Производство микробной гиалуроновой кислоты
Микробное производство гиалуроновой кислоты представляет собой процесс, в ходе которого 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 способности удерживать влагу и вязкоэластичности . [2] Первоначально ГК извлекалась из петушиных гребней в ограниченных количествах. [3] Однако такие проблемы, как низкая урожайность, высокие производственные затраты и этические проблемы, связанные с ГК животного происхождения, стимулировали разработку методов микробного производства ГК. [4]
Хотя существуют и другие методы, например химический синтез и модификация, химиоферментативный синтез, ферментативный синтез; микробная ферментация предпочтительна для производства ГК из-за экономических преимуществ. [5]
Бактериальное производство
[ редактировать ]Некоторые бактерии, такие как Streptococcus , образуют внеклеточную капсулу, содержащую ГК. Эта капсула действует как молекулярный имитатор, ускользая от иммунной системы хозяина во время процесса заражения , а также обеспечивая прикрепление и защиту. [6] Streptococcus Zooepidemicus был использован для первой коммерческой ферментации ГК, и это наиболее часто используемые бактерии, поскольку они обеспечивают высокие выходы, хотя и являются патогенными микроорганизмами. [7]
Кодирование продукции НА осуществляется генами hasA, hasB, hasC, hasD и hasE у S.zoepidemicus . [8]
| Ген | Фермент | Функция | Ссылка |
|---|---|---|---|
| неА | Синтаза гиалуроновой кислоты | Синтез ГК и
транспорт |
[9] |
| имеетB | УДФ-глюкозодегидрогеназа | UDP-GlcA
биосинтез |
[10] [11] |
| имеетC | УДФ-глюкозопирофосфорилаза | UDP-GlcA
биосинтез |
[12] |
| имеетD | Ацетилтрансфераза и
пирофосфорилаза (бифункциональная) |
UDP-GlcNAc
биосинтез |
[13] |
| имеетE | Фосфоглюкоизомераза | UDP-GlcNAc
биосинтез |
[13] |
Были разработаны генетически модифицированные продуценты, такие как Kluysveromyces Lactis , [14] Лактококк лактис [15] Бацилла субтилис [16] Эшерихия коли , [17] и коринебактерия глутамикум [18] [19] из-за патогенеза S.zoepidemicus .
Биологический процесс
[ редактировать ]Внутриклеточные факторы
[ редактировать ]Метаболизм
[ редактировать ]Промежуточные соединения используются в путях, необходимых для поддержки роста клеток, таких как производство органических кислот и полисахаридов во время производства ГК. [20] ГК не является незаменимым метаболитом и конкурирует с другими метаболитами за участие в потоке углерода в клетке. [4] Редукционный потенциал S.zoepidemicus может играть роль в выработке гиалуроновой кислоты, поскольку 2 НАД + расходуются при синтезе одного мономера. Хотя НАД + не контролирует синтез ГК при сверхэкспрессии НАДН-оксидазы, [21] 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 УДФ-ацетилглюкозамина. [22] [23] Ферменты, такие как гиалуронидаза , [24] β-глюкуронидаза [25] S.zoepidemicus . снижают выход ГК Концентрация НА увеличивается за счет делеции связанных генов этих ферментов. [24] [25]
С другой стороны, некоторые ферменты, такие как сахарозо-6-фосфататгидролаза, индуцируют выработку ГК. [26] и гиалуронансинтаза. [27] Использование комбинированных подходов с этими двумя типами ферментов является хорошей стратегией для производства ГК с высоким выходом. [20]
Мембрана
[ редактировать ]ГК вырабатывается вокруг клетки , служа барьером против иммунной системы хозяина , создаваемой бактериями. Только 8% НА остается прикрепленным к клетке, когда клетки достигли стационарной фазы . биосурфактанты, такие как додецилсульфат натрия (SDS). Для получения этого продукта используются [28] Гиалуронансинтаза , мембраносвязывающий фермент, является одним из факторов, снижающих выработку ГК. Гиалуронансинтаза ограничивает выработку гиалуроновой кислоты, влияя на морфологию клеток. [28]
Факторы окружающей среды
[ редактировать ]рН
[ редактировать ]Органические кислоты, образующиеся при выработке ГК S.zoepidemicus, вызывают pH. снижение [20] Хотя производство ГК без контроля pH обходится дешевле, оно предпочтительнее, поскольку обеспечивает высокий выход гиалуроновой кислоты. [29] [30]
Температура
[ редактировать ]На производство ГК на выход и молекулярную массу влияет температура. [31] Производство ГК увеличивается, когда бактериальные клетки растут при температуре выше 37°C. Однако выход ГК снижается, а молекулярная масса увеличивается при ферментации при температуре ниже 32°C. [30]
Аэрация
[ редактировать ]Хотя S.zoepidemicus является аэротолерантным анаэробом , на выработку гиалуроновой кислоты влияет кислород, поскольку НАДН/НАД + баланс клеток меняется в зависимости от количества кислорода. Контроль кислорода во время культивирования посредством скорости перемешивания обеспечивает увеличение как выхода ГК, так и ее молекулярной массы. [32]
Компоненты культурных медиа
[ редактировать ]Источник углерода является одним из компонентов среды, влияющим на продукцию микробной ГК. [20] Хотя глюкоза [33] [34] наиболее часто используется в качестве источника углерода для производства ГК; патока , [35] сахароза , [36] и мальтоза [32] используются для микробного производства.
