University of Oulu

Development and application of enzymatic substrate feeding strategies for small-scale microbial cultivations : applied for Escherichia coli, Pichia pastoris, and Lactobacillus salivarius cultivations

Saved in:
Author: Panula-Perälä, Johanna1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Environmental Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526208831
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-08-04
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (YB210), Linnanmaa, on 14 August 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Heikki Ojamo
Doctor Antti Vasala
Professor Peter Neubauer
Reviewer: Docent Markku Saloheimo
Doctor Kristiina Kiviharju
Opponent: Doctor Juha-Pekka Pitkänen
Description:

Abstract

Small-scale cultivation methods are a necessity for the development of new biotechnological processes. The most common method for submerged microbial cultivation is a shake flask used with a batch operation protocol. Well plate cultivation formats have also increased their importance, due to the need to utilize high-throughput cultivations for efficient product development. However, batch cultivation is often not the optimal method for obtaining high cell densities and good product quality, due to unlimited microbial growth.

The aim of this dissertation was to improve small-scale microbial cultivations for microbial growth and product formation. Hydrolytic enzymes were utilized to relieve nutrient limitation by hydrolysis of proteins in lactic acid bacteria cultures to improve lactic acid production from dairy side products. Hydrolytic enzymes were also utilized in the enzymatic release of glucose from starch to create a fed-batch-like cultivation system applicable on small scale. The wireless sensor system developed was applied in shake flask cultivations to monitor oxygen and pH levels.

Enzymatic polymer processing was applicable for small-scale cultivations. Lactic acid production by Lactobacillus salivarius ssp. salicinius was enhanced four-fold when the proteins were hydrolyzed either by proteases or by proteolytic microbes. The fed-batch-mimicking controlled glucose feeding and growth control were obtained by means of the simultaneous enzymatic hydrolysis of starch-polymer during cultivation. Controlled growth, higher cell densities, decreased side product formation and increased amount of soluble protein product were obtained in Escherichia coli cultivations. When this method was applied to the cultivation and recombinant protein production of the methylotrophic yeast Pichia pastoris, higher cell densities and higher amounts of active protein were obtained. The glucose concentration remained low enough to avoid the substrate repression of the alcohol oxidase promoter.

The fed-batch method is suitable for high-throughput cultivations since the method can be utilized in well plate formats without external feeding devices. The method can be utilized in the development of new biotechnological products, especially when the production system is sensitive to growth conditions, and growth control is preferred.

see all

Tiivistelmä

Pienen mittakaavan mikrobikasvatusmenetelmiä tarvitaan kehitettäessä uusia bioteknologisia prosesseja. Tavallisin menetelmä mikrobien liuoksessa tapahtuvaan kasvatukseen on panostyyppisesti tehtävä sekoituspullokasvatus. Kuoppalevykasvatukset ovat myös tulleet entistä tärkeämmiksi, koska tuotekehityksen tehostamiseksi on tarvetta käyttää high-throughput-menetelmiä. Tavoiteltaessa korkeita mikrobisolutiheyksiä ja tuotteen hyvää laatua, panostyyppinen kasvatus ei ole usein paras vaihtoehto, johtuen mikrobien rajoittamattomasta kasvusta.

Tämän työn tarkoituksena oli parantaa mikrobien kasvua ja tuotteen muodostusta pienen mittakaavan kasvatuksissa. Meijeriteollisuuden sivutuotteiden proteiineja pilkottiin entsyymien avulla, jotta maitohappobakteerit pystyivät hyödyntämään proteiinit tehokkaammin ja tuottamaan enemmän maitohappoa. Hydrolyyttisiä entsyymejä hyödynnettiin myös glukoosin vapauttamiseen tärkkelyksestä, jolloin saatiin luotua pieneen mittakaavaan sopiva panossyöttötyyppinen kasvatusmenetelmä. Työn aikana kehitettyä langatonta mittausjärjestelmää hyödynnettiin sekoituspullokasvatuksissa happipitoisuuden ja pH:n seurantaan.

Entsymaattinen polymeerien käsittely oli soveltuva menetelmä pienen mittakaavan kasvatuksiin. Maitohapon tuotto Lactobacillus salivarius ssp. salicinius -mikrobilla nelinkertaistui, kun ravinneproteiinit pilkottiin joko proteaasien tai proteolyyttisten mikrobien avulla. Panossyöttömenetelmää muistuttava hallittu glukoosin syöttö ja mikrobin kasvun hallinta saavutettiin pilkkomalla tärkkelystä glukoosiksi kasvatuksen aikana. Escherichia coli kasvatuksissa saavutettiin hallittu solumäärän kasvu, korkeammat solutiheydet, vähentynyt sivutuotteiden muodostus ja suurempi liukoisen tuoteproteiinin määrä. Tätä menetelmää sovellettiin myös vierasproteiinin tuottoon metylotrofisella Pichia pastoris -hiivalla, jolloin saavutettiin korkeammat solutiheydet ja suurempi aktiivisen tuoteproteiinin määrä. Glukoosin määrä kasvatusliuoksessa pysyi riittävän alhaisena, jotta se ei repressoinut hiivan alkoholioksidaasi-promoottoria.

Panossyöttömenetelmä on sopiva high-throughput-mikrobikasvatuksiin, koska sitä voidaan käyttää kuoppalevyillä ilman syöttölaitteita. Menetelmää voidaan hyödyntää uusien bioteknisten tuotteiden kehittämisessä erityisesti silloin, kun tuottoisäntä on herkkä kasvuolosuhteiden suhteen ja mikrobin kasvua halutaan hallita.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0883-1
ISBN Print: 978-952-62-0882-4
Issue: 540
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2015. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.