筛选和挑取单个细菌的机理图
研究团队利用微孔阵列高效分离单菌，并结合HPTS荧光质子探针对视野内约15,000个微孔（1,500个单菌）进行实时监测（图2），以分析单菌的产酸活性。结果显示，活性微孔的荧光强度随时间显著下降，且不同荧光下降趋势表明：单个细菌的代谢活性存在明显异质性——下降越迅速，表明菌体代谢活性越强。
为量化代谢异质性，研究团队利用自定义的“质子产生速率”参数（Proton Production Rate）（简称为PPR）进行统计分析，结果显示PPR呈高斯分布（0.55±0.39），显著高于非活性微孔（0.15±0.09），揭示单细胞代谢活性的广泛异质性。通过象限分区验证及六批次独立实验（平均PPR=0.53±0.05），证实该方法具有高重复性与可靠性，为单细胞代谢动力学研究提供了标准化工具。
图2 植物乳杆菌产酸的大通量监测及单菌代谢活性异质性
接下来，研究团队将重点放在单细菌孔的选择性操作、培养和高通量分析上（图3）。在确定目标细菌后，研究人员施加负压吸出微孔中含有单菌的液滴，后迅速转移到培养基中进行单细胞培养。团队给出了单细菌接种与常规菌落水平接种的生长曲线对比。常规接种的3.2×107个单菌相当于单个细胞经过25代分裂后的群体规模，将时间尺度转换为世代数进一步分析，生长曲线可以得到很好的对应。
图3 单菌挑取及生长曲线
随后，团队研究了非凡活性单菌后代的产酸能力随世代数的变化（图4）。首先显示了一个感兴趣的低荧光微孔，其中存在一个高产酸菌（PPR=0.93）。对该菌进行上述选择性操作、培养和高通量分析。第29代子代菌的PPR分布均值为0.89，表明其成功继承了亲代的高代谢活性。然而，一旦培养到更后面的代数，就会显著回归到比亲本低的PPR均值，第37代时，测得的PPR均值约为0.5，与该菌的平均水平相当。此外，单菌培养接近稳定期时，所有具有高于平均PPR的个体细菌的后代均出现了这种回归均值的现象，且活性不再反弹至更高水平。随着繁殖的进行，植物乳杆菌的高于平均水平的质子生产能力将会不可逆地回归到群体的平均水平。
图4. 非凡活性单菌后代的产酸能力随世代数的变化
为探究代谢活性在代际传递中的规律，研究团队对25个PPR均值在0.5至0.9之间的单菌进行了挑取、培养，并测量了其早期后代个体代谢活性分布。结果表明（图5），亲代和子代的产酸活性之间存在明显的正相关关系，斜率为0.88，所有数据点均位于95%预测区间内——非凡的代谢特征能够很好地从亲代遗传给子代。毕竟，与哺乳动物细胞不同，细菌通过无性繁殖生成子细胞，因此在许多情况下可以保证细菌的克隆性。相比之下，一旦世代倍增导致细菌培养基内变得高度拥挤，突出的代谢能力会完全从细菌群落中消失。这一重要发现在单细胞水平上表明，很可能是恶化的环境诱导了代谢退化，这对生物生产中的细胞培养提出了警示。因此，研究结果清楚地揭示了当环境效应（可能包括细菌竞争和群体感应）不显著时，特殊的代谢活性在数十代细菌中具有良好的遗传潜力。
图5. 亲代菌与子代之间的产酸活性相关性
公司王伟教授为该论文的通讯作者。公司2023级研究生卢裕杨、高佳副研究员和谢若晨副研究员为共同第一作者。本研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和bv1946伟德官网优秀研究计划等的支持。