Для производства ГК также необходимо большое количество аминокислот в культуральной среде, поэтому концентрация источника азота имеет решающее значение. [37]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ Сзе Дж. Х., Браунли Дж. К., Лав Калифорния (июнь 2016 г.). «Биотехнологическое производство гиалуроновой кислоты: мини-обзор» . 3 Биотехнологии . 6 (1): 67. дои : 10.1007/s13205-016-0379-9 . ПМЦ 4754297 . ПМИД 28330137 .
- ^ Чириминна Р., Скуррия А., Пальяро М. (2021). «Микробное производство гиалуроновой кислоты: случай новой технологии в биоэкономике» . Биотопливо, биопродукты и биопереработка . 15 (6): 1604–1610. дои : 10.1002/bbb.2285 . ISSN 1932-104Х .
- ^ Перейти обратно: а б Чонг Б.Ф., Бланк Л.М., Маклафлин Р., Нильсен Л.К. (январь 2005 г.). «Микробное производство гиалуроновой кислоты». Прикладная микробиология и биотехнология . 66 (4): 341–351. дои : 10.1007/s00253-004-1774-4 . ПМИД 15599518 .
- ^ Шикина Е.В., Ковалевский Р.А., Ширковская А.И., Тукач П.В. (2022). «Перспективные бактериальные и грибковые источники гиалуроновой кислоты: обзор» . Журнал вычислительной и структурной биотехнологии . 20 : 6214–6236. дои : 10.1016/j.csbj.2022.11.013 . ПМЦ 9676211 . ПМИД 36420162 .
- ^ Весселс М.Р., Мозес А.Е., Голдберг Дж.Б., ДиЧезаре Т.Дж. (октябрь 1991 г.). «Капсула с гиалуроновой кислотой является фактором вирулентности мукоидных стрептококков группы А» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 88 (19): 8317–8321. Бибкод : 1991PNAS...88.8317W . дои : 10.1073/pnas.88.19.8317 . ПМК 52499 . ПМИД 1656437 .
- ^ Торрес-Акоста М.А., Кастанеда-Апонте Х.М., Мора-Гальвес Л.М., Хиль-Гарсон М.Р., Банда-Маганья член парламента, Марселлин Э. и др. (21 июля 2021 г.). «Сравнительный экономический анализ эндогенного и рекомбинантного производства гиалуроновой кислоты» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 9 : 680278. дои : 10.3389/fbioe.2021.680278 . ПМЦ 8334870 . ПМИД 34368093 .
- ^ Чжан Ю, Ло К., Чжао Ц, Ци Цзы, Нильсен Л.К., Лю Х (апрель 2016 г.). «Генетическая и биохимическая характеристика генов, участвующих в синтезе гиалуроновой кислоты у Streptococcus Zooepidemicus». Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (8): 3611–3620. дои : 10.1007/s00253-016-7286-1 . ПМИД 26758299 .
- ^ Кратер DL, ван де Рейн I (август 1995 г.). «Оперон синтеза гиалуроновой кислоты (имеет) экспрессию у стрептококков группы А» . Журнал биологической химии . 270 (31): 18452–18458. дои : 10.1074/jbc.270.31.18452 . ПМИД 7629171 .
- ^ Догерти Б.А., ван де Рейн I (апрель 1993 г.). «Молекулярная характеристика hasB из оперона, необходимого для синтеза гиалуроновой кислоты у стрептококков группы А. Демонстрация активности УДФ-глюкозодегидрогеназы» . Журнал биологической химии . 268 (10): 7118–7124. дои : 10.1016/S0021-9258(18)53153-7 . ПМИД 8463246 .
- ^ Чен Дж., Гао Дж., Ю Ю, Ян С. (май 2019 г.). «Полисахаридный пептид на основе гиалуронана, созданный генетически модифицированным Streptococcus Zooepidemicus». Исследование углеводов . 478 : 25–32. doi : 10.1016/j.carres.2019.04.005 . ПМИД 31042589 .
