Микробное производство гиалуроновой кислоты

Микробное производство гиалуроновой кислоты относится к процессу, при котором микроорганизмы , такие как бактерии и дрожжи , используются в ферментации для синтеза гиалуроновой кислоты (ГК). [1] ГК используется в широком спектре медицинских, косметических и биологических продуктов из-за ее высокой влагоудерживающей способности и вязкоупругости . [2] Первоначально ГК извлекали из петушиных гребней в ограниченных количествах. [3] Однако такие проблемы, как низкая урожайность, высокие производственные затраты и этические вопросы, связанные с ГК животного происхождения, привели к разработке методов микробного производства ГК. [4]

Хотя существуют и другие методы, например, химический синтез и модификация, химико-ферментативный синтез, ферментативный синтез; микробная ферментация была предпочтительна для получения HA из-за экономических преимуществ. [5]

Бактериальное производство

Некоторые бактерии, такие как Streptococcus , вырабатывают внеклеточную капсулу, содержащую HA. [6] Эта капсула функционирует как молекулярный имитатор, чтобы ускользнуть от иммунной системы хозяина во время процесса инфекции , а также обеспечивает прилипание и защиту. [7] Streptococcus zooepidemicus был использован для первой коммерческой ферментации HA, и это наиболее используемая бактерия, поскольку обеспечивает высокий выход, хотя это патогенный микроорганизм. [8]

Кодирование продукции НА осуществляется генами hasA, hasB, hasC, hasD и hasE у S.zoepidemicus . [9]

Гены и их функции Продукция HA в S. zooepidemicus
ГенФерментФункцияСсылка
hasAСинтаза гиалуроновой кислотыСинтез гиалуроновой кислоты и

транспорт

[10]
hasBУДФ-глюкозодегидрогеназаUDP-GlcA

биосинтез

[11] [12]
hasCУДФ-глюкозопирофосфорилазаUDP-GlcA

биосинтез

[13]
hasDАцетилтрансфераза и

пирофосфорилаза (бифункциональная)

UDP-GlcNAc

биосинтез

[14]
hasEФосфоглюкоизомеразаUDP-GlcNAc

биосинтез

[14]

Из-за патогенности S. zooepidemicus были разработаны генетически модифицированные продуценты, такие как Kluysveromyces  lactis , [15]  Lactococcus lactis , [16] Bacillus subtilis , [17] Escherichia coli , [18]   и Corynebacterium glutamicum [19] [20] .

Биологический процесс

Внутриклеточные факторы

Метаболизм

Промежуточные продукты используются в путях, необходимых для поддержки роста клеток, таких как производство органических кислот,  полисахаридов во время производства гиалуроновой кислоты. [21] гиалуроновая кислота не является необходимым метаболитом и конкурирует с другими метаболитами за участие в потоке углерода в клетке. [4] Восстановительный потенциал S. zooepidemicus может играть роль в производстве гиалуроновой кислоты, поскольку 2 НАД + расходуются во время синтеза одного мономера. Хотя НАД + не контролирует синтез гиалуроновой кислоты при сверхэкспрессии НАДН-оксидазы, [22] он играет большую роль в формировании биомассы .

Некоторые исследования показали, что сбалансированная внутриклеточная концентрация предшественников и сбалансированные их потоки обеспечивают более высокую молекулярную массу, такую ​​как концентрация UDP-ацетилглюкозамина. [23] [24] Ферменты, такие как гиалуронидаза , [25] β-глюкуронидаза [26] S. zooepidemicus снижают выход HA. Концентрация HA увеличивается за счет делеции связанных генов этих ферментов. [25] [26]

С другой стороны, некоторые ферменты индуцируют выработку ГК, такие как сахарозо-6-фосфатгидролаза [27] и гиалуронансинтаза. [28] Использование комбинированных подходов с этими двумя типами ферментов является хорошей стратегией для высокопродуктивного производства ГК. [21]

