RU2806183C1 - Symbiotic mixture of bacteria for xanthan destruction - Google Patents

Symbiotic mixture of bacteria for xanthan destruction Download PDF

Info

Publication number
RU2806183C1
RU2806183C1 RU2022129167A RU2022129167A RU2806183C1 RU 2806183 C1 RU2806183 C1 RU 2806183C1 RU 2022129167 A RU2022129167 A RU 2022129167A RU 2022129167 A RU2022129167 A RU 2022129167A RU 2806183 C1 RU2806183 C1 RU 2806183C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
xanthan
units
xanthanase
bacteria
mixture
Prior art date
Application number
RU2022129167A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Светлана Владимировна Швецова
Елена Васильевна Журишкина
Елена Владимировна Энейская
Анна Алексеевна Кульминская
Дарья Алексеевна Головкина
Анна Олеговна Изотова
Елизавета Николаевна Виноградова
Анастасия Сергеевна Крылова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2806183C1 publication Critical patent/RU2806183C1/en

Links

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: invention concerns a new symbiotic mixture of bacteria that produces a xanthanase enzyme complex. The basis of the symbiotic mixture is made up of strains identified as a result of metagenomic analysis: Paenibacillus sp.FSL R7-277 — 83%, Cellulosimicrobium cellulans — 17%. Percentages reported at taxonomic levels are percentages for mapped reads only. Metagenomic reads have been deposited in the NCBI Sequence Read Archive (SRA) database (BioProject database number PRJNA849974). The composition of the proposed xanthanase complex was determined by measuring the specific activities of the following enzymes: 27.5 units/g of beta-glucosidase, 25.2 units/g of alpha-mannosidase, 6.3 units/g of beta-mannosidase, 7.9 units/g of endoglucanase, 183 units/g of xanthan lyase.
EFFECT: invention makes it possible to expand the range of microorganisms producing enzymes that degrade xanthan, and can also be used in biotechnology to produce new highly specific enzymes capable of complete destruction of the main and side chains of xanthan.
1 cl, 1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области микробиологии и биотехнологии и касается новой симбиотической смеси бактерий, продуцирующей ксантаназный комплекс ферментов. Изобретение может найти применение в области нефтедобычи, пищевой и фармакологической (медицинской) промышленности.The invention relates to the field of microbiology and biotechnology and concerns a new symbiotic mixture of bacteria that produces a xanthanase enzyme complex. The invention can find application in the field of oil production, food and pharmacological (medical) industries.

Большой объем полисахарида ксантана используется в процессах интенсификации работы нефтяных и газовых скважин в качестве расклинивающего агента, что обусловлено способностью ксантана повышать вязкость буровых растворов. Продукты на основе ксантановой камеди выпускаются под такими торговыми марками, как Rhodopol-23P, Zibozan, Flowzan, Flo-Vis и др.: Журнал СФУ. Техника и технологии. 2013. Т. 6(1). С. 95-106 [1]. С точки зрения экологии и природопользования важно, чтобы по завершению работ вязкость растворов бурения (расклинивающего агента) была существенно снижена, для чего необходимо провести их деструкцию.A large volume of xanthan polysaccharide is used in the processes of intensification of oil and gas wells as a proppant, due to the ability of xanthan to increase the viscosity of drilling fluids. Products based on xanthan gum are produced under such trademarks as Rhodopol-23P, Zibozan, Flowzan, Flo-Vis, etc.: Siberian Federal University Journal. Technics and techology. 2013. T. 6(1). pp. 95-106 [1]. From the point of view of ecology and environmental management, it is important that upon completion of the work, the viscosity of drilling solutions (proppant) is significantly reduced, for which it is necessary to carry out their destruction.

Существуют способы химической деструкции сложного полимера ксантана, требующие воздействия сильных кислот и высоких температур: Macromolecules. 1993. Т. 26, №22, С. 6111-6120 [2]. Более экологичными и менее энергозатратными способами признаны биологические способы деструкции ксантановых смол посредством ферментов, синтезируемых микроорганизмами.There are methods for chemical destruction of the complex xanthan polymer that require exposure to strong acids and high temperatures: Macromolecules. 1993. T. 26, No. 22, pp. 6111-6120 [2]. Biological methods of destruction of xanthan gums through enzymes synthesized by microorganisms are recognized as more environmentally friendly and less energy-consuming methods.

Ксантан представляет собой внеклеточный полисахарид, продуцируемый микроорганизмами Xanthamonas campestris. Основная цепь ксантана состоит из остатков D-глюкопиранозы, соединенных между собой Р~1,4-гликозидной связью. Боковые цепи образованы D-маннозой (β-1,4), D-глюкуроновой кислотой (β-1,2) и D-маннозой, которая связана с молекулой глюкозы а-1,3-связью: Биополимеры растений. 2021. №4. С. 95-104 [3]; J. Environ. Manage. 2014. T. 144. С. 1-25 [4]. Боковые цепи ксантана модифицированы пируватными и/или ацетильными группами, их количество в структуре связано с вязкостью и стабильностью биополимера: Biotechnol. Res. Innov. 2022, T. 6, №1. С.e202204 [5].Xanthan is an extracellular polysaccharide produced by the microorganism Xanthamonas campestris. The main chain of xanthan consists of D-glucopyranose residues connected to each other by a P~1,4-glycosidic bond. The side chains are formed by D-mannose (β-1,4), D-glucuronic acid (β-1,2) and D-mannose, which is linked to the glucose molecule by an α-1,3 bond: Plant biopolymers. 2021. No. 4. pp. 95-104 [3]; J. Environ. Manage. 2014. T. 144. pp. 1-25 [4]. Xanthan side chains are modified with pyruvate and/or acetyl groups, their amount in the structure is related to the viscosity and stability of the biopolymer: Biotechnol. Res. Innov. 2022, T. 6, No. 1. P.e202204 [5].

