L-羥脯氨酸作為膠原蛋白的關(guān)鍵成分之一，在醫(yī)藥、化妝品及食品工業(yè)中具有重要應(yīng)用價值。傳統(tǒng)發(fā)酵法生產(chǎn)L-羥脯氨酸面臨產(chǎn)量低、過程控制粗放等挑戰(zhàn)。蔡萌萌團隊的最新研究聚焦于利用先進的活細胞在線監(jiān)控技術(shù)，對L-羥脯氨酸的補料發(fā)酵工藝進行系統(tǒng)性優(yōu)化，旨在實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的工業(yè)化生產(chǎn)。

研究團隊首先構(gòu)建了能夠高產(chǎn)L-羥脯氨酸的工程菌株，并在此基礎(chǔ)上，引入了先進的活細胞在線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測發(fā)酵過程中的關(guān)鍵生理參數(shù)，如細胞密度、活力、關(guān)鍵代謝物濃度及OUR（攝氧率）、CER（二氧化碳釋放率）等，實現(xiàn)了對發(fā)酵狀態(tài)的精準(zhǔn)感知。這種實時、在線的數(shù)據(jù)反饋，為動態(tài)調(diào)整補料策略提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

核心的工藝創(chuàng)新在于，團隊開發(fā)了一套與活細胞狀態(tài)聯(lián)動的智能補料策略。傳統(tǒng)的補料發(fā)酵往往依賴于固定的時間或底物消耗模型進行補料，難以應(yīng)對發(fā)酵過程中細胞的動態(tài)變化。本研究則根據(jù)在線監(jiān)控得到的活細胞生理狀態(tài)信息，特別是與脯氨酸羥化過程密切相關(guān)的輔因子需求、前體物質(zhì)積累及細胞代謝負荷，動態(tài)調(diào)整葡萄糖、前體氨基酸、以及關(guān)鍵誘導(dǎo)劑或輔因子的流加速率和時機。例如，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測到細胞處于高活力、低代謝副產(chǎn)物的“黃金窗口期”時，系統(tǒng)會智能增加前體物質(zhì)的補料速率，以最大化羥化反應(yīng)的效率。

實驗結(jié)果表明，應(yīng)用該活細胞在線監(jiān)控指導(dǎo)的補料發(fā)酵工藝，L-羥脯氨酸的產(chǎn)量較傳統(tǒng)工藝提升了約35%，同時發(fā)酵周期縮短了約18%。更重要的是，工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性得到顯著改善，有效降低了批次間的差異，為規(guī)模化生產(chǎn)奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

蔡萌萌團隊的這項研究，不僅為L-羥脯氨酸的高效生物制造提供了一種創(chuàng)新的解決方案，更展示了將先進的在線過程分析技術(shù)（PAT）與發(fā)酵過程控制深度融合的巨大潛力。該策略可推廣至其他高附加值氨基酸或次級代謝產(chǎn)物的發(fā)酵生產(chǎn)，對推動整個微生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的智能化、精細化升級具有重要的參考價值。結(jié)合機器學(xué)習(xí)模型對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行深度挖掘與預(yù)測，有望實現(xiàn)完全自主優(yōu)化的“智能發(fā)酵”過程。