Мембрана

HA вырабатывается вокруг клетки , выступая в качестве барьера против иммунной системы хозяина бактериями. Только 8% HA остается прикрепленным к клетке, когда клетки достигают стационарной фазы . Биосурфактанты , такие как додецилсульфат натрия (SDS), используются для получения этого продукта. [29] Гиалуронансинтаза , которая является мембраносвязывающим ферментом, является одним из факторов, которые снижают выработку HA. Гиалуронансинтаза ограничивает выработку гиалуроновой кислоты, влияя на морфологию клеток. [29]

Факторы окружающей среды

рН

Органические кислоты, образующиеся при производстве гиалуроновой кислоты S. zooepidemicus, вызывают снижение pH [21] Хотя производство гиалуроновой кислоты без контроля pH обходится дешевле, оно предпочтительнее, поскольку обеспечивает высокий выход гиалуроновой кислоты. [30] [31]

Температура

Производство HA зависит от выхода и молекулярной массы в зависимости от температуры. [32] Производство HA увеличивается, когда бактериальные клетки растут при температуре выше 37°C. Однако выход HA уменьшается, а молекулярная масса выше при ферментации при температуре ниже 32°C. [31]

Аэрация

Хотя S. zooepidemicus является аэротолерантным анаэробом , на выработку гиалуроновой кислоты влияет кислород, поскольку баланс NADH/NAD + в клетках изменяется в зависимости от количества кислорода. Контроль кислорода во время культивирования с помощью скорости перемешивания обеспечивает увеличение как выхода HA, так и молекулярной массы. [33]

Компоненты культуральной среды

Источник углерода является одним из компонентов среды, который влияет на производство микробной ГК. [21] Хотя глюкоза [34] [35] является наиболее используемым источником углерода для производства ГК, для микробного производства используются патока [36] , сахароза [37] и мальтоза [33] .