Ферменты, используемые при деструкции ксантана, объединяют единым термином «ксантаназы» или «ксантаназный комплекс». Термин «ксантаназа» применяется для обозначения всего комплекса ксантанолитических ферментов, катализирующих реакции деградации ксантана. Недостаток информации об использовании индивидуальных ферментов, входящих в этот комплекс, их характеристиках и вкладе в процесс деградации ксантана, а также о продуцентах таких ферментов ограничивает создание эффективного инструмента для полной деструкции основных и боковых цепей ксантана. Исходя из структуры молекулы ксантана, для его полной деградации, включая его боковые цепи, необходимы, как минимум, следующие ферменты: эндо-глюканаза, ксантан-лиаза, бета-глюкозидаза или глюкуронидаза, маннозидаза (альфа- и/или бета-): Дисс. на соискание уч. степени канд. биол. наук, Москва, 2022 [6].The enzymes used in the destruction of xanthan are collectively termed “xanthanase” or “xanthanase complex.” The term “xanthanase” is used to refer to the entire complex of xanthanolytic enzymes that catalyze xanthan degradation reactions. The lack of information on the use of individual enzymes included in this complex, their characteristics and contribution to the process of xanthan degradation, as well as on the producers of such enzymes, limits the creation of an effective tool for the complete destruction of xanthan main and side chains. Based on the structure of the xanthan molecule, for its complete degradation, including its side chains, at least the following enzymes are required: endo-glucanase, xanthan lyase, beta-glucosidase or glucuronidase, mannosidase (alpha and/or beta): Diss . for academic competition Ph.D. degrees biol. Sciences, Moscow, 2022 [6].

Известны методики деструкции ксантана с использованием ферментов, продуцируемых бактериями рода Paenibacillus: Iran J Biotechnol. 2017. T. 15, №2. С. 120-127 [7], а также посредством ксантаназы из бактериального штамма Corynebacterium 20/122: Патент ЕР 0030393 В1, 1983 [8]. В патенте RU2754795 был зарегистрирован штамм бактерий Paenibacillus taichungensis 15, обладающий способностью разлагать ксантан и использовать его в качестве единственного источника углерода: Патент RU 2754795 [9]. При культивировании штамма в течение 96 часов, он способен продуцировать кулыуральную жидкость с активностью 26 ед/мл по отношению к ксантану. В патенте WO 9839397 «Методы и материалы для деградации ксантана», описано использование смешанной бактериальной культуры, депонированной в коллекции микроорганизмов под номером АТСС №55941, демонстрирующей общую ксантаназную активность 10,4 ед/г [10].There are known methods for the destruction of xanthan using enzymes produced by bacteria of the genus Paenibacillus: Iran J Biotechnol. 2017. T. 15, No. 2. pp. 120-127 [7], as well as through xanthanase from the bacterial strain Corynebacterium 20/122: Patent EP 0030393 B1, 1983 [8]. Patent RU2754795 registered the bacterial strain Paenibacillus taichungensis 15, which has the ability to decompose xanthan and use it as the only carbon source: Patent RU 2754795 [9]. When the strain is cultivated for 96 hours, it is capable of producing cultural fluid with an activity of 26 units/ml towards xanthan. Patent WO 9839397, “Methods and materials for xanthan degradation,” describes the use of a mixed bacterial culture deposited in the microorganism collection under ATCC number 55941, demonstrating a total xanthanase activity of 10.4 units/g [10].

Общим недостатком перечисленных изобретений является ограниченность информации о составе ферментов, обозначенных общим термином «ксантаназы», что приводит к неопределенности в оценке ксантаназной активности, в том числе из-за различных методик измерения.A common disadvantage of the listed inventions is the limited information on the composition of enzymes designated by the general term “xanthanase”, which leads to uncertainty in the assessment of xanthanase activity, including due to different measurement techniques.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является консорциум бактерий NRRL В-18445, который продуцирует ферментный комплекс ксантаназ. В ходе культивирования смеси бактерий в течении 8 дней в культуральной жидкости была детектирована общая ксантаназная активность 195 ед/мг по ксантану: патент US 4996153 [11]. Основными недостатками данного изобретения, как и выше приведенных аналогов, являются отсутствие информации о продуцируемых ферментах, катализирующих деструкцию основных и боковых цепей ксантана, что не позволяет выявить новые специфичные ферменты как инструменты для деградации ксантана.The closest analogue (prototype) is the bacterial consortium NRRL B-18445, which produces the xanthanase enzyme complex. During the cultivation of a mixture of bacteria for 8 days in the culture liquid, a total xanthanase activity of 195 units/mg for xanthan was detected: patent US 4996153 [11]. The main disadvantages of this invention, as well as the above analogues, are the lack of information about the produced enzymes that catalyze the destruction of the main and side chains of xanthan, which does not allow the identification of new specific enzymes as tools for xanthan degradation.

Технический результат достигается идентификацией симбиотической смеси бактерий, содержащей, согласно данным метагеномного анализа, микроорганизмы Paenibacillus sp.- 83% и Cellulosimicrobium cellulans - 17%, обладающей свойством деградировать ксантан.The technical result is achieved by identifying a symbiotic mixture of bacteria containing, according to metagenomic analysis, microorganisms Paenibacillus sp. - 83% and Cellulosimicrobium cellulans - 17%, which has the property of degrading xanthan.

