افزایش تولید پلی گاما گلوتامیک اسید با تخمیر غیرمداوم و غیرمداوم همراه با خوراک‌دهی باسیلوس لیکنی فورمیس ATCC 9945a و بررسی ساختار فیزیکی و شیمیایی آن

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 مجتمع دانشگاهی شیمی و مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 مجتمع دانشگاهی شیمی و مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر ، تهران، ایران

3 دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده
پلی گاما گلوتامیک اسید یک بیوپلیمر سودمند، زیست سازگار، و زیست تخریب پذیر می‌باشد. چنین خواصی باعث توسعه استفاده از این ترکیب در صنایع مختلف مثل زیست پزشکی، زیست داروئی، زیست فناوری، و مهندسی بافت شده است. محدودیت توسعه صنعتی پلی گاما گلوتامیک اسید، هزینه‌ی بالای تولید آن است. برای کاهش هزینه های تولید از راهکارهای مختلفی مثل: بهینه‌سازی محیط کشت با استفاده از ترکیبات ارزان قیمت، توسعه فرایندهای کارآمد کشت غیرمداوم و غیرمداوم همراه با خوراک‌دهی استفاده شده است. در این پژوهش ابتدا یک محیط کشت غیرمداوم کارآمد برای تولید پلی گاما گلوتامیک اسید از سویه باکتریایی باسیلوس لیکنی فورمیس ATCC 9945a توسعه داده شد. سپس با روش خوراک‌دهی پالسی و بهینه‌سازی آن، تولید پلی گاما گلوتامیک اسید افزایش داده شد. با توسعه یک محیط کشت بهینه، تولید این محصول در کشت غیر مداوم از g/L 11 به g/L 47 افزایش یافت. سپس با استفاده از راهبرد خوراک‌دهی پالسی سیترات (پیش‌ساز γ-PGA) بهینه‌سازی شده، تولید محصول به g/L 5/59 افزایش داده شد، که از بالاترین مقادیر تولید هست که با این سویه گزارش شده است. برای بهینه‌سازی خوراک‌دهی دو پالسی، اثر زمان های خوراک‌دهی، غلظت محلول ذخیره سیترات، و زمان افزودن محلولهای کلسیم و منگنز روی تولید γ-PGA بررسی و بهینه‌سازی شدند. در انتها نیز ساختار شیمیایی پلی گاما گلوتامیک اسید به وسیله FTIR مورد تایید قرار گرفت و بررسی خواص شکل شناسی آن با SEM یک نانو-ساختار ایده آل برای کاربردهای زیستی را نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