Для производства ГА также необходимо много аминокислот в питательной среде, поэтому концентрация источника азота имеет решающее значение. [38]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Серра М., Касас А., Тубарро Д., Баррос А.Н., Тейшейра Х.А. (февраль 2023 г.). «Микробное производство гиалуроновой кислоты: обзор». Молекулы . 28 (5): 2084. doi : 10.3390/molecules28052084 . ПМЦ  10004376 . ПМИД  36903332.
  2. ^ Sze JH, Brownlie JC, Love CA (июнь 2016 г.). «Биотехнологическое производство гиалуроновой кислоты: мини-обзор». 3 Biotech . 6 (1): 67. doi :10.1007/s13205-016-0379-9. PMC 4754297 . PMID  28330137. 
  3. ^ Ciriminna R, Scurria A, Pagliaro M (2021). «Микробное производство гиалуроновой кислоты: случай новой технологии в биоэкономике». Биотопливо, биопродукты и биопереработка . 15 (6): 1604– 1610. doi : 10.1002/bbb.2285 . ISSN  1932-104X.
  4. ^ ab Chong BF, Blank LM, Mclaughlin R, Nielsen LK (январь 2005 г.). «Микробное производство гиалуроновой кислоты». Прикладная микробиология и биотехнология . 66 (4): 341– 351. doi :10.1007/s00253-004-1774-4. PMID  15599518.
  5. ^ Шикина EV, Ковалевский RA, Ширковская AI, Тукач PV (2022). "Перспективные бактериальные и грибковые источники гиалуроновой кислоты: обзор". Computational and Structural Biotechnology Journal . 20 : 6214– 6236. doi :10.1016/j.csbj.2022.11.013. PMC 9676211 . PMID  36420162. 
  6. ^ Как производится порошок гиалуроновой кислоты, Stanford Chemicals Company, 2024.9.10
  7. ^ Wessels MR, Moses AE, Goldberg JB, DiCesare TJ (октябрь 1991 г.). «Капсула гиалуроновой кислоты является фактором вирулентности для мукоидных стрептококков группы А». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 88 (19): 8317– 8321. Bibcode : 1991PNAS ...88.8317W. doi : 10.1073/pnas.88.19.8317 . PMC 52499. PMID  1656437. 
  8. ^ Torres-Acosta MA, Castaneda-Aponte HM, Mora-Galvez LM, Gil-Garzon MR, Banda-Magaña MP, Marcellin E и др. (2021-07-21). "Сравнительный экономический анализ эндогенного и рекомбинантного производства гиалуроновой кислоты". Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . 9 : 680278. doi : 10.3389/fbioe.2021.680278 . PMC 8334870. PMID  34368093 . 
  9. ^ Zhang Y, Luo K, Zhao Q, Qi Z, Nielsen LK, Liu H (апрель 2016 г.). «Генетическая и биохимическая характеристика генов, участвующих в синтезе гиалуроновой кислоты у Streptococcus zooepidemicus». Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (8): 3611– 3620. doi :10.1007/s00253-016-7286-1. PMID  26758299.
  10. ^ Crater DL, van de Rijn I (август 1995). "Оперон синтеза гиалуроновой кислоты (имеет) экспрессию в стрептококках группы А". Журнал биологической химии . 270 (31): 18452– 18458. doi : 10.1074/jbc.270.31.18452 . PMID  7629171.
  11. ^ Dougherty BA, van de Rijn I (апрель 1993 г.). «Молекулярная характеристика hasB из оперона, необходимого для синтеза гиалуроновой кислоты в стрептококках группы A. Демонстрация активности UDP-глюкозодегидрогеназы». Журнал биологической химии . 268 (10): 7118– 7124. doi : 10.1016/S0021-9258(18)53153-7 . PMID  8463246.
  12. ^ Chen J, Gao J, Yu Y, Yang S (май 2019). «Полисахаридный пептид на основе гиалуронана, полученный с помощью генетически модифицированного Streptococcus zooepidemicus». Carbohydrate Research . 478 : 25–32 . doi :10.1016/j.carres.2019.04.005. PMID  31042589.
  13. ^ Crater DL, Dougherty BA, van de Rijn I (декабрь 1995 г.). «Молекулярная характеристика hasC из оперона, необходимого для синтеза гиалуроновой кислоты в стрептококках группы A. Демонстрация активности UDP-глюкозопирофосфорилазы». Журнал биологической химии . 270 (48): 28676– 28680. doi : 10.1074/jbc.270.48.28676 . PMID  7499387.