Экспериментальным путем определено, что заявляемая симбиотическая смесь содержащая микроорганизмы Paenibacillus sp., Cellulosimicrobium cellulans, которые при ее культивировании в среде, содержащей 0,3% (вес/об.) ксантана при температуре 28°С, продуцирует ферменты: бета-глюкозидаза, альфа-маннозидаза, бета- маннозидаза, эндоглюканаза и ксантан-лиаза, катализирующие деструкцию основных и боковых цепей ксантана.It was experimentally determined that the claimed symbiotic mixture containing microorganisms Paenibacillus sp., Cellulosimicrobium cellulans, which, when cultivated in a medium containing 0.3% (w/v) xanthan at a temperature of 28°C, produces the following enzymes: beta-glucosidase, alpha -mannosidase, beta-mannosidase, endoglucanase and xanthan lyase, catalyzing the destruction of the main and side chains of xanthan.

Конкретная реализация состоит в следующем:The specific implementation is as follows:

1. На жидкой питательной среде состава, % (вес/об.): ксантан, 0,3; пептон, 0,1; YNB, 0,34 при температуре 28°С был обнаружен рост симбиотической смеси бактерий для деструкции ксантана.1. On a liquid nutrient medium of the composition, % (w/v): xanthan, 0.3; peptone, 0.1; YNB, 0.34 at a temperature of 28°C, the growth of a symbiotic mixture of bacteria for the destruction of xanthan was detected.

2. Индентификация смеси бактерий была выполнена методом метагеномного анализа последовательностей общей ДНК, выделенной из смешанной бактериальной культуры. Выделение общей метагеномной ДНК, подготовка библиотек и секвенирование на приборе MiSeq® System (Illumina, USA) с использованием MiSeq Reagent kit v2 (Illumina; США) проводили по протоколу, детально описанному ранее [12]. Секвенирование проводилось на платформе Hiseq 2500 (Illumina) в режиме парноконцевого чтения с длиной прочтения 160 пар оснований. Метагеномный анализ проводился с помощью программного пакета Kaiju (https://github.com/bioinformatics-centre/kaiju) на основе баз данных NCBI BLAST, с отсеиванием последовательностей, у которых длина классификации менее 50 пар оснований. Для сравнения полученных данных использовался сервис JSpeciesWS (https://jspecies.ribohost.eom/jspeciesws/#home).2. Identification of the bacterial mixture was performed by metagenomic analysis of total DNA sequences isolated from the mixed bacterial culture. Isolation of total metagenomic DNA, library preparation, and sequencing on a MiSeq® System (Illumina, USA) using MiSeq Reagent kit v2 (Illumina; USA) was carried out according to the protocol described in detail previously [12]. Sequencing was performed on a Hiseq 2500 platform (Illumina) in paired-end read mode with a read length of 160 bp. Metagenomic analysis was carried out using the Kaiju software package (https://github.com/bioinformatics-centre/kaiju) based on the NCBI BLAST databases, screening out sequences with a classification length of less than 50 base pairs. To compare the obtained data, the JSpeciesWS service was used (https://jspecies.ribohost.eom/jspeciesws/#home).

Идентификация бактериальных культур в смеси, выделенной на среде, содержащей ксантан, была осуществлена методом метагеномного shotgun секвенирования по содержанию маркерных генов, специфичных для организмов, идентифицированных из 100000 эталонных геномов (99 500 бактерий и архей и 500 эукариот) и сравнительного анализа. Совпадение геномов на не менее, чем 85% позволило говорить о родовой идентичности.Identification of bacterial cultures in a mixture isolated on a medium containing xanthan was carried out by metagenomic shotgun sequencing based on the content of marker genes specific to organisms identified from 100,000 reference genomes (99,500 bacteria and archaea and 500 eukaryotes) and comparative analysis. The coincidence of genomes by no less than 85% allowed us to talk about generic identity.

Результаты метагеномного анализа позволяют предположить возможные доли следующих бактерий, гомологичных Paenibacillus sp.- 83%, Cellulosimicrobium cellulans - 17%. Проценты, указанные на таксономических уровнях, являются процентами только для соотнесенных прочтений. Метагеномные прочтения были депонированы в базе данных Sequence Read Archive (SRA) NCBI (номер в базе данных BioProject PRJNA849974).The results of metagenomic analysis suggest the possible proportions of the following bacteria homologous to Paenibacillus sp. - 83%, Cellulosimicrobium cellulans - 17%. Percentages reported at taxonomic levels are percentages for mapped reads only. Metagenomic reads have been deposited in the NCBI Sequence Read Archive (SRA) database (BioProject database number PRJNA849974).

3. Морфологический анализ бактерий, входящих в состав симбиотической смеси, выявил следующие особенности каждого из выделенных микроорганизмов:3. Morphological analysis of the bacteria included in the symbiotic mixture revealed the following features of each of the isolated microorganisms:

- Paenibacillus spp.- Paenibacillus spp.

Вегетативные клетки представляют собой палочки, 0,5-1,0 (3,0-4,0 мкм, встречаются поодиночке или короткими цепочками. Клетки продуцируют овальные споры, расположенные терминально в набухающих спорангиях, и являются грамотрицательными. Колонии при 30°С на среде TSA кремового цвета, гладкие, с правильными целыми краями. На средах, содержащих 2% глюкозы, колонии образуют слизи.Vegetative cells are rods, 0.5-1.0 (3.0-4.0 µm, found singly or in short chains. The cells produce oval spores located terminally in swelling sporangia and are gram-negative. Colonies at 30°C at TSA medium is cream-colored, smooth, with regular, intact edges.On media containing 2% glucose, colonies form mucus.