- ^ Кратер Д.Л., Догерти Б.А., ван де Рейн I (декабрь 1995 г.). «Молекулярная характеристика hasC из оперона, необходимого для синтеза гиалуроновой кислоты у стрептококков группы А. Демонстрация активности УДФ-глюкозопирофосфорилазы» . Журнал биологической химии . 270 (48): 28676–28680. дои : 10.1074/jbc.270.48.28676 . ПМИД 7499387 .
- ^ Перейти обратно: а б Бланк Л.М., Хугенхольц П., Нильсен Л.К. (июль 2008 г.). «Эволюция оперона синтеза гиалуроновой кислоты (имеет) у Streptococcus Zooepidemicus и других патогенных стрептококков». Журнал молекулярной эволюции . 67 (1): 13–22. Бибкод : 2008JMolE..67...13B . дои : 10.1007/s00239-008-9117-1 . ПМИД 18551332 .
- ^ В. Гомеш А.М., Нетто Дж.Х., Карвалью Л.С., Парачин Н.С. (август 2019 г.). «Гетерологичная продукция гиалуроновой кислоты Kluyveromyces Lactis » . Микроорганизмы . 7 (9): 294. doi : 10.3390/microorganisms7090294 . ПМК 6780701 . ПМИД 31466214 .
- ^ 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. дои : 10.1007/s00253-019-09769-0 . ПМИД 30968163 .
- ^ Уэстбрук А.В., Рен Х, Му-Янг М., Чоу С.П. (май 2018 г.). «Применение углеводородных и перфторуглеродных векторов кислорода для усиления гетерологичной продукции гиалуроновой кислоты в сконструированных Bacillus subtilis». Биотехнология и биоинженерия . 115 (5): 1239–1252. дои : 10.1002/бит.26551 . ПМИД 29384194 .
- ^ Лай З.В., Тео Ч. (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 .
- ^ Хоффманн Дж., Альтенбухнер Дж. (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. дои : 10.1111/jam.12553 . ПМИД 24863652 .
- ^ Карами М., Шахраки М.К., Ранджбар М., Табанде Ф., Моршеди Д., Аминзаде С. (январь 2021 г.). «Получение, очистка и характеристика низкомолекулярной гиалуроновой кислоты». Биотехнологические письма . 43 (1): 133–142. дои : 10.1007/s10529-020-03035-4 . ПМИД 33131008 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Харт МЛ, Фурлан ФФ, Орта АК (27 марта 2024 г.). «Микробное производство гиалуроновой кислоты в 21 веке: путь к высокому производству с индивидуальной молекулярной массой» . Обсерватория латиноамериканской экономики . 22 (3): e3913. дои : 10.55905/oelv22n3-185 . ISSN 1696-8352 .
- ^ Чонг Б.Ф., Нильсен Л.К. (январь 2003 г.). «Усиление потенциала клеточного восстановления Streptococcus Zooepidemicus». Журнал биотехнологии . 100 (1): 33–41. дои : 10.1016/S0168-1656(02)00239-0 . ПМИД 12413784 .
- ^ Бадле С.С., Джаяраман Г., Рамачандран К.Б. (июль 2014 г.). «Соотношение концентрации внутриклеточных предшественников и их потока влияет на молекулярную массу гиалуроновой кислоты в Streptococcus Zooepidemicus и рекомбинантном Lactococcus Lactis». Биоресурсные технологии . 163 : 222–227. Бибкод : 2014BiTec.163..222B . doi : 10.1016/j.biortech.2014.04.027 . ПМИД 24814248 .
- ^ Джаганнатх С., Рамачандран К. (2010). «Влияние конкурирующих метаболических процессов на молекулярную массу гиалуроновой кислоты, синтезируемой Streptococcus Zooepidemicus». Биохимический инженерный журнал . 48 (2): 148–158. дои : 10.1016/j.bej.2009.09.003 . ISSN 1369-703X .
- ^ Перейти обратно: а б Пурзардошт Н., Расаи М.Дж. (июнь 2017 г.). «Увеличенный выход продукции высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в стабильном штамме Streptococcus Zooepidemicus посредством устранения гена, кодирующего гиалуронидазу». Молекулярная биотехнология . 59 (6): 192–199. дои : 10.1007/s12033-017-0005-z . ПМИД 28500482 .
- ^ Перейти обратно: а б Крахулец Ю., Крагулцова Ю. (июль 2006 г.). «Увеличение продукции гиалуроновой кислоты штаммом Streptococcus equi subsp. Zooepidemicus с дефицитом бета-глюкуронидазы в лабораторных условиях». Прикладная микробиология и биотехнология . 71 (4): 415–422. дои : 10.1007/s00253-005-0173-9 . ПМИД 16292534 .
