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随着现代微生物技术的快速发展，尤其是基因工程技术和微生物高密度培养技术的紧密结合，使得一些人类需要而又无法大量获得的目的产物能进行大规模的工业化生产。目前，大肠杆菌作为宿主细胞由于其易培养、遗传背景清楚等优点，已在重组蛋白生产中得到了广泛的应用。但随着大肠杆菌培养技术的不断发展，传统的高密度培养方法要想进一步提高菌体发酵的最终浓度变得越来越难，成本也越来越高，所以一部分工作者正在尝试一些新的方法。近几年来研究发现，光、磁场、声波等物理因素在一定条件下也能促进微生物的生长和代谢。研究表明，声波作为一种周期性震荡的机械波，在通过溶液的过程中，不仅能加强培养体系的传质过程，还能对细胞的表面形成一种周期性的“挤压”，增加细胞膜的流动性，加速胞内流体的运动，促进细胞生长代谢，加速产物的积累。但目前声效应产生的具体机制尚不清楚，所以开展声刺激对大肠杆菌高密度培养影响的研究，揭示其生物学效应产生的可能途径及分子机理，对声效应的合理开发和利用具有积极的指导作用，同时还可为建立基于声效应的促生长、促代谢、促合成的新型生物技术等奠定坚实基础。 本研究主要内容包括：⑴在液体培养条件下，研究了不同声学参数及相关剂量对大肠杆菌群体密度的影响。结果表明，固定声强级为80dB，固定声功率级为55dB时，声频率在250Hz-16KHz之间，能明显促进菌体的生长，并且这种促进效应呈现出明显非线性的频率依赖性关系；当声频率为2KHz和8KHz时，处理组生物量比对照组分别提高了21.0％和27.1%，最大比生长速率分别提高了25.0%和25.5%，菌体处于对数期的时间分别延长了8.3%和16.7%。固定频率为8KHz，固定声功率级为55dB时，促生长效应为单峰性曲线，在声强级为80dB处促生长效应达到最大。固定频率为8KHz，固定声强级为80dB时，在55dB-63dB声功率级之间，声效应同样呈现出单峰性曲线，在声功率级为61dB处时，处理组生物量是对照组的1.7倍，最大比生长速率是对照组的2.5倍，菌体处于对数期的时间是对照组的1.3倍。同时，还观察了声刺激下大肠杆菌菌体形态的变化，结果表明声刺激使处理组的菌体平均长度明显增加，当声强级为100dB时，菌体平均长度增加了27.3%，但菌体平均宽度没有发现明显变化。⑵细胞分裂与胞内生物大分子的合成，以及与细胞吸收营养物质的能力之间存在密切的联系。本文研究了在最佳声效应窗口下，声刺激对大肠杆菌胞内大分子合成以及底物消耗速率的影响。研究发现声刺激可以明显促进胞内蛋白质和 RNA合成，尤其是在声暴露6h时，RNA量和蛋白量达到最高，分别是对照组的1.1倍和1.3倍；同时，利用以葡萄糖或麦芽糖为主要碳源的基本培养基培养菌体，发现处理组在对数期对葡萄糖或麦芽糖的最大消耗速率分别是对照组的1.2倍和1.1倍，底物消耗速率明显加快。⑶群体感应是细菌依赖于细胞密度、调节群体适应能力的一种普遍机制。大肠杆菌群体感应系统是由 AI-2介导的，有研究表明 pfs和 luxS两个基因可能在 AI-2合成过程中起着重要的作用。本研究发现，声刺激可能明显抑制了luxS和 pfs基因的表达，使 AI-2在溶液中的最大积累量降低了10.6%，并使得大肠杆菌达到密度阈值的时间延长了1.0倍，从而显著提高了菌体生物量。⑷转录组学分析结果表明，声刺激对大肠杆菌基因调控的影响是一个复杂的过程，有200余个基因参与其中。声刺激信号的跨膜及胞内传达过程，可能通过一系列磷酸化和去磷酸化来实现，尤其是一些与膜结构、功能和应急响应相关的基因在声刺激下响应尤为明显，如basSR系统、yehZYXW系统等。分析发现声刺激明显促进了膜上ABC转运体的合成以及ATP酶的合成，提高了细胞吸收底物的能力；同时，声刺激还加强了大肠杆菌的有氧呼吸能力，使细胞能够产生更多的能量参与菌体的生长和繁殖。