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.

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 administeringformalin-inactivated vaccine. However, to enhance the application of this vaccine, the cell density of the formalin-inactivated E. coli shouldbe boosted. This can be achieved by reducing the accumulation of acetate, a primary inhibitory metabolite in E. coli fermentation. To thisend, 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. Theoptimized 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 feedingat 0-10 h and 10-24 h, respectively. With Bovine E. coli fermentation under the optimized conditions, the acetate accumulation was 1.12 g/Land 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; DO20%; residual glucose concentration maintained at 2.0 g/L). After analyzing the main nodes of acetate synthesis, it was found that the lowercarbon 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 thanin the original conditions.

___

  • 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

Eisenmenger’s Syndrome in a Cat with Ventricular Septal Defect (Ventriküler Septal Defektli Bir Kedide Eisenmenger Sendromu)

ZEKİ YILMAZ, MERİÇ KOCATÜRK, Pınar LEVENT, AHMET SARIL, HAKAN SALCI, Saim SAĞ

Midye ve Karideslerde Rotavirus, Adenovirus ve Astrovirus Varlığının Multiplex Real-time PCR Kullanılarak Araştırılması

Ayla Ünver ALÇAY, Farouk GHALYOUN

Bimanual Capsulorhexis Using a New Hand Tool: An Experimental Study in Sheep Eye

Koray KARADAYI, Çağrı GÜLTEKİN, Ersin AYTAÇ

The Influence of Carcass Microlocation on the Speed of Postmortem Changes and Carcass Decomposition

Zdravko TOMIĆ, Nenad STOJANAC, Marko R. CINCOVIĆ, Nikolina NOVAKOV, Zorana KOVACEVIC, Ognjen STEVANCEVIC, Jelena ALEKSIĆ

Datong Yak ve Chaidamu Sarı Sığırı Longissimus lumborum Kasında Proteinlerin Farklı Ekspresyonu ve Etin Su Tutma Kapasitesi İle İlişkisi

Jianlei JIA, Qinwen ZHANG, Hongjian ZHANG, Fangming LIN, Jing ZHAO, Qian CHENG

Economic Evaluation in Traditional and Industrial Livestock with Different Levels of Milk Production in Ardebil Province with Emphasis on Risk Criteria

Reza SEYEDSHARIFI, Mohammad GHADIMI, Nemat HEDAYAT EVRIGH, Jamal SEIFDAVATI, Azadeh 1 BOUSTAN, Hossein ABDI BENAMAR

Köpeklerde Kalp ve Böbrekler Üzerine Periodontal Hastalığın Etkisi

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

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

A Historical Research on the First (1927) and Second (1929) Balkan Veterinary Congress on Infectious Animal Diseases

ŞULE SANAL, AYŞE MENTEŞ GÜRLER, MEHMET YAVUZ ERLER

Tavuk Karkaslarından İzole Edilen Salmonella spp. ve Listeria monocytogenes Prevalansı, Antimikrobiyal Direnci ve Moleküler Karakterizasyonu

Tolga KAHRAMAN, Beren BAŞARAN KAHRAMAN, Ghassan ISSA