- ^ Чжан X, Ван М, Ли Т, Фу Л, Цао В, Лю Х (декабрь 2016 г.). «Создание эффективных штаммов Streptococcus Zooepidemicus для продукции гиалуроновой кислоты на основе идентификации ключевых генов, участвующих в метаболизме сахарозы» . АМБ Экспресс . 6 (1): 121. дои : 10.1186/s13568-016-0296-7 . ПМК 5125315 . ПМИД 27896786 .
- ^ Закери А., Расаи М.Дж., Пурзардошт Н. (декабрь 2017 г.). «Увеличенное производство гилуроновой кислоты у Streptococcus Zooepidemicus за счет чрезмерной экспрессии HasA и контроля молекулярной массы с помощью нисцина и глюкозы» . Отчеты о биотехнологиях . 16 :65–70. дои : 10.1016/j.btre.2017.02.007 . ПМЦ 5727345 . ПМИД 29296591 .
- ^ Перейти обратно: а б Дуань XJ, Ян Л., Чжан X, Тан WS (апрель 2008 г.). «Влияние кислорода и напряжения сдвига на молекулярную массу гиалуроновой кислоты». Журнал микробиологии и биотехнологии . 18 (4): 718–724. ПМИД 18467866 .
- ^ Амадо И.Р., Васкес Х.А., Пастрана Л., Тейшейра Х.А. (2017). «Микробное производство гиалуроновой кислоты из побочных продуктов агропромышленного комплекса: патоки и кукурузного отвара». Журнал биохимической инженерии . 117 : 181–187. Бибкод : 2017BioEJ.117..181A . дои : 10.1016/j.bej.2016.09.017 . hdl : 10261/140221 .
- ^ Перейти обратно: а б Лю Дж, Ван Ю, Ли З, Жэнь Ю, Чжао Ю, Чжао Г (октябрь 2018 г.). «Эффективное производство высокомолекулярной гиалуроновой кислоты с помощью двухэтапной ферментации» . РСК Прогресс . 8 (63): 36167–36171. Бибкод : 2018RSCAd...836167L . дои : 10.1039/C8RA07349J . ПМК 9088804 . ПМИД 35558483 .
- ^ Ли Ю, Ли Г, Чжао Х, Шао Ю, Ву М, Ма Т (июнь 2019 г.). «Регуляция молекулярной массы и титра гиалуроновой кислоты температурой у сконструированных Bacillus subtilis » . 3 Биотехнологии . 9 (6): 225. дои : 10.1007/s13205-019-1749-x . ПМК 6529495 . ПМИД 31139540 .
- ^ Перейти обратно: а б Чонг Б.Ф., Нильсен Л.К. (2003). «Аэробное культивирование Streptococcus Zooepidemicus и роль НАДН-оксидазы». Журнал биохимической инженерии . Биополимеры. 16 (2): 153–162. Бибкод : 2003BioEJ..16..153F . дои : 10.1016/S1369-703X(03)00031-7 . ISSN 1369-703X .
- ^ Аттиа Я.А., Кобеаси М.И., Самер М. (июль 2018 г.). «Оценка влияния магнитных наночастиц на продукцию гиалуроновой кислоты Streptococcus equi». Углеводные полимеры . 192 : 135–142. дои : 10.1016/j.carbpol.2018.03.037 . ПМИД 29691005 .
- ^ 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 . ПМК 9966800 . ПМИД 36836914 .
- ^ Шукла П., Ананд С., Шривастава П., Мишра А. (сентябрь 2022 г.). «Производство гиалуроновой кислоты путем использования агропромышленных отходов тростниковой патоки» . 3 Биотехнологии . 12 (9): 208. дои : 10.1007/s13205-022-03265-5 . ПМЦ 9352846 . ПМИД 35935546 .
- ^ Пан NC, Биз Дж., Бальдо С., Челлигои М.А. (2019). «Факторный дизайн при разработке ферментационной среды для производства гиалуроновой кислоты Streptococcus Zooepidemicus» . Acta Scientiarum. Технология . 42 : е42729. doi : 10.4025/actascitechnol.v42i1.42729 . ISSN 1807-8664 .
- ^ Армстронг, округ Колумбия, Куни М.Дж., Джонс М.Р. (1997). «Рост и потребности в аминокислотах продуцирующего гиалуроновую кислоту Streptococcus Zooepidemicus». Прикладная микробиология и биотехнология . 47 (3): 309–312. дои : 10.1007/s002530050932 . ISSN 1432-0614 .