Optimization of Culture Conditions for High Cell-Density Fermentation of Bovine Escherichia coli

Bovine Escherichia coli infection, which causes major economic losses to the cattle industry each year, can be prevented by administering formalin-inactivated vaccine. However, to enhance the application of this vaccine, the cell density of the formalin-inactivated E. coli should be boosted. This can be achieved by reducing the accumulation of acetate, a primary inhibitory metabolite in E. coli fermentation. To this end, the present study investigated the effect of pH, dissolved oxygen (DO) levels, and feeding methods on bovine E. coli fermentation, and developed two-stage pH and DO control strategies and a combined pH- and DO-mediated feeding strategy for the fermentation. The optimized conditions for Bovine E. coli were pH 7.0 at 0-10 h, 6.5 at 10-24 h; DO 50% at 0-10 h, 30% at 10–24 h; pH and DO feedback feeding at 0-10 h and 10-24 h, respectively. With Bovine E. coli fermentation under the optimized conditions, the acetate accumulation was 1.12 g/L and the cell density was 36.47 (OD600), which were 59.12% lower and 77.29% higher than these with the original conditions (pH 7.0; DO 20%; residual glucose concentration maintained at 2.0 g/L). After analyzing the main nodes of acetate synthesis, it was found that the lower carbon flux enters the Embden-Meyerhof pathway. Under the optimized conditions, the pyruvate flux and acetyl-CoA synthesis were low, and much of the acetyl-CoA participated in the tricarboxylic acid cycle. The extracellular acetate flux was 8.3%, which was 65.13% lower than in the original conditions.

Sığırlarda Escherchia coli’nin Yüksek Hücre Yoğunluğunda Fermentasyonu İçin En Uygun Kültür Koşullarının Sağlanması

Sığırlardaki Escherchia coli enfeksiyonları her yıl sığırcılık sektörünü büyük çaplı maddi zarara uğratmakla birlikte, formalinle etkisizleştirilmiş bakteriden yapılan aşıyla önlenebilmektedir. Ancak, bu aşının etkisini artırmak için formalinde etkisizleştirmiş E. coli hücre yoğunluğunun artırılması gerekmektedir. Bunu elde etmek için E. coli fermentasyonunu baskılayan birincil bir metabolik ürün olan asetatın birikimi azaltılmalıdır. Bu amaçla, mevcut çalışmada pH, çözünmüş oksijen (ÇO) düzeyleri ve beslenme şeklinin sığırlardaki E. coli fermentasyonuna etkileri araştırılmış ve iki aşamalı bir pH ve ÇO kontrolü stratejisi geliştirilerek pH ve ÇO düzeylerini birlikte değerlendiren bir beslenme planı ile fermentasyonun artırılması yoluna gidilmiştir. Sığır E. coli için optimize edimiş koşullar pH için 0-10 saat aralığında 7.0, 10-24 saat aralığında 6.5; ÇO için 0-10 saat aralığında %50, 10-24 saat aralığında %30, pH ve ÇO temelinde besleme için sırasıyla 0-10 saat ve 10-24 saat olarak belirlendi. Optimize koşullar altında sığır E. coli fermentasyonu ile birlikte asetat birikimi 1.12 g/L olup hücre yoğunluğu 36.47 (OD600) olarak tespit edildi. Bu değerler orjinal koşullardan (pH 7.0; ÇO %20; kalıntı glukoz derişimi 2.0 g/L’de tutulmuş) sırasıyla %59.12 daha düşük ve %77.29 daha yüksek bulunmuştur. Asetat sentezinin temel unsurları incelendiğinde, daha az olan karbon akışının EmbdenMeyerhof yolağına kaydığı saptanmıştır. En uygun koşullarda pirüvat akımı ve asetil CoA sentezi düşük iken, asetil CoA’nın büyük çoğunluğu trikarboksilik asit döngüsüne katılmıştır. Hücre dışı asetat akımı %8.3 olup, özgün koşullara göre %63.13 daha düşük çıkmıştır.

___

Marrannes R: Computer model of unstirred layer and intracellular pH changes: Determinants of unstirred layer pH. J Biol Phys, 39, 515-564, 2013. DOI: 10.1007/s10867-013-9309-9

Scherholz ML, Curtis WR: Achieving pH control in microalgal cultures through fed-batch addition of stoichiometrically-balanced growth media. BMC Biotechnol, 13, 39, 2013. DOI: 10.1186/1472-6750-13-39

Wang J, Cheng LK, Wang J, Liu Q, Shen T, Chen N: Genetic engineering of Escherichia coli to enhance production of L-tryptophan. Appl Microbiol Biotechnol, 97, 7587-7596, 2013. DOI: 10.1007/s00253-013-5026-3

