Влияние различных концентраций сахарозы на биосинтез поли-3-оксибутирата и альгината бактериальным штаммом Azotobacter vinelandii 12 при разных уровнях аэрации

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе показана возможность регуляции синтеза альгинатов (АЛГ) и поли-3-оксибутирата (ПОБ) культурой Azotobacter vinelandii 12 в зависимости от увеличения концентрации сахарозы в среде при разных условиях аэрации. При высоком уровне аэрации и при высокой концентрации сахарозы в среде (50 г/л) был достигнут максимальный выход свободного (1.08 г/л) и капсулярного АЛГ (2.26 г/л) в среде. В условиях низкой аэрации синтез свободного АЛГ полностью ингибировался. Максимальное значение синтеза ПОБ отмечено при среднем уровне аэрации и высокой концентрации сахарозы (50 г/л) в среде. Максимальная молекулярная масса (ММ) АЛГ составляла 477 кДа, а максимальная ММ ПОБ была значительно выше и достигала 1479 кДа. При малых концентрациях сахарозы в среде (от 5 до 20 г/л) синтезировался преимущественно капсулярный АЛГ (до 100٪ от суммы всех полимеров) при всех уровнях аэрации. При увеличении концентрации сахарозы в условиях низкой аэрации синтезировался преимущественно ПОБ (68٪), в условиях средней аэрации наблюдалось равное соотношение синтеза ПОБ и капсулярного АЛГ, в условиях высокой аэрации активно синтезировался свободный АЛГ. Показана возможность достижения избирательного синтеза АЛГ или ПОБ культурой A. vinelandii 12 за счет изменения условий ее культивирования. Полученные результаты могут быть использованы для разработки направленного биосинтеза целевых продуктов (ПОБ и АЛГ) в биотехнологии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Дудун

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук; НИЦ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи (ФГБУ “НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи” Минздрава России)