- Cellulosimicrobium cellulans- Cellulosimicrobium cellulans

Грамположительные подвижные палочки неправильной формы 0,5-0,6 (2,0-5,0 мкм, прямые или слегка изогнутые, некоторые в парах V-образной конфигурации. После 24 ч. инкубации при 37°С на 5%-м агаре с добавлением конской крови колонии чуть желтые, выпуклые и гладкие, при дальнейшей инкубации проникали в агар, образуя субстратный мицелий. Клетки, выросшие на среде с кровяным агаром, представляют собой длинные и тонкие грамположительные палочки, которые при дальнейшем инкубировании становятся коккобациллярными.Gram-positive motile rods of irregular shape 0.5-0.6 (2.0-5.0 µm, straight or slightly curved, some in pairs of V-shaped configuration. After 24 hours of incubation at 37°C on 5% agar with the addition of horse blood, the colonies were slightly yellow, convex and smooth, and with further incubation they penetrated into the agar, forming substrate mycelium.Cells grown on a medium with blood agar are long and thin gram-positive rods, which with further incubation become coccobacillary.

4. Проверка общей ксантаназной активности симбиотической смеси бактерий осуществлена при глубинном культивировании при температуре 28°С в течение 36-38 ч на питательной среде следующего состава, % (вес./об.): ксантан, 0,3; пептон, 0,1; ΥΝΒ, 0,34, с последующим измерением вязкости и количества редуцирующих сахаров (см. Пример 1).4. Testing of the total xanthanase activity of the symbiotic mixture of bacteria was carried out during deep cultivation at a temperature of 28°C for 36-38 hours on a nutrient medium of the following composition, % (wt./vol.): xanthan, 0.3; peptone, 0.1; ΥΝΒ, 0.34, followed by measurement of viscosity and the amount of reducing sugars (see Example 1).

Стандартная температура роста бактерий в лабораторных условиях составляет 37°С. Однако, как показали эксперименты, при росте при температуре 37°С симбиотической смеси бактерий, содержащей Paenibacillus sp., Cellulosimicrobium cellulans, ксантаназная активность не проявляется, что подтверждено данными по отсутствию снижения вязкости ксанатана. Надежный результат проявляется при температуре 28°С.The standard temperature for bacterial growth in laboratory conditions is 37°C. However, as experiments have shown, when a symbiotic mixture of bacteria containing Paenibacillus sp., Cellulosimicrobium cellulans grows at a temperature of 37°C, xanthanase activity does not appear, which is confirmed by data on the absence of a decrease in the viscosity of xanathan. Reliable results are achieved at a temperature of 28°C.

5. Хранение симбиотической смеси бактерий осуществлялось в холодильнике при температуре 4-8°С на чашках Петри на LB-агаре (рН 6,5-7,0). Длительное хранение симбиотической смеси проводилось в лиофильно высушенном состоянии, в качестве криопротектора использованы сахароза 10% и желатин 1%, ампулы хранят при 4-8°С. Заявленная симбиотическая смесь ксантанолитических бактерий находится на хранении в коллекции микроорганизмов лаборатории биотехнологии НИЦ «КИ» ПИЯФ.5. The symbiotic mixture of bacteria was stored in a refrigerator at a temperature of 4-8°C on Petri dishes on LB agar (pH 6.5-7.0). Long-term storage of the symbiotic mixture was carried out in a freeze-dried state; 10% sucrose and 1% gelatin were used as a cryoprotectant; the ampoules were stored at 4-8°C. The declared symbiotic mixture of xanthanolytic bacteria is stored in the collection of microorganisms of the biotechnology laboratory of the Scientific Research Center "KI" PNPI.

Экспериментально показано, что бактериальная смесь демонстрировала наличие как индивидуальных ферментативных активностей, так и общей ксантаназной активности, приводящих к деградации основных и боковых цепей ксантана. Смесь бактерий, искусственно составленная из индивидуально выделенных из исходной смеси микроорганизмов, не приводит к проявлению ксантаназной активности.It was experimentally shown that the bacterial mixture demonstrated the presence of both individual enzymatic activities and general xanthanase activity, leading to the degradation of the main and side chains of xanthan. A mixture of bacteria artificially composed of microorganisms individually isolated from the original mixture does not lead to the manifestation of xanthanase activity.

Изобретение проиллюстрировано следующими примерами, не ограничивающими его применение:The invention is illustrated by the following examples, which do not limit its application:

Пример 1. Определение общей ксантаназной активности симбиотической смеси бактерий на среде с концентрацией ксантана 0,3%.Example 1. Determination of the total xanthanase activity of a symbiotic mixture of bacteria on a medium with a xanthan concentration of 0.3%.

