næringsbalansert ernæring

den viktigste faktoren som påvirker veksten av magnetotaktiske bakterier, og dermed magnetosomdannelse, er konsentrasjon av næringsstoffer, spesielt karbonkilde. Det var ikke mulig å utvide optimaliserte medium forhold bestemt FOR MSR – 1 vekst i shake-kolbe kultur direkte til masseproduksjon skala fermentor kultur . Under MSR-1 kultur, akkumulering av overdreven næringsstoffer og hemmende komponenter i medium utøver hastighetsbegrensende effekter på cellevekst. Ifølge Liebigs Lov Om Minimum, er biomasse i et gitt system vanligvis begrenset av mengden av ett bestemt næringsstoff, selv når andre næringsstoffer er tilstede i overskudd .

en næringsbalansert ernæringsstrategi kan redusere den hemmende effekten av overdreven mengde næringsstoffer i medium. I denne strategien reduseres akkumulering Av Na+ og Cl− ioner ved erstatning av karbon-og nitrogenkilder. I fed-batch kultur, akkumulering Av Na+ Og Cl− ioner reduserer osmotisk potensial og dermed hemmer cellevekst. Selv en lav nacl-konsentrasjon (40 mM) hemmet cellevekst . Dermed kan en næringsbalansert matestrategi øke vekstraten betydelig.

Liu Et al. , etablert en» kjemostatkultur » – teknikk FOR MSR – 1-dyrking basert på pH-stat-tilførsel for å opprettholde konsistens av nitrogen -, karbon-og jernkonsentrasjoner ved bruk av flere organiske syrer. Mikroaerob betingelser ble anvendt FOR MSR – 1 dyrking i en fed-batch autofermentor system. En næringsoppløsning inneholdende (per liter) jernsitrat (4,2 g), melkesyre (52,6 g), natriumlaktat (129 g) Og NH4Cl (54,9 g) ble brukt til ph-stat-mating. Høye verdier av magnetosomutbytte (83,23 ± 5,36 mg L− 1) og cellevekst (55,49 mg L− 1 dag− 1) ble oppnådd ved lavt natriumlaktatnivå (Tabell 1). Kjemostatkulturteknikk fremmer effektivt magnetosomutbytte og cellevekst med lav tid og energikostnad. Cytotoksiske effekter ble observert for høy konsentrasjon av oppløst oksygen (≥20 ppb) og tilstedeværelse av melkesyre i medium. Kunstige kontrollstrategier for autofermentor-systemer må justeres i forhold til fysiologisk tilstand av celler. Tilsvarende Ferná[email protected] et al. , demonstrert pH-stat fed-batch vekst strategi. I denne strategien ble forskjellige konsentrasjoner av melkesyre (karbonkilde) og natriumnitrat (elektron-akseptor) påført i maten. Vekstforhold og intracellulær jernkonsentrasjon ble optimalisert i henhold til biomassekonsentrasjonen. Den høyeste biomassekonsentrasjonen nådde OD565 nm = 15,50 .

Tabell 1 Utbytte produksjon av magnetosomer av magnetotaiske bakterier og deres forhold

MSR – 1 cellevekst og magnetosomdannelse er høy når natriumlaktat brukes som karbonkilde. På den annen side er lav natriumlaktatkonsentrasjon nødvendig for å opprettholde lav oppløst oksygenkonsentrasjon for rask cellevekst og magnetosomdannelse . Vedlikehold av natriumlaktatkonsentrasjon i masseproduksjonsskalering er vanskelig, og det er derfor nødvendig med spesifikke matestrategier i laboratoriet. NH4Cl har vist seg å være en bedre nitrogenkilde Enn NaNO3 .

Zhang et al. , oppnådde maksimal magnetosomutbytte I MSR-1 ved hjelp av en semi-kontinuerlig kulturstrategi. Optimalisert kolbe medium ble brukt i 7,5-Og 42-L autofermentorer, næringsbalansert matestrategi ble brukt, og karbon – og nitrogenkilder ble erstattet for å redusere akkumulering Av Na+ og Cl− ioner. Osmotisk potensial ble redusert ved Na+ og Cl− ion-akkumulering, og hemmet dermed magnetosomutbytte og cellevekst. Vi oppnådde maksimale verdier i fed-batch kultur av magnetosome utbytte 356.52 mg L− 1 og cellevekst 9,16 g L-1 (Tabell 1).

