内蒙古农业大学“乳品生物技术与工程”教育部重点实验室

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特约文章推荐——基于人工智能的益生乳酸菌精准筛选及产业化关键技术

时间:2023-08-18 来源:中国食品学报 作者:中国食品学报 浏览次数:6020

本期介绍内蒙古农业大学张和平教授发表在《中国食品学报》第23卷第6期特约专栏(2022中国食品科技十大进展)上的文章《基于人工智能的益生乳酸菌精准筛选及产业化关键技术》。


随着益生乳酸菌的健康益处被广泛认可,益生菌产业迎来了繁荣的黄金时期。尽管如此,我国益生菌产业发展相对滞缓,不仅缺乏自主知识产权的益生菌菌株,而且筛选及产业化技术滞后。目前,我国主要依赖于传统的纯培养技术筛选乳酸菌,这种方法耗时、耗力,且准确率有待提高。近年来,高通量测序和人工智能技术的兴起,为益生乳酸菌的筛选开启了新篇章。研究人员基于基因组大数据和人工智能,开发了乳酸菌精准筛选技术,显著提高了筛选速度和准确率,也推动了益生乳酸菌的产业化进程。本文综述基于人工智能的益生乳酸菌精准筛选及产业化技术,并进一步探讨我国益生乳酸菌产业的发展趋势。


乳酸菌是益生菌家族的重要成员,广泛分布于土壤、水体、植被以及人类和动物的肠道等环境中。目前,我国仍使用传统的纯培养技术从自然界分离和筛选具有益生潜力的乳酸菌,再通过高密度发酵等技术将其商品化。然而,这种方法策略面临两大问题:一是筛选过程耗时耗力,投入成本高;二是高密度发酵和产业化技术相对滞后。这两个问题严重阻碍了我国益生乳酸菌产业的发展。


随着基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等高通量技术的快速发展,乳酸菌遗传、代谢、生长和衰亡机制,以及益生功能相关基因被深入研究。利用这些基因组数据和人工智能技术,建立更精准的益生乳酸菌筛选技术,将极大地推动益生乳酸菌资源的开发和产业化进程。


基于人工智能的益生乳酸菌精准筛选技术


近年来,得益于测序技术的快速迭代和测序成本的大幅降低,大量乳酸菌基因组序列数据被上传并存储在公共数据平台中。目前,美国国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnology Information,NCBI)数据库已公开约6000个乳杆菌和双歧杆菌的基因组序列。同时,一些科研机构还在不断地收集和建立更大规模的乳酸菌基因组数据库。这些丰富的基因组数据为乳酸菌科学研究带来了前所未有的机遇和挑战。通过利用生物信息学和人工智能技术,研究人员在这海量的基因组数据中对乳酸菌基因组结构、代谢通路和潜在的功能基因进行全面、深入的分析和挖掘。


内蒙古农业大学研究团队开发了一种基于机器学习算法和基因组大数据的益生乳酸菌筛选和预测平台。他们对多个益生菌菌株的基因组数据集进行k-mer分析,发现了益生乳酸菌基因组的寡核苷酸组成和特性,并成功建立了益生乳酸菌的预测模型,经降噪处理和k-mer优化,该模型的预测准确率达到97.77%,曲线下面积达到98.00%。在此基础上,还利用GO、KEGG和RAST等数据库对益生乳酸菌基因组进行功能注释,并成功挖掘到与益生特性相关的基因和代谢通路。此外,还发现益生菌的益生功能并非由单一基因决定,而是由整体的k-mer组成共同影响。为了便于其他科研人员进行益生乳酸菌的快速筛选和研究,该团队开发了一个在线且免费的生物信息学筛选工具——iProbiotics。


这种基于群体基因组学和功能基因精准定位策略的益生乳酸菌人工智能筛选技术,通过超算集群实现了益生菌高效靶向筛选,不仅筛选出具有调节肠道菌群、强化免疫平衡等功能的益生乳酸菌,而且构建了多维度肠道菌群互作的益生功能评价体系。其诞生和广泛应用,标志着我国益生乳酸菌的筛选和评价全面进入基因组时代。


益生乳酸菌的高密度发酵及产业化技术


益生乳酸菌产业化的关键在于生产尽可能多的活菌。工业生产常采用高密度发酵(High Cell Density Fermentation)技术进行乳酸菌培养。高密度发酵技术可以精准控制培养温度、实时调节pH值,并向生物反应器及时补充营养物质,以创造最佳的乳酸菌生长环境。目前,该技术能使乳酸菌的菌体密度达到甚至超过静态培养的10倍以上。此外,针对不同的乳酸菌株,开展个性化的优化试验,如优化高密度发酵的培养条件和调整培养基成分,还可以进一步提高乳酸菌活性。


在益生乳酸菌产业化过程中,另一大挑战是如何长期保持菌株活性。工业生产常采用真空冷冻干燥(Vacuum Freezing Technology)技术把益生菌细胞中95%的水分在低温和低氧条件下去除,从而使益生菌变成一种极端“干燥”的状态并进入深度休眠。这种状态可以暂停益生菌的生命活动,直到水分重新进入细胞,活性才会恢复。因此,真空冷冻干燥技术既保持了益生菌的活性,又提高了其在长期储藏中的稳定性。然而,冷冻干燥过程中的极寒环境会引起菌体应激反应,导致菌体失活。如何提高乳酸菌在冷冻干燥过程中的存活率,仍然是益生乳酸菌产业化过程中需要突破的技术瓶颈。通过改变培养条件提高菌株冻干存活率是该领域的研究热点。


近年来,基因组、转录组、蛋白组和代谢组等多组学技术逐渐成为突破益生乳酸菌产业化瓶颈的关键技术。借助多组学技术,研究人员深入探究了乳酸菌在冷冻干燥过程中的应激响应和生理适应机制,找到了与乳酸菌抗寒和生物膜组分调节相关的基因和蛋白,这为开发乳酸菌冷冻干燥保护技术奠定了重要的理论基础。这些发现为进一步优化高密度培养基成分,提高菌体密度提供了新的思路。


结语


我国当前的益生乳酸菌筛选及产业化技术落后,也缺乏自主知识产权的益生菌菌株。继续提高益生乳酸菌筛选及产业化技术方面的投入,发展具有自主知识产权的本土菌株,才能更好地维护中国人肠道健康。此外,也要重视并加强技术创新,充分利用好大数据以及人工智能等现代技术,着力解决益生乳酸菌产业化过程中的技术瓶颈,以实现中国益生乳酸菌产业的高质量、可持续发展。


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