Для получения кулыуральной жидкости готовили жидкую среду следующего состава, % (вес./об.): ксантан, 0,3; пептон, 0,1; YNB, 0,34. Среду разливали по 100 мл в колбы объемом 500 мл и стерилизовали. После 36-38 часов культивирования смеси бактерий при 28°С на шейкере (120 об/мин) в отобранных образцах кулыуральной жидкости были оценены значения удельной активности ксантаназного комплекса. За единицу активности принимали такое количество ферментного препарата, которое в течение 1 минуты при 40°С и рН 6,5 высвобождает 1 мкмоль восстанавливающих сахаров, эквивалентных 1 мкмоль глюкозы. Общее количество восстанавливающих сахаров определяли тестом с использованием реактива иора-хлоргидробензойная кислота согласно описанной методике: J. Biol. Eng. 2017, T. 11, №1 [13]. Удельная ксантаназная активность в конечной точке культивирования после 36-38 ч составила 19,6 ед/г.To obtain cultural fluid, a liquid medium of the following composition was prepared, % (wt./vol.): xanthan, 0.3; peptone, 0.1; YNB, 0.34. The medium was poured into 100 ml volumes into 500 ml flasks and sterilized. After 36-38 hours of cultivating the mixture of bacteria at 28°C on a shaker (120 rpm), the specific activity of the xanthanase complex was assessed in selected samples of cultural fluid. One unit of activity was taken to be the amount of enzyme preparation that, within 1 minute at 40°C and pH 6.5, releases 1 µmol of reducing sugars, equivalent to 1 µmol of glucose. The total amount of reducing sugars was determined by the iora-chlorohydrobenzoic acid reagent test according to the described method: J. Biol. Eng. 2017, T. 11, No. 1 [13]. The specific xanthanase activity at the end point of cultivation after 36-38 hours was 19.6 units/g.

После 36-38 часов культивирования вязкость кулыуральных жидкостей составила 1,05 сП (1 rpm), вязкость контрольного раствора - 230 сП (1 rpm). В ходе культивирования вязкость жидкой питательной среды, содержащей ксантан, уменьшилась в 230 раз по сравнению с контрольным раствором. Различие с прототипом в оценке величины общей ксантаназной активности связано с разными подходами измерения активностей ферментов. Определение активности в настоящем изобретении выполнено в соответствии с международными стандартами расчета удельной ферментативной активности: Досон Р., Эллиот Д., и др. Справочник биохимика. 1991. М.: Мир. 544 с. [14].After 36-38 hours of cultivation, the viscosity of cultural fluids was 1.05 cP (1 rpm), the viscosity of the control solution was 230 cP (1 rpm). During cultivation, the viscosity of the liquid nutrient medium containing xanthan decreased by 230 times compared to the control solution. The difference with the prototype in assessing the value of total xanthanase activity is associated with different approaches to measuring enzyme activities. The determination of activity in the present invention is carried out in accordance with international standards for calculating specific enzymatic activity: Dawson R., Elliott D., et al. Biochemist's Handbook. 1991. M.: Mir. 544 pp. [14].

Пример 2. Проверка общей ксантаназной активности симбиотической смеси бактерий при росте на среде с концентрацией ксантана 1% (вес/об.).Example 2. Testing the total xanthanase activity of a symbiotic mixture of bacteria when growing on a medium with a xanthan concentration of 1% (w/v).

Клетки симбиотической смеси были внесены в стерильную жидкую среду как описано в примере 1. Исходная концентрация ксантана в среде составила 1% (вес./об.). После 74 часов культивирования при 28°С на шейкере (120 об/мин) вязкость жидкой питательной среды, содержащей 1% (вес./об.) ксантан, снижалась с 6,0 до 1,2 сП (0,1 rpm).The cells of the symbiotic mixture were introduced into a sterile liquid medium as described in example 1. The initial concentration of xanthan in the medium was 1% (w/v). After 74 hours of culture at 28°C on a shaker (120 rpm), the viscosity of the liquid culture medium containing 1% (w/v) xanthan decreased from 6.0 to 1.2 cP (0.1 rpm).

Пример 3. Определение активностей ферментов ксантаназного комплекса симбиотической смеси бактерий, способных к полной деградации основной и боковых цепей ксантана.Example 3. Determination of the activities of the enzymes of the xanthanase complex of a symbiotic mixture of bacteria capable of complete degradation of the main and side chains of xanthan.

Клетки симбиотической смеси культивировали в той же жидкой среде и при тех же условиях как описано в Примере 1. После 36-38 часов культивирования симбиотической смеси в отобранных образцах культуральной жидкости были оценены значения удельных активностей бета-глюкозидазы, альфа-маннозидазы, бета-маннозидазы и эндоглюканазы. Реакционную смесь, содержащую 100 мкл культуральной жидкости, 5 ммоль соответствующего субстрата (иара-нитрофенил-β-D-глюкопиранозида, пара-нитрофенил-α-L-маннопиранозида, пара-нитрофенил-β-D-маннопиранозида, пара-нитрофенил-β-D-целлопиранозида) и 50 ммоль фосфат-цитратного буфера (рН 6,5) инкубировали в течение 120 минут при 40°С. Реакцию останавливали добавлением 0,5 мл 10% раствора соды. Поглощение свободного пара-нитрофенола измеряли при длине волны 400 нм на спектрофотометре JascoV-560 UV/Vis (Jasco, Analytical Instruments, Япония) относительно контроля. Одну единицу активности определяли как активность, необходимую для получения 1 мкмоль пара-нитрофенола за 1 минуту при данных условиях.The cells of the symbiotic mixture were cultured in the same liquid medium and under the same conditions as described in Example 1. After 36-38 hours of cultivation of the symbiotic mixture in selected samples of the culture liquid, the specific activities of beta-glucosidase, alpha-mannosidase, beta-mannosidase and endoglucanases. A reaction mixture containing 100 μl of culture liquid, 5 mmol of the appropriate substrate (iara-nitrophenyl-β-D-glucopyranoside, para-nitrophenyl-α-L-mannopyranoside, para-nitrophenyl-β-D-mannopyranoside, para-nitrophenyl-β- D-cellopyranoside) and 50 mM phosphate-citrate buffer (pH 6.5) were incubated for 120 minutes at 40°C. The reaction was stopped by adding 0.5 ml of 10% soda solution. The absorbance of free para-nitrophenol was measured at a wavelength of 400 nm on a JascoV-560 UV/Vis spectrophotometer (Jasco, Analytical Instruments, Japan) relative to the control. One unit of activity was defined as the activity required to produce 1 μmol of para-nitrophenol in 1 minute under given conditions.