Rabinowitz JD, Kimball E: Acidic acetonitrile for cellular metabolome extraction from Escherichia coli. Anal Chem, 79, 6167-6173, 2007. DOI: 10.1021/ac070470c

Lin CW, Cheng LK, Wang J, Zhang SL, Fu Q, Li SG, Li F, Han WY, Shen ZQ: Optimization of culture conditions to improve the expression level of beta1-epstion toxin of Clostridium perfringens type B in Escherichia coli. Biotechnol Biotechnol Equip, 30 (2): 324-331, 2016. DOI: 10.1080/13102818.2015.1126201

Cheng LK, Wang J, Fu Q, Miao LZ, Yang XY, Li SG, Li F, Shen ZQ:Optimization of carbon and nitrogen sources and substrate feeding strategy to increase the cell density of Streptococcus suis. Biotechnol Biotechnol Equip, 29 (4): 779-785, 2015. DOI: 10.1080/13102818.2015.1039465

Shen YL, Zhang Y, Sun AY, Xia XX, Wei DZ, Yang SL: High-level production of soluble tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (Apo21/TRAIL) in high-density cultivation of recombinant Escherichia coli using a combined feeding strategy. Biotechnol Lett, 26, 981-984, 2004.

Johnston W, Cord-Ruwisch R, Cooney M: Industrial control of recombinant E. coli fed-batch culture: New perspectives on traditional controlled variables. Bioprocess Biosyst Eng, 25 (2): 111-120, 2002. DOI: 10.1007/s00449-002-0287-8

Cheng LK, Wang J, Xu QY, Xie XX, Zhang YJ, Zhao CG, Chen N: Effect of feeding strategy on L-tryptophan production by recombinant Escherichia coli. Ann Microbiol, 62, 1625-1634, 2012. DOI: 10.1007/s13213- 012-0419-6

Cheng HC, Wang FS: Optimal process solvent design for ethanol extractive fermentation with cell recycling. Biochem Eng J, 41, 258-265, 2008. DOI: 10.1016/j.bej.2008.05.004

Baez A, Shiloach J: Escherichia coli avoids high dissolved oxygen stress by activation of SoxRS and manganese superoxide dismutase. Microb Cell Fact, 12, 23, 2013. DOI: 10.1186/1475-2859-12-23

Kleman GL, Strohl WR: Acetate metabolism by Escherichia coli in high-cell-density fermentation. Appl Environ Microbiol, 60 (11): 3952- 3958, 1994.

Stancik LM, Stancik DM, Schmidt B, Barnhart DM, Yoncheva YN, Slonczewski JL: pH-dependent expression of periplasmic proteins and amino acid catabolism in Escherichia coli. J Bacteriol, 184 (15): 4246-4258, 2002. DOI: 10.1128/JB.184.15.4246-4258.2002

Cheng LK, Wang J, Xu QY, Zhao CG, Shen ZQ, Xie XX, Chen N: Strategy for pH control and pH feedback-controlled substrate feeding for high-level production of L-tryptophan by Escherichia coli. World J Microbiol Biotechnol, 29, 883-890, 2013. DOI: 10.1007/s11274-012-1243-7

Chang DE, Shin S, Rhee JS, Pan JG: Acetate metabolism in a pta mutant of Escherichia coli W3110: Importance of maintaining acetyl coenzyme a flux for growth and survival. J Bacteriol, 181 (21): 6656-6663, 1999.

Zhao CG, Cheng LK, Xu QY, Wang J, Shen S, Chen N: Improvement of the production of L-tryptophan in Escherichia coli by application of a dissolved oxygen stage control strategy. Ann Microbiol, 66, 843-854, 2016. DOI: 10.1007/s13213-015-1172-4

De Anda R, Lara AR, Hernández V, Hernández-Montalvo V, Gosset G, Bolívar F, Ramírez OT: Replacement of the glucose phosphotransferase transport system by galactose permease reduces acetate accumulation and improves process performance of Escherichia coli for recombinant protein production without impairment of growth rate. Metab Eng, 8 (3): 281-290, 2006. DOI: 10.1016/j.ymben.2006.01.002

Lu N, Zhang B, Cheng LK, Wang JS, Zhang SL, Fu SJ, Xiao YQ, Liu HY: Gene modification of Escherichia coli and incorporation of process control to decrease acetate accumulation and increase L-tryptophan production. Ann Microbiol, 67, 567-576, 2017. DOI: 10.1007/s13213-017-1289-8

Phue JN, Shiloach J: Impact of dissolved oxygen concentration on acetate accumulation and physiology of E. coli BL21, evaluating transcription levels of key genes at different dissolved oxygen conditions. Metab Eng, 7, 353-363, 2005. DOI: 10.1016/j.ymben.2005.06.003