Автор, ответственный за переписку.
Email: dudunandrey@mail.ru

Институт биохимии им. А.Н. Баха

Россия, Москва, 119071; Москва, 123098

Т. К. Махина

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук

Email: dudunandrey@mail.ru

Институт биохимии им. А.Н. Баха

Россия, Москва, 119071

А. П. Бонарцев

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: dudunandrey@mail.ru

биологический факультет

Россия, Москва, 119234

Г. А. Бонарцева

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук

Email: dudunandrey@mail.ru

Институт биохимии им. А.Н. Баха

Россия, Москва, 119071

Список литературы

  1. Aldor I.S., Keasling J.D. // Current Opinion in Biotechnology. 2003. V. 14. № 5. P. 475–483.
  2. Bonartsev A.P., Bonartseva G.A., Myshkina V.L., Voinova V.V., Mahina T.K., Zharkova I.I. et al // Acta Naturae. 2016. Т. 8. № 3. С. 77–87.
  3. Chen G.-Q., Jiang X.-R. // Curr. Opin. Biotechnol.. 2018. V. 53. P. 20–25.
  4. Wang J., Yu J. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2001. V. 26. № 3. P. 121–126.
  5. Urtuvia V., Maturana N., Acevedo F., Pena C., Diaz-Barrera A. // World J. Microbiol. Biotechnol. 2017. V. 33. № 11. P. 198. https://doi.org/10.1007/s11274-017-2363-x
  6. Gacesa P. // Microbiology. 1998. V. 144. № 5. P. 1133–1143.
  7. Brownlee I.A., Allen A., Pearson J.P., Dettmar P.W., Havler M.E., Atherton M.R., Onsoyen E. // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2005. V. 45. № 6. P. 497–510.
  8. Remminghorst U., Rehm B.H.A. // Biotechnology Letters. 2006. V. 28. № 21. P. 1701–1712.
  9. Galindo E., Peña C., Núñez C., Segura D., Espin G. // Microbial Cell Factories. 2007. V. 6. № 1. P. 7. https://doi.org/10.1186/1475-2859-6-7
  10. Díaz-Barrera A., Sanchez-Rosales F., Padilla-Córdova C., Andler R., Pena C. // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2021. V. 44. № 6. P. 1275–1287.
  11. Rehm B.H.A. // Alginates: Biology and Applications: Microbiology Monographs. / Ed. B.H.A. Rehm. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2009. V. 13. P. 55–71.
  12. Rehm B.H.A., Valla S. // Appl. Microbiol. Biotechnol.. 1997. V. 48. № 3. P. 281–288.
  13. Gaytán I., Peña C., Núñez C., Córdova M.S., Espín G., Galindo E. // World J. Microbiol. Biotechnol. 2012. V. 28. № 8. P. 2731–2740.
  14. Flores C., Díaz-Barrera A., Martínez F., Galindo E., Pena C. // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2015. V. 90. № 3. P. 356–365.
  15. Franklin M.J., Chitnis C.E., Gacesa P., Sonesson A., White D.C., Ohman D.E. // J. Bacteriol. 1994. V. 176. № 7. P. 1821–1830.
  16. Schiller N.L., Monday S.R., Boyd C.M., Keen N.T., Ohman D.E. // J Bacteriol. 1993. V. 175. № 15. P. 4780–4789.
  17. Peña C., Campos N., Galindo E. // Appl. Microbiol. Biotechnol.. 1997. V. 48. № 4. P. 510–515.
  18. Quagliano J.C., Miyazaki S.S. // Appl. Biochem. Biotechnol. 1999. V. 82. № 3. P. 199–208.
  19. Castillo T., García A., Padilla-Córdova C., Díaz-Barrera A., Pena C. // Electron. J. Biotechnol. 2020. V. 48. P. 36–45.
  20. Parshad J., Suneja S., Kukreja K., Lakshminarayana K. // Folia Microbiologica. 2001. V. 46. № 4. P. 315–320.
  21. Pozo C., Martı́nez-Toledo M.V., Rodelas B., González-López J. // J. Biotechnol. 2002. V. 97. № 2. P. 125–131.
  22. Page W.J., Sadoff H.L. // J. Bacteriol. 1975. V. 122. № 1. P. 145–151.
  23. Sabra W., Zeng A.P., Deckwer W.D. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001. V. 56. № 3-4. P. 315–325.
  24. Díaz-Barrera A., Maturana N., Pacheco-Leyva I., Martínez I., Altamirano C. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2017. V. 44. № 7. P. 1041–1051.
  25. Díaz-Barrera A., Gutierrez J., Martínez F., Altamirano C. // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2014. V. 37. № 6. P. 1133–1140.
  26. Trujillo-Roldan M.A., Moreno S., Espin G., Galindo E. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2004. V. 63. № 6. P. 742–747.
  27. Peralta-Gil M., Segura D., Guzmán J., Servín-González L., Espin G. // Journal of Bacteriology. 2002. V. 184. № 20. P. 5672–5677.
  28. Segura D., Guzman J., Espin G. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003. V. 63. № 2. P. 159–163.
  29. Díaz-Barrera A., Urtuvia V., Padilla-Córdova C., Peña C. // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2019. V. 46. № 1. P. 13–19.
  30. Bonartseva G.A., Akulina E.A., Myshkina V.L., Makhina T.K., Bonartsev A.P. // Appl. Biochem. Microbiol. 2017. V. 53. № 1. P. 52–59.
  31. Dudun A.A., Akoulina E.A., Zhuikov V.A., Makhina T.K., Voinova V.V., Belishev N.V. et al. // Polymers. 2021. V. 14. № 1. P. 131. https://doi.org/10.3390/polym14010131
  32. Dudun A.A., Akoulina E.A., Voinova V.V., Makhina T.K., Myshkina V.L., Zhuikov V.A., et al. // Appl. Biochem. Microbiol. 2019. V. 55. № 6. P. 654–659.
  33. Martinsen A., Skjåk-Bræk G., Smidsrød O., Zanetti F., Paoletti S. // Carbohydrate Polymers. 1991. V. 15. № 2. P. 171–193.
  34. Akita S., Einaga Y., Miyaki Y., Fujita H. // Macromolecules. 1976. V. 9. № 5. P. 774–780.
  35. Nivens D.E., Ohman D.E., Williams J., Franklin M.J. // Journal of Bacteriology. 2001. V. 183. № 3. P. 1047–1057.
  36. Castillo T., López I., Flores C., Segura D., García A., Galindo E. et al. // J. Appl. Microbiol. 2018. V. 125. № 1. P. 181–189.
  37. Díaz-Barrera A., Silva P., Berrios J., Acevedo F. // Bioresource Technology. 2010. V. 101. № 23. P. 9405–9408.
  38. Flores C., Moreno S., Espín G., Pena C., Galindo E. // Enzyme and Microbial Technology. 2013. V. 53. № 2. P. 85–91.
  39. Mejia M.A., Segura D., Espin G., Galindo E., Pena C. // J. Appl. Microbiol. 2010. V. 108. № 1. P. 55–61.
  40. Díaz-Barrera A., Aguirre A., Berrios J., Acevedo F. // Process Biochemistry. 2011. V. 46. № 9. P. 1879–1883.
  41. Tec-Campos D., Zuñiga C., Passi A., Del Toro J., Tibocha-Bonilla J.D., Zepeda A. et al. // Metab. Eng. Commun. 2020. V. 11. P. e00132. https://doi.org/10.1016/j.mec.2020.e00132
  42. Page W.J., Knosp O. // Appl. Environ. Microbiol. 1989. V. 55. № 6. P. 1334–1339.
  43. Millán M., Salazar M., Segura D., Castillo T., Díaz-Barrera A., Peña C. // Journal of Biotechnology. 2017. V. 259. P. 50-–55.
  44. Millán M., Segura D., Galindo E., Peña C. // Process Biochemistry. 2016. V. 51. № 8. P. 950–958.
  45. Díaz-Barrera A., Martínez F., Guevara Pezoa F., Acevedo F. // PLoS ONE. 2014. V. 9. № 8. P. e105993. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0105993
  46. Castillo T., Heinzle E., Peifer S., Schneider K., Pena C. // Process Biochemistry. 2013. V. 48. № 7. P. 995–1003.
  47. Díaz-Barrera A., Andler R., Martínez I., Peña C. // Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2016. V. 91. № 4. P. 1063–1071.
  48. García A., Ferrer P., Albiol J., Castillo T., Segura D., Pena C. // Microbial Cell Factories. 2018. V. 17. № 1. P. 10. https://doi.org/10.1186/s12934-018-0860-8