Ксантан-лиазную активность определяли в 1 мл реакционной смеси, содержащей 0,05% ксантана и 50 ммоль фосфат-цитратного буфера, рН 6,5, контролируя увеличение поглощения при 235 нм. Одну единицу активности фермента определяли как количество фермента, необходимое для увеличения оптической плотности при 235 нм 1,0 в минуту.Xanthan lyase activity was determined in 1 ml of a reaction mixture containing 0.05% xanthan and 50 mmol phosphate-citrate buffer, pH 6.5, monitoring the increase in absorbance at 235 nm. One unit of enzyme activity was defined as the amount of enzyme required to increase the absorbance at 235 nm by 1.0 per minute.

Содержание белка в образцах определяли по методу Лоури (калибровочный стандарт - бычий сывороточный альбумин, фотоколориметрирование - при 750 нм): J. Biol. Chem. 1951. T. 1, С. 265-275 [15].The protein content in the samples was determined by the Lowry method (calibration standard - bovine serum albumin, photocolorimetry - at 750 nm): J. Biol. Chem. 1951. T. 1, pp. 265-275 [15].

Результаты измерений удельных активностей ферментов, входящих в ксантаназный комплекс симбиотической смеси, приведены в Таблице 1.The results of measurements of the specific activities of the enzymes included in the xanthanase complex of the symbiotic mixture are given in Table 1.

В сравнении с прототипом решена задача по определению основных ферментативных активностей, необходимых для деградации основной и боковых цепей ксантана.In comparison with the prototype, the problem of determining the main enzymatic activities necessary for the degradation of the main and side chains of xanthan has been solved.

Выводы: выявлена симбиотическая смесь бактерий для деструкции ксантана, содержащая, по результатам метагеномного анализа, микроорганизмы Paenibacillus spp., Cellulosimicrobium celluloliticum, которые при ее культивировании в среде, содержащей 0,3% (вес./об.) ксантана при температуре 28°С, продуцирует ферменты: бета-глюкозидаза, альфа-маннозидаза, бета-маннозидаза, эндоглюканаза, ксантан-лиаза, катализирующие деструкцию основных и боковых цепей ксантана. Симбиотическая смесь ксантанолитических бактерий обладает общей ксантаназной активностью 19,6 ед/г при культивировании в течение 36 часов при 28°С в среде с содержанием 0,3% (вес/об.) ксантана. Удельные активности заявляемого ксантаназного комплекса оставляют: бета-глюкозидаза 27,5 ед/г, альфа-маннозидаза 25,2 ед/г, бета-маннозидаза 6,3 ед/г, эндоглюканаза 7,9 ед/г, ксантан-лиаза 183 ед/г.Conclusions: a symbiotic mixture of bacteria for the destruction of xanthan was identified, containing, according to the results of metagenomic analysis, microorganisms Paenibacillus spp., Cellulosimicrobium celluloliticum, which, when cultivated in a medium containing 0.3% (wt./vol.) xanthan at a temperature of 28°C , produces enzymes: beta-glucosidase, alpha-mannosidase, beta-mannosidase, endoglucanase, xanthan lyase, which catalyze the destruction of the main and side chains of xanthan. A symbiotic mixture of xanthanolytic bacteria has a total xanthanase activity of 19.6 U/g when cultured for 36 hours at 28°C in a medium containing 0.3% (wt/vol) xanthan. The specific activities of the proposed xanthanase complex are: beta-glucosidase 27.5 units/g, alpha-mannosidase 25.2 units/g, beta-mannosidase 6.3 units/g, endoglucanase 7.9 units/g, xanthan lyase 183 units /G.

Таким образом, доказана возможность расширения ассортимента ферментов, таких как бета-глюкозидаза, альфа-маннозидаза, бета-маннозидаза, эндоглюканаза и ксантан-лиаза, катализирующих деструкцию основных и боковых цепей ксантана.Thus, the possibility of expanding the range of enzymes, such as beta-glucosidase, alpha-mannosidase, beta-mannosidase, endoglucanase and xanthan lyase, catalyzing the destruction of the main and side chains of xanthan, has been proven.

Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке «Курчатовского геномного центра - ПИЯФ» программой развития центров генетических исследований мирового уровня, Соглашение No. 075-15-2019-1663.Funding: The work was carried out with the financial support of the “Kurchatov Genome Center - PNPI” by the program for the development of world-class genetic research centers, Agreement No. 075-15-2019-1663.

Список литературыBibliography

1. Неверов А.Л., Гусев А.В., Минеев А.В., Рожков В.П. Буровые растворы с низким содержанием твердой фазы для бурения комплексами сек на основе бентонитов таганского месторождения. Журнал СФУ. Техника и технологии. 2013, Т. 6, №1, С. 95-106.1. Neverov A.L., Gusev A.V., Mineev A.V., Rozhkov V.P. Drilling fluids with a low solids content for drilling with sec complexes based on bentonites of the Tagansky deposit. Journal of SFU. Technics and techology. 2013, T. 6, No. 1, pp. 95-106.

