Биосинтез поли(3-гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата) бактериями Cupriavidus necator B-10646, культивируемыми на смеси из олеиновой кислоты и предшественников 3-гидроксивалерата

Abstract

Полигидроксиалканоаты (ПГА) привлекают большое внимание в качестве биоразлагаемой альтернативы синтетическим пластикам. Сополимер поли(3- гидроксибутират-со-3-гидроксивалерат) [П(3ГБ-со-3ГВ)] является одним из наиболее охарактеризованных сополимеров ПГА из-за его высокого коммерческого потенциала. Однако применение ПГА, и в частности П(3ГБ-со-3ГВ), ограничено их высокой ценой. Одним из подходов к снижению стоимости производства ПГА является использование недорогих источников углерода (жирных кислот, растительных масел и др). Целью этой работы было исследование синтеза сополимера П(3ГБ-со-3ГВ) бактериями Cupriavidus necator B-10646, культивируемыми на олеиновой кислоте с разными биохимическими предшественниками 3ГВ. Бактерии выращивали в течение 72 ч в термостатируемом шейкере-инкубаторе при 30 °C и 200 об/мин. В качестве предшественников 3ГВ использовали соли пропионовой или валериановой кислоты. Содержание и состав полимера определяли газовой хроматографией метиловых эфиров жирных кислот. Липиды и полимер экстрагировали из биомассы по методу Фолча. Добавление пропионата и валерата калия не ингибировало рост бактерий и синтез полимера. Урожай биомассы и содержание полимера составляло соответственно 9,3-9,5 г/л и 80-83 % от веса сухой биомассы. Использование валерата или пропионата калия привело к синтезу бактериями сополимера П(3ГБ-со-3ГВ) с включением 3ГВ соответственно 21,2 и 14,3 мол. %. Среднечисловая молекулярная масса (Мч) полимера, синтезируемого бактериями при росте исключительно на олеиновой кислоте, составляла 220 кДа, полидисперсность полимера – 3,5. Полимер, синтезируемый в присутствии пропионата или валерата калия, характеризовался более низкой Мч (156-178 кДа) и более высокой полидиперсностью (4,4-4,9). Основными жирными кислотами (ЖК) внутриклеточных липидов бактерий, культивируемых только на олеиновой кислоте, были олеиновая (33,26 % от суммы ЖК) и пальмитиновая кислоты (27,48 % от суммы ЖК). Добавление пропионата или валерата калия не привело к значительным изменениям в составе ЖК внутриклеточных липидов исследуемого штамма. Таким образом, показана способность C. necator B-10646 синтезировать П(3ГБ-со-3ГВ) при росте на смеси из олеиновой кислоты и предшественников 3ГВ. Полученные данные могут быть использованы для разработки и осуществления экономически обоснованного процесса производства П(3ГБ-со-3ГВ)

Polyhydroxyalkanoates have attracted much attention as biodegradable alternative to petroleum-based synthetic plastics. Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) [P(3HB-co-3HV)] copolymer is one of the best characterized PHA copolymers because of its high commercial potential. However, commercial use of PHAs has been limited by their high price. One approach to reducing the cost of PHA production is to use inexpensive carbon sources (fatty acids, plant oils, etc.). The aim of this work was to study synthesis of P(3HB-co-3HV) by the Cupriavidus necator B-10646 bacterium grown on oleic acid and different biochemical precursors of 3HV. Bacterial cells were grown for 72 h at 30°C and 200 rpm on an incubator shaker. Salts of propionic or valeric acids were used as precursors of 3HV. The content and the composition of the polymer were determined by gas chromatography of fatty acid methyl esters. Lipids and polymer were extracted from biomass using the method of Folch. The addition of potassium propionate and valerate did not inhibit bacterial growth and polymer synthesis, the cell concentration and polymer content reaching 9.3-9.5 g/L and 80-83%, respectively. The addition of potassium valerate or propionate led to the synthesis of (P(3HB-co-3HV)) copolymer containing 21.2 and 14.3 mol% of 3HV, respectively. The number average molecular weight (Mn) of the polymer synthesized by the bacterium on oleic acid alone was 220 kDa; the polydispersity of the polymer was 3.5. The polymer synthesized in the presence of potassium valerate and propionate was characterized by a lower Mn (156-178 kDa) and a higher polydispersity of the polymer (4.4-4.9). The main fatty acids (FA) of intracellular lipids were oleic (33.26% of the total FA) and palmitic acid (27.48% of the total FA). The addition of potassium propionate or valerate did not cause any significant changes in the composition of the FA of intracellular lipids of the strain studied. This study demonstrates the ability of C. necator B-10646 to synthesize P(3HB-co-3HV) from mixtures of oleic acid and 3HV precursors. The data obtained can be used to develop and implement an economically feasible process of the P(3HB-co-3HV) production