  14. ^ ab Blank LM, Hugenholtz P, Nielsen LK (июль 2008 г.). «Эволюция оперона синтеза гиалуроновой кислоты (has) у Streptococcus zooepidemicus и других патогенных стрептококков». Журнал молекулярной эволюции . 67 (1): 13– 22. Bibcode : 2008JMolE..67...13B. doi : 10.1007/s00239-008-9117-1. PMID  18551332.
  15. ^ V Gomes AM, Netto JH, Carvalho LS, Parachin NS (август 2019 г.). «Гетерологичное производство гиалуроновой кислоты в Kluyveromyces lactis». Микроорганизмы . 7 (9): 294. doi : 10.3390/microorganisms7090294 . PMC 6780701. PMID 31466214  . 
  16. ^ Джива П., Шанмуга Досс С., Сундарам В., Джаяраман Г. (июнь 2019 г.). «Производство гиалуроновой кислоты с контролируемой молекулярной массой с помощью стратегии глюкостата с использованием рекомбинантных культур Lactococcus lactis». Прикладная микробиология и биотехнология . 103 (11): 4363– 4375. doi :10.1007/s00253-019-09769-0. PMID  30968163.
  17. ^ Westbrook AW, Ren X, Moo-Young M, Chou CP (май 2018 г.). «Применение векторов кислорода на основе углеводородов и перфторуглеродов для усиления гетерологичного производства гиалуроновой кислоты в сконструированных Bacillus subtilis». Биотехнология и биоинженерия . 115 (5): 1239– 1252. doi :10.1002/bit.26551. PMID  29384194.
  18. ^ Лай ZW, Тео CH (2019). «Клонирование и экспрессия гиалуронансинтазы (hasA) в рекомбинантной Escherichia coli BL21 и производство ею гиалуроновой кислоты в культуре встряхиваемых колб». Малазийский журнал микробиологии . дои : 10.21161/mjm.190444 . ISSN  2231-7538.
  19. ^ Hoffmann J, Altenbuchner J (сентябрь 2014 г.). «Производство гиалуроновой кислоты с помощью Corynebacterium glutamicum: влияние состава среды на выход и молекулярную массу». Журнал прикладной микробиологии . 117 (3): 663– 678. doi :10.1111/jam.12553. PMID  24863652.
  20. ^ Karami M, Shahraky MK, Ranjbar M, Tabandeh F, Morshedi D, Aminzade S (январь 2021 г.). «Подготовка, очистка и характеристика низкомолекулярной гиалуроновой кислоты». Biotechnology Letters . 43 (1): 133– 142. doi :10.1007/s10529-020-03035-4. PMID  33131008.
  21. ^ abcd Harth ML, Furlan FF, Horta AC (2024-03-27). «Микробное производство гиалуроновой кислоты в 21 веке: дорожная карта к высокому производству, индивидуальный молекулярный вес». Observatório de la Economía Latinoamericana . 22 (3): e3913. doi : 10.55905/oelv22n3-185 . ISSN  1696-8352.
  22. ^ Чонг Б.Ф., Нильсен Л.К. (январь 2003 г.). «Усиление потенциала клеточного восстановления Streptococcus zooepidemicus». Журнал биотехнологии . 100 (1): 33– 41. doi :10.1016/S0168-1656(02)00239-0. PMID  12413784.
  23. ^ Badle SS, Jayaraman G, Ramachandran KB (июль 2014 г.). «Соотношение концентрации внутриклеточных предшественников и их потока влияет на молекулярную массу гиалуроновой кислоты в Streptococcus zooepidemicus и рекомбинантном Lactococcus lactis». Bioresource Technology . 163 : 222– 227. Bibcode : 2014BiTec.163..222B. doi : 10.1016/j.biortech.2014.04.027. PMID  24814248.
  24. ^ Джаганнат С., Рамачандран К. (2010). «Влияние конкурирующих метаболических процессов на молекулярную массу гиалуроновой кислоты, синтезируемой Streptococcus zooepidemicus». Biochemical Engineering Journal . 48 (2): 148– 158. doi :10.1016/j.bej.2009.09.003. ISSN  1369-703X.
  25. ^ ab Pourzardosht N, Rasaee MJ (июнь 2017 г.). «Улучшенный выход высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в стабильном штамме Streptococcus zooepidemicus посредством устранения гена, кодирующего гиалуронидазу». Молекулярная биотехнология . 59 (6): 192– 199. doi :10.1007/s12033-017-0005-z. PMID  28500482.
  26. ^ ab Krahulec J, Krahulcová J (июль 2006 г.). «Увеличение продукции гиалуроновой кислоты штаммом Streptococcus equi subsp. zooepidemicus, дефицитным по бета-глюкуронидазе, в лабораторных условиях». Прикладная микробиология и биотехнология . 71 (4): 415– 422. doi :10.1007/s00253-005-0173-9. PMID  16292534.