Yang et al. , dyrket AMB-1 celler i magnetisk spirillum vekst medium (MSGM) beriket Med L-cystein, gjær ekstrakt, og polypeptone. I dette systemet, l-cystein forbedret cellevekst og redusert lag fase, noe som resulterer i høy magnetosome produksjon. Tilsetningen av bare gjærekstrakt og polypepton resulterer i litt produksjon av magnetosomer. Gjærekstrakt viser ingen signifikant effekt i magnetosomproduksjon, mens polypepton bare øker den endelige celletettheten . Årsaken til forbedret produksjon av magnetosomer Av L-cystein er ukjent, men det antas at magnetosomproduksjon ikke er forbundet med lavere redokspotensialer i nærvær Av L-cystein . VIDERE KAN AMB-1 vokse uten tilgjengelige aminosyrer, Og L-cysteinsynteseveier I AMB-1 kan ikke være effektive eller relatert til cellevekst. DERFOR KAN AMB-1 direkte bruke L-cystein i stedet for å måtte syntetisere det for å lette cellevekst .

Ke et al. , kultivert Magnetospirillum sp. ME-1 i vekstmedium beriket med natriumacetat, natriumsuksinat, gjærekstrakt, Mgso4, NH4Cl og ferriccitrat. ME-1 benytter karbonkilde for vekst som succinat, fumarat, oksaloacetat, pyruvat, acetat, laktat, malat og pepton. I tillegg KAN ME-1 vokse i fravær av nitrogenkilde, Men NH4Cl eller NaNO3-tilskudd øker me-1-veksten. ME-1 utviser urease-og oksidaseaktivitet, noe som tyder på evnen til aerob vekst, men aerob tilstand hemmer magnetosomdannelsen I ME-1 . Fed-batch gjæring AV ME-1 ble optimalisert ved et konstant nivå av pH 6.8 i en 10-L fermenter basert på pH-statisk mating, mens tilførsel av karbon, nitrogen og jern kilder for storskala produksjon (Tabell 1).

Til tross for det høye utbyttet av magnetosomer inneholder slike utviklede metoder for vekst av magnetotaktiske bakterier giftige komponenter i vekstmedium. Disse komponentene inkluderer kreftfremkallende, mutagene og reprotoksiske kjemikalier, tungmetaller, chelateringsmidler og fn – karakteriserte animalske avledede ingredienser som gjærekstrakt . Det er et stort behov for å oppnå storskala produksjon av rene magnetosomer med lavest mulig mengde slike urenheter eller giftige komponenter (andre metaller enn jern). Derfor Berny et al. , utviklet en minimal vekst medium for magnetosomer produksjon med mindre eller blottet for giftige komponenter, og har lignende magnetosome egenskaper som de som oppnås i de best rapporterte vekstforhold Ved Zhang et al. . For det første ble magnetotaktiske bakterier forsterket i pre-vekstmedium uten å produsere magnetosomer . I andre trinn ble magnetotaktiske bakterier deretter matet med et jernrikt matet batchmedium som inneholdt for å tillate magnetosomsyntese . Etter 50 h vekst nådde biomassekonsentrasjonen TIL OD565 nm = 8 og gir magnetosomerproduksjon på ca. 10 mg / L vekstmedium. En signifikant reduksjon / forsvinning i magnetosomsammensetningen Av Zn, Mn, Ba og Al ble observert . Denne nye strategien for magnetosomes produksjon uten eller laveste konsentrasjon av andre urenheter enn jern, baner vei mot medisinske applikasjoner.

Oppløst oksygenkonsentrasjon

Magnetosombiosyntese krever mikroaerobe eller anoksiske forhold. Lavt oppløst oksygenivå påvirker celleveksten betydelig fordi høy tetthetskultur krever høyt oppløst oksygen for å oppnå ønsket magnetosomutbytte. På den annen side kan økt oppløst oksygen øke MSR – 1 tetthet i kulturmedium, men hemme magnetosomdannelse . En konflikt eksisterer således mellom magnetosomdannelse og cellevekst, noe som gjør det vanskelig å samtidig oppnå høy MSR-1 celletetthet og høyt magnetosomutbytte. Denne konflikten kan løses noe ved å kontrollere oppløst oksygen til et optimalt nivå gjennom justering av cellevekst. Jajanet et al. , rapporterte redusert jernopptak og magnetosomerproduksjon ved oppløst oksygenivå på over 5-10 ppm. Men da oppløst oksygen var lavere enn 5-10 ppm, ble jernopptakshastigheten og produksjonen av magnetosomer økt, noe som sannsynligvis skyldes langsom vekst av bakterier . Sun et al. , etablert massekultur AV MSR-1 for forbedret magnetosomproduksjon i en 42-L fermentor, med optimalisert kolbe medium, ved å bruke strenge mikroaerobiske forhold (nær null oppløst oksygenkonsentrasjon) og ved bruk av jerncitrat og natriumlaktat som jern-og karbonkilder i medium. Denne strategien var effektiv for utbyttedyrking av magnetosomer fordi cellevekst ble regulert ved lav oppløst oksygenkonsentrasjon, noe som resulterte i høyt magnetosomutbytte.