2. Christensen В.Е., Smidsroed О., Elgsaeter A., Stokke В.Т. Depolymerization of double-stranded xanthan by acid hydrolysis: characterization of partially degraded double strands and single-stranded oligomers released from the ordered structures. Macromolecules. 1993, T. 26, №22, C. 6111-6120.2. Christensen V.E., Smidsroed O., Elgsaeter A., Stokke V.T. Depolymerization of double-stranded xanthan by acid hydrolysis: characterization of partially degraded double strands and single-stranded oligomers released from the ordered structures. Macromolecules. 1993, T. 26, No. 22, pp. 6111-6120.

3. Осовская И.И., Бородина A.M., Курзин A.B., Рощин В.И. Синтез и свойства модифицированной ксантановой камеди. Биополимеры растений. 2021, №4, С. 95-104.3. Osovskaya I.I., Borodina A.M., Kurzin A.B., Roshchin V.I. Synthesis and properties of modified xanthan gum. Plant biopolymers. 2021, No. 4, pp. 95-104.

4. More Т.Т., Yadav J.S.S., Yan S., Tyagi R.D., Surampalli R.Y. Extracellular polymeric substances of bacteria and their potential environmental applications. J. Environ. Manage. 2014. T. 144, C. 1-25.4. More T.T., Yadav J.S.S., Yan S., Tyagi R.D., Surampalli R.Y. Extracellular polymeric substances of bacteria and their potential environmental applications. J. Environ. Manage. 2014. T. 144, pp. 1-25.

5. Furtadoa I.F.S.P.C., Sydneya E.B., Rodriguesa S.A., Sydney A.C.N. Xanthan gum: applications, challenges, and advantages of this asset of biotechnological origin. Biotechnol. Res. Innov. 2022, T. 6, №1. C. e202204.5. Furtadoa I.F.S.P.C., Sydneya E.B., Rodriguesa S.A., Sydney A.C.N. Xanthan gum: applications, challenges, and advantages of this asset of biotechnological origin. Biotechnol. Res. Innov. 2022, T. 6, No. 1. C. e202204.

6. Ельченинов А.Г. Метаболизм представителей филума Planctomycetes, обитающих в термальных экосистемах. Дисертация на соискание уч. степени канд. биол. наук: ФИЦ Фунд. осн. биотех. РАН, Москва, 2022,116 с.6. Elcheninov A.G. Metabolism of representatives of the phylum Planctomycetes living in thermal ecosystems. Dissertation for academic degree. Ph.D. degrees biol. Sciences: Federal Research Center Fund. basic biotech. RAS, Moscow, 2022, 116 p.

7. Ashraf S., Soudi M.R., Ghadam P. Production of Xanthanases by Paenibacillus spp.: Complete Xanthan Degradation and Possible Applications. Iran J Biotechnol. 2017. T. 15, №2. C. 120-127.7. Ashraf S., Soudi M.R., Ghadam P. Production of Xanthanases by Paenibacillus spp.: Complete Xanthan Degradation and Possible Applications. Iran J Biotechnol. 2017. T. 15, No. 2. pp. 120-127.

8. Патент ЕР 0030393 В1. Cripps R.E., Sommerville H.J., Holt M.S. Xanthanase enzyme and its production, заявл. 29.10.1979, опубл. 15.06.1983.8. Patent EP 0030393 B1. Cripps R.E., Sommerville H.J., Holt M.S. Xanthanase enzyme and its production, appl. 10/29/1979, publ. 06/15/1983.

9. Патент RU 2754795C1. Денисенко Ю.А., Рожкова A.M., Зоров И.Н., Синицын А.П., Рыков С.В., Березина О.В., Бровкин А.Н. Штамм Paenibacillus taichungensis ВКМ В-3510D для деструкции ксантана, заявл. 18.12.2020, опубл. 07.09.2021.9. Patent RU 2754795C1. Denisenko Yu.A., Rozhkova A.M., Zorov I.N., Sinitsyn A.P., Rykov S.V., Berezina O.V., Brovkin A.N. Paenibacillus taichungensis strain VKM B-3510D for the destruction of xanthan, appl. 12/18/2020, publ. 09/07/2021.

10. Патент W09839397al. Tjon-Joe-Pin R.M., Carr M.A., Yang В. Methods and materials for degrading xanthan, заявл. 07.03.1997, принято 06.03.1998, опубл. 11.09.1998.10. Patent W09839397al. Tjon-Joe-Pin R.M., Carr M.A., Yang V. Methods and materials for degrading xanthan, appl. 03/07/1997, accepted 03/06/1998, publ. 09/11/1998.

11. Патент US4996153A. Cadmus М.С., Slodki M.E. Heat-stable, salt-tolerant microbial xanthanase, опубл. 26.02.1991.11. Patent US4996153A. Cadmus M.S., Slodki M.E. Heat-stable, salt-tolerant microbial xanthanase, publ. 02/26/1991.

12. Korzhenkov A.A., Tepliuk A.V., Sidoruk K.V., Voyushin K.E., Patrushev M.V., Kublanov I.V., Toshchakov S.V. A dataset of four probiotic Bifidobacterium strains genome assemblies. 2020. T. 34, C. 106710.12. Korzhenkov A.A., Tepliuk A.V., Sidoruk K.V., Voyushin K.E., Patrushev M.V., Kublanov I.V., Toshchakov S.V. A dataset of four probiotic Bifidobacterium strains genome assemblies. 2020. T. 34, pp. 106710.