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рост бактериального штамма A. vinelandii 12 при разных уровнях аэрации и концентрации сахарозы в среде от 5 г/л до 50 г/л (время ферментации – 72 ч: 1 – 150 об./мин; 2 – 200 об./мин; 3 – 250 об./мин. Множественное сравнение по Краскелу-Уоллису между всеми группами имеет уровень достоверности p < 0.05.

Скачать (124KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Биосинтез свободных (а, г/л) и капсулярных (б, г/л) АЛГ, продуктивность синтеза Azotobacter vinelandii 12 свободных (в) и капсулярных (г) АЛГ: 1 – 150 об./мин; 2 – 200 об./мин; 3 – 250 об./мин. Множественное сравнение по Краскелу-Уоллису между всеми группами имеет уровень достоверности p < 0.05.

Скачать (383KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Биосинтез (а, г/л) и продуктивность (б, г/г) ПОБ бактериальным штаммом A. vinelandii 12: 1 – 150 об./мин; 2 – 200 об./мин; 3 – 250 об./мин. Множественное сравнение по Краскелу-Уоллису между всеми группами имеет уровень достоверности p < 0.05.

Скачать (199KB)
Метаданные
5. Рис. 4. ММ капсулярных АЛГ, синтезированных при высоком уровне аэрации бактериями Azotobacter vinelandii 12 и различных концентрациях сахарозы. Множественное сравнение по Краскелу-Уоллису между всеми группами имеет уровень достоверности p < 0.05.

Скачать (110KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Состав синтезированных биополимеров (ПОБ и АЛГ) клетками Azotobacter vinelandii 12 при различных концентрациях сахарозы в среде и различной аэрации: а – 150 об./мин; б – 200 об./мин; в – 250 об./мин.

Скачать (528KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024