北京基爾比生物研制生產的Kilby Gravity 微重力培養系統

一、研究背景與意義

太空生物制造是利用工程微生物在太空生產生物材料、藥物和必需代謝物的重要方向，尤其適用于長期太空任務。

微重力會改變微生物的生理狀態和代謝效率，影響其在太空環境中的生產能力。

黑色素作為一種多功能生物聚合物，具備輻射防護、抗氧化、熱穩定等特性，是研究太空微生物生產的理想模型。

 二、研究目的

探究國際空間站微重力環境對工程大腸桿菌合成黑色素的影響，并通過蛋白質組學、代謝組學等方法揭示其分子機制，為優化太空微生物生產系統提供依據。

北京基爾比生物全自動微重力培養系統——用戶現場安裝2026啟新之際，北京基爾比3D細胞類器官系列儀器安裝實例展示

 三、實驗設計

 1. 菌株與培養條件

使用非運動型大腸桿菌 BL21(DE3)，導入來自 Bacillus megaterium的酪氨酸酶基因（tyr1）以生產黑色素。

 在ISS和地面使用相同的培養基（M9最小培養基）進行對照培養。

 2. 空間實驗流程

 使用 BRIC-PDFU 硬件系統在ISS上進行72小時靜態培養。

地面對照組在航天中心同步進行。

3. 地面模擬實驗

使用旋轉式物反應器模擬微重力條件（LSMMG），與1×g重力對照比較。

 4. 分析方法

表型觀察：黑色素產量通過顏色對比評估。

電化學分析：差分脈沖伏安法測定酪氨酸和DOPA水平。

蛋白質組學：LC-MS/MS分析蛋白質表達差異。

代謝組學：LC-MS分析代謝物變化。

生長與活力監測：通過OD600和CFU計數評估。

 四、主要結果

 1. 黑色素產量顯著降低

 ISS上培養的工程大腸桿菌黑色素產量明顯低于地面對照（淺棕色 vs 黑色）。酪氨酸酶基因無突變，酶活性未受影響。

 2. 底物轉運受阻

 DPV分析顯示ISS樣品中細胞外酪氨酸積累，表明酪氨酸未被有效攝取和催化。蛋白質組學顯示OmpF孔蛋白表達有下降趨勢，可能影響小分子擴散。

3. 蛋白質組學變化

154個蛋白質表達發生顯著變化（149個上調，5個下調）。

上調蛋白包括：

  - 膜轉運蛋白（如TonB依賴受體、ABC轉運蛋白）

  - 應激響應蛋白（如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽轉移酶）

  - DNA修復相關蛋白

下調蛋白包括膜融合蛋白，可能影響外排系統。

 4. 代謝組學變化

海藻糖顯著積累，表明應激響應激活。谷胱甘肽水平下降，伴隨前體L-半胱氨酸減少，提示氧化應激。氨基酸代謝紊亂（如苯丙氨酸積累，天冬氨酸和脯氨酸減少）。

5. 模擬微重力實驗結果一致

 LSMMG條件下黑色素產量低，細菌存活率下降。

黑色素在細胞內積累，可能導致細胞應激和死亡。

酪氨酸向DOPA轉化效率降低。

 五、討論與機制推測

1. 微重力影響底物轉運

 缺乏重力驅動的對流，營養物質擴散受限，形成“耗竭區"。

轉運蛋白表達上調可能是細菌對轉運效率下降的補償機制。

2. 氧化應激與代謝重編程

微重力引發氧化應激，谷胱甘肽消耗增加，氧化還原穩態失衡。

細菌資源轉向應激生存，而非次級代謝物合成。

 3. 氧氣限制可能影響黑色素合成

黑色素合成需氧，微重力可能降低氧傳遞效率。

 4. Hfq蛋白可能發揮調控作用

 Hfq是細菌響應微重力的全局調節因子，可能影響轉運、應激和代謝相關基因表達。

 六、總結

本研究在細菌中整合空間實驗、模 擬 微 重 力、蛋白質組學和代謝組學數據，系統揭示了微重力通過影響底物轉運、氧化還原穩態和代謝負擔，顯著降低工程大腸桿菌的黑色素產量。這為未來在太空環境中設計和優化微生物生產系統提供了重要的科學依據。

 七、資助與數據

資助來源：美國研究辦公室、等。npj Microgravity , Article number:  (2026) 

附：

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