1- Luo Z, Guo Y, Liu J, Qiu H, Zhao M, Zou W, Li S. Microbial synthesis of poly-γ-glutamic acid: current progress, challenges, and future perspectives. Biotechnol Biofuels. 2016; 9(1):134.
2- Ogunleye A, Bhat A, Irorere VU, Hill D, Williams C, Radecka I. Poly-γ-glutamic acid: production, properties and applications. Microbiology. 2015; 161(1):1-17.
3- Bajaj I, Singhal R. Poly (glutamic acid)–an emerging biopolymer of commercial interest. Bioresour Technol. 2011; 102(10):5551-61.
4- Akagi T, Matsusaki M, Akashi M. Pharmaceutical and medical applications of poly-gamma-glutamic acid. In: Amino-acid homopolymers occurring in nature. Berlin: Springer; 2010. pp. 119-53.
5- Hsueh YH, Huang KY, Kunene SC, Lee TY. Poly-γ-glutamic acid synthesis, gene regulation, phylogenetic relationships, and role in fermentation. Int J Mol Sci. 2017; 18(12):2644.
6- Ashiuchi M. Microbial production and chemical transformation of poly-γ-glutamate. Microb Biotechnol. 2013; 6(6):664-74.
7- Manocha B, Margaritis A. Production and characterization of γ-polyglutamic acid nanoparticles for controlled anticancer drug release. Crit Rev Biotechnol. 2008; 28(2):83-99.
8- Wang Q, Wei X, Chen, S. Production and application of poly-γ-glutamic acid. In: Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. Elsevier; 2017. pp. 693-717.
9- Sirisansaneeyakul S, Cao M, Kongklom N, Chuensangjun C, Shi Z, Chisti Y. Microbial production of poly-γ-glutamic acid. World J Microbiol Biotechnol. 2017; 33(9):173.
10- Xu Z, Zhang H, Chen H, Shi F, Huang J, Wang S, Song C. Microbial Production of Poly‐γ‐Glutamic Acid. In: Yang ST, El-Enshasy HA, Thongchul N, editor. Bioprocessing Technologies in Biorefinery for Sustainable Production of Fuels, Chemicals, and Polymers. John Wiley & Sons; 2013. pp. 427-40.
11- Birrer GA, Cromwick AM, Gross RA. γ-Poly (glutamic acid) formation by Bacillus licheniformis 9945a: physiological and biochemical studies. Int J Biol Macromol. 1994; 16(5):265-75.
12- Yoon SH, Do JH, Lee SY, Chang HN. Production of poly-γ-glutamic acid by fed-batch culture of Bacillus licheniformis. Biotechnol Lett. 2000; 22(7):585-8.
13- Cromwick AM, Gross RA. Effects of manganese (II) on Bacillus licheniformis ATCC 9945A physiology and γ-poly (glutamic acid) formation. Int J Biol Macromol. 1995; 17(5):259-67.
14- Cromwick AM, Birrer GA, Gross RA. Effects of pH and aeration on gamma-poly (glutamic acid) formation by Bacillus licheniformis in controlled batch fermentor cultures. Biotechnol Bioeng. 1996; 50(2):222–7.
15- Feng J, Shi Q, Zhou G, Wang L, Chen A, Xie X, Huang X, Hu W. Improved production of poly-γ-glutamic acid with low molecular weight under high ferric ion concentration stress in Bacillus licheniformis ATCC 9945a. Process Biochem. 2017; 56:30-6.
16- Troy FA. Chemistry and Biosynthesis of the Poly (γ-d-glutamyl) Capsule in Bacillus licheniformis I. PROPERTIES OF THE MEMBRANE-MEDIATED BIOSYNTHETIC REACTION. J Biol Chem. 1973; 248(1):305-15.
17- Troy FA. Chemistry and biosynthesis of the poly (γ-D-glutamyl) capsule in Bacillus licheniformis II. Characterization and structural properties of the enzymatically synthesized polymer. J Biol Chem. 1973; 248(1):316-24.
18- Ko YH, Gross RA. Effects of glucose and glycerol on γ‐poly (glutamic acid) formation by Bacillus licheniformis ATCC 9945a. Biotechnol Bioeng. 1998; 57(4):430-7.
19- Mitsunaga H, Meissner L, Büchs J, Fukusaki E. Branched chain amino acids maintain the molecular weight of poly (γ-glutamic acid) of Bacillus licheniformis ATCC 9945 during the fermentation. J Biosci Bioeng. 2016; 122(4):400-5.
20- Mitsunaga H, Meissner L, Palmen T, Bamba T, Büchs J, Fukusaki E. Metabolome analysis reveals the effect of carbon catabolite control on the poly (γ-glutamic acid) biosynthesis of Bacillus licheniformis ATCC 9945. J Biosci Bioeng. 2016; 121(4):413-9.
21- Giannos SA, Shah D, Gross RA, Kaplan DL, Mayer JM. Poly (glutamic acid) produced by bacterial fermentation. In: Dawes EA, editor. Novel Biodegradable Microbial Polymers. Netherlands: Springer; 1990. Nato Science Series E; 186. pp. 457-60.
22- Goto A, Kunioka M. Biosynthesis and hydrolysis of poly (γ-glutamic acid) from Bacillus subtilis IFO3335. Biosci Biotechnol Biochem. 1992; 56(7):1031–5.
23- Do JH, Chang HN, Lee SY. Efficient recovery of γ-poly (glutamic acid) from highly viscous culture broth. Biotechnol Bioeng. 2001; 76(3):219–23.
24- Pereira CL, Antunes JC, Gonçalves RM, Ferreira-da-Silva F, Barbosa MA. Biosynthesis of highly pure poly-γ-glutamic acid for biomedical applications. J Mater Sci Mater Med. 2012; 23(7):1583-91.
25- Lin B, Li Z, Zhang H, Wu J, Luo M. Cloning and expression of the γ-polyglutamic acid synthetase gene pgsBCA in Bacillus subtilis WB600. Biomed Res Int. 2016; Article ID: 3073949.
26- Wang F, Liang J, Wang W, Fu D, Xiao W. A new and efficient method for purification of poly-γ-glutamic acid from high-viscosity fermentation broth. Trop J Pharm Res. 2017; 16(6):1267-75.
27- Cromwick AM, Gross RA. Investigation by NMR of metabolic routes to bacterial γ-poly (glutamic acid) using 13C-labeled citrate and glutamate as media carbon sources. Can J Microbiol. 1995; 41(10):902-9.
28- Abdel-Fattah Y, Soliman N, Berekaa M. Application of Box-Behnken Design for Optimization of Poly-γ-Glutamic Acid Production by Bacillus licheniformis SAB-26. Res J Microbiol. 2007; 2(9):664-70.
29- Zhang C, Wu D, Qiu X. Stimulatory effects of amino acids on γ-polyglutamic acid production by Bacillus subtilis. Sci Rep. 2018; 8(1):1-9.
30- Patra JK, Das G, Fraceto LF, Campos EV, del Pilar Rodriguez-Torres M, Acosta-Torres LS, Diaz-Torres LA, Grillo R, Swamy MK, Sharma S, Habtemariam S. Nano based drug delivery systems: recent developments and future prospects. J Nanobiotechnology. 2018; 16(1):1-33.