Optimization of zeaxanthin biosynthesis by the selected strain of Flavobacterium sp

Kamila Petryka

Abstract

Carotenoids are pigments naturally occurring in plants, algae, bacteria, fungi and animals. They are yellow, orange and red, but in a complex with proteins they can be also blue, purple and green. There are over 700 known carotenoids, of which about 560 were isolated from natural sources, and the rest is the result of chemical synthesis. Carotenoids are extremely hydrophobic molecules. They absorb light and they have antioxidant activity. Carotenoids play very important roles in nature. They provide colors to flowers, seeds, fruit, fungi and animals. Also they are involved in photosynthesis and they protect chlorophyll from photodamage. In general, carotenoids are tetraterpenes originating from the condensation of isoprenyl units. In regard of their chemical structure they are divided into carotens and xanthophylls. One of the most important xanthophylls is zeaxanthin. It is responsible for the yellow color of many plants, poultry, fish and birds. Zeaxanthin plays critical role in the prevention of age-related macular degeneration and cancer. It is also used as a colorant in the cosmetic and food industries. In plants zeaxanthin takes part in xanthophyll cycle, which is one of the plant protection mechanisms against light damage. There are three methods of zeaxanthin production: chemical synthesis, extraction from plant tissues and microbial production. Currently, the particular interest in microbial sources of zeaxanthin is growing. Bacteria of the genus Flavobacterium are one of the microbial sources of zeaxanthin. These bacteria are widely distributed in nature. They have been isolated from fresh and marine waters, soil and ocean sediments, foods and food-processing plants, and clinical materials. Genus Flavobacterium contains bacteria that are gram-negative, aerobic and rod-shaped, they produce pigments, they use menaquinone-6 as the primary quinone in respiratory electron transport chains, and their G+C contents of DNAs range from 32 to 37%. Some bacteria of the genus Flavobacterium are reported to produce zeaxanthin as essentially their only carotenoid. Nowadays, seeking of the new strains which synthesize zeaxanthin as their major carotenoid are the subject of intensive research. The aim of this work was to optimize conditions of Flavobacterium sp. 11E3 cultivation allowing for efficient production of zeaxanthin. Flavobacterium sp. 11E3 was isolated from antarctic soil samples in the Chemical Department of the Warsaw University of Technology. Initially, the method of the zeaxanthin extraction was developed allowing the quick assessment of carotenoid production. Subsequently, optimal conditions of inoculum cultivation were selected (24 h, 19oC, TSB medium) and finally, the effect of various nitrogen and carbon sources on zeaxanthin production by Flavobacterium sp. 11E3 was studied. The greatest impact on the zeaxanthin biosynthesis had peptone from soymeal as nitrogen source and glucose as the carbon source, while the effect of culture incubation temperature was insignificant. The selected mineral ATCC 1687 medium supplemented with 3% peptone from soymeal and 0,5% glucose led to six-fold improvement in zeaxanthin production with yield from about 0,93 mg/l to 6,03 mg/l.
Diploma typeMaster of Science
Author Kamila Petryka
Kamila Petryka,,
-
Title in PolishOptymalizacja biosyntezy zeaksantyny przez wybrany szczep Flavobacterium sp
Supervisor Małgorzata Milner-Krawczyk ZTiBSL
Małgorzata Milner-Krawczyk,,
- Department Of Drug Technology And Biotechnology
Certifying unitFaculty of Chemistry (FC)
Affiliation unitDepartment Of Drug Technology And Biotechnology (DDTB)
Study subject / specializationBiotechnologia Chemiczna - Leki i Kosmetyki
