Effect of different sucrose concentrations on the biosynthesis of poly-3-hydroxybutyrate and alginate by the bacterial strain Azotobacter vinelandii 12 under different aeration conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Bacteria of the genus Azotobacter sp. produce two classes of biologically important biocompatible and biodegradable polymers – polyoxyalkanoates, which are the bacterial reserve, and alginates (ALG), which perform the function of protecting nitrogenase from oxygen. Both polymers are becoming increasingly important for use in bioengineering, pharmaceuticals and medicine, so studies of their biosynthesis and properties are currently highly relevant. The present work shows the possibility of regulating alginate and poly-3-hydroxybutyrate (PHB) synthesis by A. vinelandii 12 culture depending on the increase of sucrose concentration in the medium under different aeration conditions. At high aeration and high sucrose concentration in the medium (50 g/L), the maximum yield of free (1.08 g/L) and capsular ALG (2.26 g/L) in the medium was obtained. Under low aeration conditions, the synthesis of free ALG was completely inhibited. The maximum value of РНB synthesis was observed at medium aeration and high concentration of sucrose (50 g/l) in the medium. The maximum molecular weight (MW) of ALG was 477 kDa, while the maximum MW of PHB was much higher, reaching 1479 kDa. At low sucrose concentrations in the medium (5 to 20 g/l), capsular ALG is predominantly synthesized (up to 100% of the sum of all polymers) at all aeration levels. With increasing sucrose concentration, PHB is predominantly synthesized (68%) under low aeration conditions, an equal ratio of PHB and capsular ALG synthesis is observed under medium aeration conditions, and free ALG is actively synthesized under high aeration conditions. This work demonstrates the possibility of obtaining a selective synthesis of ALG or PHB by A. vinelandii 12 by modifying its cultivation conditions. The results obtained can be used for the development of directed biosynthesis of target products (PHB and ALG) in biotechnology.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Dudun

Research Center of Biotechnology of the Russian Academy of Sciences; Gamaleya National Research Centre for Epidemiology and Microbiology, Ministry of Health of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: dudunandrey@mail.ru

Bach Institute of Biochemistry

Russian Federation, Moscow, 119071; Moscow, 123098

T. K. Makhina

Research Center of Biotechnology of the Russian Academy of Sciences

Email: dudunandrey@mail.ru

Bach Institute of Biochemistry

Russian Federation, Moscow, 119071

A. P. Bonartsev

M.V. Lomonosov Moscow State University

Email: dudunandrey@mail.ru

Faculty of Biology

Russian Federation, Moscow, 119234

G. A. Bonartseva

Research Center of Biotechnology of the Russian Academy of Sciences

Email: dudunandrey@mail.ru

Bach Institute of Biochemistry

Russian Federation, Moscow, 119071

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Growth of the bacterial strain A. vinelandii 12 at different levels of aeration and sucrose concentration in the medium from 5 g/l to 50 g/l (fermentation time – 72 h): 1 – 150 rpm; 2 – 200 rpm; 3 – 250 rpm. Multiple comparison according to Kruskal-Wallis between all groups has a significance level of p < 0.05.

Download (124KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Biosynthesis of free (a, g/l) and capsular (b, g/l) ALG, productivity of Azotobacter vinelandii 12 synthesis of free (c) and capsular (d) ALG: 1 – 150 rpm; 2 – 200 rpm; 3 – 250 rpm. Multiple comparison according to Kruskal-Wallis between all groups has a significance level of p < 0.05.

Download (383KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Biosynthesis (a, g/l) and productivity (b, g/g) of PHB by the bacterial strain A. vinelandii 12: 1 – 150 rpm; 2 – 200 rpm; 3 – 250 rpm. Multiple comparison according to Kruskal-Wallis between all groups has a significance level of p < 0.05.

Download (199KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. MM of capsular ALGs synthesized at high aeration levels by Azotobacter vinelandii 12 bacteria and different sucrose concentrations. Kruskal-Wallis multiple comparison between all groups has a significance level of p < 0.05.

Download (110KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Composition of synthesized biopolymers (PHB and ALG) by Azotobacter vinelandii 12 cells at different sucrose concentrations in the medium and different aeration: a – 150 rpm; b – 200 rpm; c – 250 rpm.

Download (528KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».