AMB-1 er en fakultativ anaerob magnetotaktisk bakterie som overfører elektroner via to luftveier. UNDER aerobe vekstforhold, AMB-1 benytter oksygen som elektron akseptor og verken fremmer eller hemmer dannelsen av magnetiske partikler. I en alternativ vei BRUKER AMB-1 nitrat som elektron-akseptor og krever derfor lave medieredokspotensialer, som bidrar til magnetosomdannelse. I en studie Av Yang et al. , magnetosome produksjonshastigheten var høy under lav oppløst oksygen konsentrasjon i flytende fase. Når oppløst oksygenkonsentrasjon i væskefase overskredet et visst nivå (0.20 ppm), skiftet luftveiene til aerob vekst, noe som førte til redusert magnetosomproduksjon.

oppløst oksygenkonsentrasjon påvirkes sterkt av luftstrøm og rørehastighet. Når oppløst oksygen under innledende vekstfase økes ved å øke luftstrømmen og omrøringshastigheten, forblir magnetosomutbyttet lavt til oppløst oksygen avtar til et uoppdagelig nivå. For å overvinne dette fenomenet I MSR-1-dyrking, må oppløst oksygen økes til et optimalt nivå ved omrøring, og celler får deretter redusere oppløst oksygen gjennom respirasjon, til det når det optimale nivået for magnetosomdannelse. Høy magnetosomproduksjon ble oppnådd ved å optimalisere / justere luftstrøm og omrøringshastigheter . Under den innledende kulturfasen ble oppløst oksygen redusert ved å opprettholde disse ratene henholdsvis ved 1 l min-1 og 200 rpm min-1. I senere kulturfase ble oppløst oksygen økt ved å justere luftmengden til 2 L min-1 ved 20 h og omrøringshastigheten til 300 rpm min− 1 ved 28 h. under disse forholdene vokste cellene raskt, oppløst oksygen ble uoppdagelig ved 12 h, og celletettheten nådde OD565 nm = 12,3 ved 36 h.natriumlaktat− og jernsitratkonsentrasjoner ble kontrollert henholdsvis i områdene 3-6 mmol L− 1 og 70-110 µ L-1 under prosessen. Høye verdier av magnetosomutbytte (83,23 ± 5,36 mg L− 1) og produktivitet (55,49 mg L− 1 dag− 1) ble dermed oppnådd (Tabell 1).

I ME-1 dyrking ble oppløst oksygen kontrollert for å forbedre magnetosomproduksjonen ved et konstant nivå på 0,5% ved kobling til luftstrømningshastigheten og omrøringshastigheten. Under fed-batch-gjæring produserte en omrøringshastighet (i området 50-300 rpm) en stor mengde magnetosomer ved konstant nivå av oppløst oksygen (0,5%). Den resulterende celletettheten og magnetosomutbyttet ved 49 timer var 6,5 (OD565) og 120 mg L− 1 (våtvekt). Denne strategien oppnådde høy magnetosomutbytte og produktivitet, og indikerer dermed AT ME-1 har stort potensial for storskala produksjon av magnetosomer .

Lave oppløste oksygennivåer er etablert empirisk i mange studier, men uten kontinuerlig måling av oppløst oksygenkonsentrasjon eller definisjon av kontroll i mediet. Heyen Og Schü, etablert en metode for automatisk styring av lav oksygenspenning (pO2) I MSR-1 kultur medium ved hjelp av et fermentor system for oxystat drift. pO2 spenning var korrelert med magnetitt formasjon. Den laveste registrerte pO2-verdien (0,25 mbar; 1 bar = 105 Pa) var den mest gunstige for magnetosomdannelse. Celler dyrket under oksystatforhold viste signifikant høyere magnetittutbytte (6,3 mg L-1 dag-1) (Tabell 1).