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date10-07-2013
Issue date (year)2013
Keywords in Polish-
Keywords in English-
Abstract in PolishKarotenoidy są barwnikami naturalnymi obecnymi w roślinach, glonach, bakteriach, grzybach oraz zwierzętach. Charakteryzują się barwą od żółtej do czerwonej, a w połączeniu z karotenoproteinami, mogą przyjmować zabarwienie niebieskie, purpurowe lub zielone. Dotychczas opisano ponad 700 karotenoidów, z czego około 560 wyizolowano z materiału biologicznego, a reszta jest wynikiem syntez chemicznych. Karotenoidy są cząsteczkami nierozpuszczalnymi w wodzie, zdolnymi do absorpcji światła, wykazującymi aktywność przeciwwolnorodnikową i przeciwutleniającą. Oprócz nadawania barw, pełnią wiele ważnych funkcji zarówno w organizmach roślinnych oraz zwierzęcych, jak i w mikroorganizmach, m.in. powstrzymują tworzenie reaktywnych form tlenu, przerywają reakcje wolnorodnikowe, biorą udział w fotosyntezie, zabezpieczają chlorofile przed fotooksydacją. Karotenoidy są związkami polienowymi, zbudowanymi zazwyczaj z ośmiu jednostek izoprenowych. Ze względu na strukturę chemiczną dzielimy je na: karoteny i ksantofile. Jednym z najważniejszych ksantofili jest zeaksantyna. Jest ona odpowiedzialna za żółtą barwę wielu roślin, ryb i ptaków. W organizmie ludzkim gromadzi się głównie w obrębie tkanek narządu wzroku i pełni tam funkcję ochronną. Ponadto wykazano również jej działanie przeciwnowotworowe oraz pozytywny wpływ na skórę. W organizmach roślinnych pełni rolę ochronną aparatu fotosyntetycznego, biorąc udział w cyklu ksantofilowym. Znane są trzy metody otrzymywania zeaksantyny: synteza chemiczna, ekstrakcja z materiału roślinnego i metoda biotechnologiczna. Obecnie wzrasta zainteresowanie metodami biotechnologicznymi wykorzystującymi odpowiednie bakterie, glony oraz drożdże. Spośród mikroorganizmów biosyntezujących zeaksantynę, na szczególną uwagę zasługują bakterie z rodzaju Flavobacterium. Są one szeroko rozpowszechnione w przyrodzie – zostały wyizolowane, m.in. z wód słodkich i morskich, gleb, osadów oceanicznych, żywności oraz materiałów klinicznych. Rodzaj Flavobacterium obejmuje głównie bakterie Gram-ujemne, tlenowe, o kształcie pałeczek, wytwarzające barwniki, posiadające menachinon-6 jako główny chinon w łańcuchu oddechowym oraz wykazujące zawartość zasad G+C w DNA w granicach 32-37%. Część bakterii Flavobacterium sp. jest zdolna do syntezy zeaksantyny jako głównego karotenoidu. Biosyntezowana przez nie zeaksantyna stanowi ok. 95-99% wszystkich karotenoidów. Obecnie poszukiwane są kolejne szczepy bakteryjne biosyntezujące ten cenny barwnik z dużą wydajnością. W niniejszej pracy ustalono optymalne warunki hodowli szczepu Flavobacterium sp. 11E3, wyizolowanego z próbki gleby antarktycznej w Zakładzie Technologii i Biotechnologii Środków Leczniczych, pozwalające na wydajną produkcję zeaksantyny przez ten szczep. Opracowano metodę ekstrakcji zeaksantyny pozwalającą na szybką ocenę ilościową izolowanego barwnika oraz wybrano optymalne warunki hodowli inokulum (24 h, 19oC, na pożywce TSB). Ponadto, sprawdzono wpływ różnych źródeł węgla i azotu oraz temperatury hodowli na wydajność biosyntezy zeaksantyny. Największy wpływ na produkcję zeaksantyny miał pepton z mąki sojowej jako źródło azotu oraz glukoza jako źródło węgla, natomiast temperatura inkubacji hodowli produkcyjnych miała niewielki wpływ na wydajność biosyntezy. Odpowiednio dobrana pożywka mineralna ATCC 1687 z jednoczesnym dodatkiem 3% peptonu z mąki sojowej jako źródła azotu oraz 0,5% glukozy jako źródła węgla pozwoliła na uzyskanie sześciokrotnego wzrostu wydajności produkcji zeaksantyny z poziomu 0,93 mg/l pożywki do poziomu 6,03 mg/l pożywki.
File
Praca dyplomowa magisterska.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) Praca dyplomowa magisterska.pdf 1.82 MB


Back