  27. ^ Zhang X, Wang M, Li T, Fu L, Cao W, Liu H (декабрь 2016 г.). «Конструирование эффективных штаммов Streptococcus zooepidemicus для производства гиалуроновой кислоты на основе идентификации ключевых генов, участвующих в метаболизме сахарозы». AMB Express . 6 (1): 121. doi : 10.1186/s13568-016-0296-7 . PMC 5125315 . PMID  27896786. 
  28. ^ Закери А., Расаи М.Дж., Пурзардошт Н. (декабрь 2017 г.). «Усиление продукции гиалуроновой кислоты в Streptococcus zooepidemicus за счет сверхэкспрессии HasA и контроля молекулярной массы с помощью нисцина и глюкозы». Biotechnology Reports . 16 : 65–70 . doi :10.1016/j.btre.2017.02.007. PMC 5727345. PMID  29296591 . 
  29. ^ ab Duan XJ, Yang L, Zhang X, Tan WS (апрель 2008 г.). «Влияние кислорода и напряжения сдвига на молекулярную массу гиалуроновой кислоты». Журнал микробиологии и биотехнологии . 18 (4): 718–724 . PMID  18467866.
  30. ^ Amado IR, Vázquez JA, Pastrana L, Teixeira JA (2017). «Микробное производство гиалуроновой кислоты из агропромышленных побочных продуктов: меласса и кукурузный экстракт». Biochemical Engineering Journal . 117 : 181– 187. Bibcode : 2017BioEJ.117..181A. doi : 10.1016/j.bej.2016.09.017. hdl : 10261/140221 .
  31. ^ ab Liu J, Wang Y, Li Z, Ren Y, Zhao Y, Zhao G (октябрь 2018 г.). «Эффективное производство высокомолекулярной гиалуроновой кислоты с помощью двухэтапной ферментации». RSC Advances . 8 (63): 36167– 36171. Bibcode :2018RSCAd...836167L. doi :10.1039/C8RA07349J. PMC 9088804 . PMID  35558483. 
  32. ^ Li Y, Li G, Zhao X, Shao Y, Wu M, Ma T (июнь 2019 г.). «Регулирование молекулярной массы и титра гиалуроновой кислоты температурой в сконструированной Bacillus subtilis». 3 Biotech . 9 (6): 225. doi :10.1007/s13205-019-1749-x. PMC 6529495 . PMID  31139540. 
  33. ^ ab Chong BF, Nielsen LK (2003). «Аэробное культивирование Streptococcus zooepidemicus и роль НАДН-оксидазы». Biochemical Engineering Journal . Biopolymers. 16 (2): 153– 162. Bibcode :2003BioEJ..16..153F. doi :10.1016/S1369-703X(03)00031-7. ISSN  1369-703X.
  34. ^ Attia YA, Kobeasy MI, Samer M (июль 2018 г.). «Оценка влияния магнитных наночастиц на выработку гиалуроновой кислоты у Streptococcus equi». Углеводные полимеры . 192 : 135– 142. doi : 10.1016/j.carbpol.2018.03.037. PMID  29691005.
  35. ^ Абдулла Тайди Н.И., Мохамад Р., Васох Х., Капри М.Р., Газали А.Б., Тан Дж.С. и др. (февраль 2023 г.). «Разработка системы восстановления продуктов in situ (ISPR) с использованием амберлита IRA67 для усиленного биосинтеза гиалуроновой кислоты Streptococcus Zooepidemicus». Жизнь . 13 (2): 558. Бибкод : 2023Жизнь...13..558А. дои : 10.3390/life13020558 . ПМЦ 9966800 . ПМИД  36836914. 
  36. ^ Шукла П., Ананд С., Шривастава П., Мишра А. (сентябрь 2022 г.). «Производство гиалуроновой кислоты путем использования агропромышленных отходов тростниковой патоки». 3 Biotech . 12 (9): 208. doi :10.1007/s13205-022-03265-5. PMC 9352846. PMID  35935546 . 
  37. ^ Pan NC, Biz G, Baldo C, Celligoi MA (2019). «Факторный дизайн в разработке ферментационной среды для производства гиалуроновой кислоты Streptococcus zooepidemicus». Acta Scientiarum. Technology . 42 : e42729. doi : 10.4025/actascitechnol.v42i1.42729 . ISSN  1807-8664.
  38. ^ Armstrong DC, Cooney MJ, Johns MR (1997). «Рост и потребности в аминокислотах у Streptococcus zooepidemicus, продуцирующего гиалуроновую кислоту». Прикладная микробиология и биотехнология . 47 (3): 309– 312. doi :10.1007/s002530050932. ISSN  1432-0614.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Микробная_гиалуроновая_кислота_производство&oldid=1253307626"