Ferrisk ionopptak

Jern er nødvendig som en kofaktor for mange enzymer, spesielt de som er involvert i store biologiske veier. Spesifikke jerntransportmekanismer i celler gir jernnivåer tilstrekkelig for optimal vekst. Noen bakterier produserer jernkelatorer (kalt siderophorer) for å ta opp jern (Fe3+). Magnetotaktiske bakterier syntetiserer magnetosomer som består av magnetitt eller greigitt etter å ha funnet mikroaerofile forhold som er egnet for deres vekst . I MSR-1 er magnetitt hovedkomponenten i magnetosomer, og magnetosomproduksjon påvirkes derfor ikke signifikant av jernsitratkonsentrasjon i kulturmedium. Jajanet et al. , viste at jernholdig sulfat var en bedre kilde til jern enn ferric quinate og ferric citrate For m. gryphiswaldense . I en studie AV AMB-1, Yang et al. , brukt ulike jernholdig sulfat og jern chelater som jernkilder, og sammenlignet deres effekter. Produksjonen av magnetosomer ble betydelig forbedret av jerngallat og sulfat, og ble også påvirket av andre jernkilder (jernkvinat, jernmalat) og av jernopptakshastighet.

Ferrisk ion (Fe3+) tas opp under dynamisk cellevekst, og mengden som tas opp er korrelert med magnetosomdannelse når oppløst oksygenivå i medium er uoppdagelig. Magnetosomdannelse krever mikromolær jernkonsentrasjon og mikrooksiske forhold . MSR – 1-celler er ikke-magnetiske under oksiske forhold, men begynner å produsere magnetitt når oppløst oksygenkonsentrasjon faller under en terskelverdi (20 mbar eller uoppdagelig). I loggfase av cellevekst tas ferrisk ion opp raskt, og absorpsjonshastigheten er > 80% og korrelert med magnetosomdannelse .

Magnetosomsyntese forbruker ATP

ATP ER den universelle energikilden som kreves for metabolisme, molekylær transport, signaltransduksjon og andre viktige cellefysiologiske prosesser. Magnetosomsyntese krever mye energi, og jernopptak avhenger AV ATP-tilgjengeligheten. NADH gir en protongradient over den indre mitokondriamembranen for ATP-produksjon katalysert AV ATP-syntase . NADH/ NAD + – forholdet øker raskt etter magnetosommodning i loggfasen.

Reduserende kraft øker betydelig under magnetosomsyntese; imidlertid kan overdreven reduserende kraft hemme magnetosomsyntese og cellevekst . MSR-1 kan forbruke overdreven reduserende kraft gjennom polyhydroksybutyrat (PHB) syntese og hydrogenutslipp . MSR-1-celler inneholder PHB-granulater . Knockout AV PHB syntase gen I MSR-1 resulterte i ~ 30% økning av magnetosome nummer . Energikonkurranse oppstår dermed mellom PHB og magnetosomsynteseprosessen. En mutant AV ATPASE gen AV MSR og MSR-NPHB opprettet ved konjugering ble brukt som en genetisk engineering verktøy for å demonstrere at kloramfenikol acetyltransferase (CAT) promoter øker nedstrøms ekspresjon Av atpase genet. SAMMENLIGNET MED MSR-1 viste MSR-NPHB 35% større hydrolyseaktivitet, 71% lavere phb-akkumulering, 56% større oksygenforbruk og 40% større laktatforbruk. Maksimal kapasitet FOR MSR-NPHB i en 7,5-L bioreaktor var 58,4 ± 6,4 mg L− 1 . Disse funnene viser at magnetosomutbyttet kan forbedres, og produksjonskostnader og tid reduseres, gjennom genetisk manipulering AV MSR-1 i kombinasjon med optimalisering/ modifikasjon av kultur og vekstmedier.

superoksiddismutaseaktivitet

Magnetosomsyntese er assosiert med in vitro nedbrytning AV H2O2, og med beskyttende effekter mot H2O2 toksisitet i celler. I mikroorganismer bryter enzymet superoksiddismutase NED h2o2 og superoksidanionradikal (O2 -), som begge har ødeleggende effekter på cellemakromolekyler . I magnetotaktiske bakterier reduserer superoksiddismutase også oksidativt stress under magnetosomdannelse. H2O2 kan danne et hydroksylradikal etter å ha mottatt et elektron fra jernholdig jern (Fe2+). Hydroksylradikal er DEN reaktive oksygenarten (ROS) som kan skade biomolekyler . Jan et al. , vist at når tilstrekkelig oppløst oksygen og næringsstoffer er tilgjengelige i sen loggfase, er magnetosomdannelse og modning ikke i stand til å fange opp celledeling, noe som fører til fortynning av magnetosomer. Reduksjon av superoksiddismutaseaktivitet kan derfor skyldes likhet med fortynnet ROS. Magnetosomer, samt kunstige magnetiske nanopartikler, deltar i rensing AV ROS , og denne aktiviteten kan også føre til redusert superoksiddismutaseaktivitet.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.