13. M., Kunze M., Ribeiro J., Geinitz В., Lehmann C, Schwaneberg U., et al. Cellulolytic RoboLector-towards an automated high-throughput screening platform for recombinant cellulase expression. J. Biol. Eng. 2017. T. 11, №1.13. M., Kunze M., Ribeiro J., Geinitz B., Lehmann C., Schwaneberg U., et al. Cellulolytic RoboLector-towards an automated high-throughput screening platform for recombinant cellulase expression. J Biol. Eng. 2017. T. 11, No. 1.

14. Досон P., Эллиот Д., Эллиот У., Джонс К. Справочник биохимика. 1991. М.: Мир. 544 с. 14. Dawson P., Elliott D., Elliott W., Jones K. Biochemist's Handbook. 1991. M.: Mir. 544 pp.

15. Lowry О., Rosebrough N., Farr A. L., Randall R. Protein measurement with the Folin phenol reagent. J. Biol. Chem. 1951. Т. 1, C. 265-275.15. Lowry O., Rosebrough N., Farr A. L., Randall R. Protein measurement with the Folin phenol reagent. J Biol. Chem. 1951. T. 1, pp. 265-275.

Claims (1)

Симбиотическая смесь бактерий, содержащая штаммы микроорганизмов Paenibacillus sp. - 83%, Cellulosimicrobium cellulans - 17%, обладающая свойством деградировать ксантан.A symbiotic mixture of bacteria containing strains of microorganisms Paenibacillus sp. - 83%, Cellulosimicrobium cellulans - 17%, which has the property of degrading xanthan.
RU2022129167A 2022-11-09 Symbiotic mixture of bacteria for xanthan destruction RU2806183C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2806183C1 true RU2806183C1 (en) 2023-10-27

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4996153A (en) * 1988-05-10 1991-02-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Heat-stable, salt-tolerant microbial xanthanase
RU2754795C1 (en) * 2020-12-18 2021-09-07 Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук» Strain of paenibacillus taichungensis vkm b-3510d for xanthan destruction

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4996153A (en) * 1988-05-10 1991-02-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Heat-stable, salt-tolerant microbial xanthanase
RU2754795C1 (en) * 2020-12-18 2021-09-07 Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук» Strain of paenibacillus taichungensis vkm b-3510d for xanthan destruction

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЖАРИКОВА Н.В. и др. Характеристика представителя рода cellulosimicrobium как деструктора 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, Известия уфимского научного центра РАН. 2021, N 4., c. 52-56, DOI: 10.31040/2222-8349-2021-0-4-52-56. MATTHEW L, et al. Real-Time PCR Detection of Paenibacillus spp. in Raw Milk To Predict Shelf Life Performance of Pasteurized Fluid Milk Products Appl. Environ. Microbiol. 2012, 78(16): 5855. DOI: 10.1128/AEM.01361-12. Published Ahead of Print 8 June 2012. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pant et al. Production, optimization and partial purification of protease from Bacillus subtilis
Birbir et al. Extremely halophilic Archaea from Tuz Lake, Turkey, and the adjacent Kaldirim and Kayacik salterns
CN104974973A (en) Chondroitin-producing bacterium and method of producing chondroitin
CN110438111A (en) A kind of algin catenase and its application
US20210238645A1 (en) Engineering antimicrobial peptides
Rakaz et al. Isolation, Extraction, Purification, and Molecular Characterization for Thermostable α‐Amylase from Locally Isolated Bacillus Species in Sudan
CN111961619B (en) Vibrio maritima capable of producing alginate lyase with good thermal stability and application
CN103911315B (en) Bacterial strain and the application thereof of algin catenase are produced in one strain
RU2806183C1 (en) Symbiotic mixture of bacteria for xanthan destruction
Ivanova et al. Gemmata palustris sp. nov., a Novel Planctomycete from a Fen in Northwestern Russia
Siroosi et al. Halophilic amylase production and purification from Haloarcula sp. strain D61
CN103275898B (en) Lipase high-producing strain, screening method thereof and method for producing lipase by using strain through fermentation
CN113355264B (en) Thermophilic bacterium for producing glycerol and application thereof
CN114644984A (en) Method for separating microorganism producing amylase from soil
Yavari-Bafghi et al. Isolation, screening and identification of haloarchaea with chitinolytic activity from hypersaline lakes of Iran
Kumari et al. Screening and molecular characterization of cellulase producing actinobacteria from Litchi Orchard
RU2455352C1 (en) Bacillus amyloliquefaciens STRAIN - ALPHA AMYLASE PRODUCER FROM Bacillus amyloliquefaciens
CN101407820B (en) Gene of encoding glycosyl hydrolase family 32 sucrase and use thereof
RU2312135C2 (en) Strain of bacterium paenibacillus campinasensis as producer of cyclodextrin glucanotransferase
CN113308423B (en) Engineering bacterium and application thereof
CN113151060B (en) Bacillus lysine prolonging ZCGT05 and application thereof
CN114437985B (en) Enterobacter aerogenes and application thereof in synthesis of microbial polysaccharide
CN114277017B (en) Novel feedback inhibition resistant hyaluronic acid fusion enzyme, preparation method and enzyme digestion process thereof
Remigio et al. Isolation and characterization of a protease-producing thermophilic bacterium from an African hot spring
MUZUNI et al. Characterization of type I L-asparaginase encoding gene from the thermohalophilic bacterium Bacillus subtilis CAT3. 4 from Wawolesea Hot Spring, Southeast Sulawesi, Indonesia