北京大学张珏课题组在生物电技术提高抗生素产量的研究中取得重要进展

阿维菌素是由格兰氏阳性菌阿维链霉菌（Streptomyces avermitilis）产生的一类十六元环大环内脂类抗生素，具有高效、安全以及农、牧、医三用等特点，是目前世界上公认的最有效的无公害生物杀虫剂之一。现今，提高阿维菌素产量的主要技术手段包括利用各种诱变剂、基因工程技术和优化菌株发酵培养条件等。但由于发酵周期较长，阿维菌素产量的提升成为其工业生产的一个主要瓶颈。

最近，北京大学前沿交叉学科研究院、工学院张珏课题组通过纳秒脉冲电场技术成功实现了对阿维菌素产量的高效提升（图1），并揭示了这种崭新的生物电技术对阿维链霉菌关键基因的调控机制（图2）。

纳秒脉冲电场技术（nanosecond pulsed electric fields, nsPEFs）具有瞬时功率高、作用时间极短等显著特征。与传统的电穿孔效应截然不同，纳秒脉冲电场对细胞的影响主要是对亚细胞器的作用。研究表明，nsPEFs在细胞内钙离子调控、肿瘤抑制、杀菌以及激活凝血因子促进伤口愈合等方面都具有显著功效，表明从分子、细胞到组织的不同层面都可产生广泛的非热生物学效应。

张珏课题组前期的研究工作已经证实了纳秒脉冲电场具有明显的肿瘤抑制作用（Cancer Letters, 2014, DOI:10.1016/j.canlet.2013.09.032）和降低蓖麻毒素的毒性功效（Scientific Reports, 2015, DOI: 10.1038/srep18781）。近年来，他们发现通过设计脉冲序列和电场参数，纳秒脉冲电场技术还能够促进细胞的增殖，例如加速固沙植物梭梭树的早期生长速度（Plasma Processes & Polymers, 2015, DOI: 10.1002/ppap.201400131），以及促进软骨细胞的增殖和分化（Scientific Reports, 2014, DOI:10.1038/srep05836）等。

最近，受到多次“失败”的肿瘤抑制实验的启发，工学院博士研究生国晋菘和前沿交叉学科研究院博士研究生马若男等尝试开展了nsPEF对阿维菌素产量影响的研究。实验证实了利用特定的脉冲序列和强度参数，纳秒脉冲电场能够有效地提高阿维菌素的产量，与对照组相比阿维菌素的产量平均提升了42%。进一步的基因检测结果发现纳秒脉冲电场有效上调了阿维菌素关键调控基因aveR、malE的表达。相关研究“Raising the avermectins production in Streptomyces avermitilisby utilizing nanosecond pulsed electric fields (nsPEFs)”在Scientific Reports在线发表。研究结果表明，这种基于脉冲电场的新型生物电技术，不仅可以有效地缩短阿维链霉菌的发酵周期，显著提高产量，而且能够方便地嵌入现有的抗生素生产环节，对其生产效率和经济价值产生积极作用，这也为生物电技术的研究和应用开辟了一条令人期待的新航道。

编辑：江南