Eiteman MA, Altman E: Overcoming acetate in Escherichia coli recombinant protein fermentations. Trends Biotechnol, 24 (11): 530-536, 2006. DOI: 10.1016/j.tibtech.2006.09.001

Castaño-Cerezo S, Pastor JM, Renilla S, Bernal V, Iborra JL, Cánovas M: An insight into the role of phosphotransacetylase (pta) and the acetate/acetyl-CoA node in Escherichia coli. Microb Cell Fact, 8, 54, 2009. DOI: 10.1186/1475-2859-8-54

Miniats OP, Smart NL, Ewert E: Vaccination of gnotobiotic primary specific pathogen-free pigs against Haemophilus parasuis. Can J Vet Res, 55, 33-36, 1991.

Zhao J: The study of prevention and cure for calf Escherichia coli infection. China Qinghai J Ani Veter Sci, 45 (4): 59-60, 2015.
Kafkas Üniversitesi Veteriner Fakültesi Dergisi-Cover
  • ISSN: 1300-6045
  • Yayın Aralığı: Yılda 6 Sayı
  • Başlangıç: 1995
  • Yayıncı: Kafkas Üniv. Veteriner Fak.
Sayıdaki Diğer Makaleler

Erdebil Bölgesinde Farklı Ölçeklerde Süt Üretimi Olan Geleneksel ve Endüstriyel Hayvancılık İşletmelirindeki Risk Faktörlerinin Ekonomik Değerlendirmesi

Azadeh BOUSTAN, Mohammad GHADIMI, Hossein ABDI BENAMAR, Reza SEYEDSHARIFI, Nemat HEDAYAT EVRIGH, Jamal SEIFDAVATI

Some Characteristics of Erzincan Tulum Cheese Produced Using Different Probiotic Cultures and Packaging Material

OKTAY TOMAR, GÖKHAN AKARCA, Mehmet BEYKAYA, ABDULLAH ÇAĞLAR

Köpeklerde Medial Koronoid Hastalığının Klinik ve Radyografik Olarak Değerlendirilmesi: 20 Olgu

Didar AYDIN KAYA, Kemal ALTUNATMAZ

Çiğ Tavuk Etlerinden İzole Edilen Termofilik Campylobacter İzolatlarının Prevalansı ve Antimikrobiyal Direnci

Mehmet Cemal ADIGUZEL, Gülay Merve BAYRAKAL, Esra AKKAYA, Ahmet KOLUMAN, Tolga KAHRAMAN, Beren BAŞARAN KAHRAMAN, Ghassan ISSA, Funda YILMAZ EKER

Karkas Mikrolokasyonunun Postmortem Değişiklikler ve Karkas Dekompozisyonu Üzerine Etkisi

Nikolina NOVAKOV, Zorana KOVAČEVIĆ, Zdravko TOMIĆ, Marko R. CINCOVIĆ, Jelena ALEKSIĆ, Ognjen STEVANČEVIĆ, Nenad STOJANAC

Clinical, Bacteriological, and Histopathological Aspects of Endotoxic Pyometra in Bitches

MÜRŞİDE AYŞE DEMİREL, Sevil ATALAY VURAL, MEHMET RIFAT VURAL, OSMAN KUTSAL, Ziynet GÜNEN, ŞÜKRÜ KÜPLÜLÜ

Domuzların Geç-Son Yetiştirme Döneminde Sinbiyotik İlavesinin Büyüme Performansı, Kas Antioksidan Kapasitesi, Mineral Birikimi ve Et Kalitesi Üzerine Etkilerinin Değerlendirilmesi

Ye Fei CHENG, Yue Ping CHEN, Ming Fang DU, Chao WEN, Yan Min ZHOU

Evaluation of Dietary Synbiotic Supplementation on Growth Performance, Muscle Antioxidant Ability and Mineral Accumulations, and Meat Quality in Late-finishing Pigs

Ye Fei CHENG, Yue Ping CHEN, Ming Fang DU, Chao WEN, Yan Min ZHOU

Optimization of Culture Conditions for High Cell-Density Fermentation of Bovine Escherichia coli

Jishan LIU, Shuguang LI, Xiaojing XIE, Hongmei HU, Qiang FU, Yueqiang XIAO, Guanggang QU, Zhiqiang SHEN, Likun CHENG

Köpeklerde Kalp ve Böbrekler Üzerine Periodontal Hastalığın Etkisi

Izabela POLKOWSKA, Aleksandra SOBCZYŃSKA-RAK, Tomasz SZPONDER, Beata ŻYLIŃSKA, Urszula ORZĘDAŁA-KOSZEL, Igor CAPIK, Łukasz MATUSZEWSKI