pharmjournalРазработка и регистрация лекарственных средствDrug development & registration2305-20662658-5049LLC «CPHA»10.33380/2305-2066-2021-10-4-72-80pharmjournal-910Research ArticleФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯPHARMACEUTICAL TECHNOLOGYОсновы разработки микроволновой интенсификации upstream process на примере Escherichia coliBasics of the Development of Microwave Intensification of Upstream on the Example of Escherichia colihttps://orcid.org/0000-0003-0884-848XКузнецовД. Б.KuznetsovD. B.

Кузнецов Денис Бахтиерович

614990, Пермский край, Пермь, ул. Полевая, д. 2

Denis B. Kuznetsov

2, Polevaya str., Perm, Perm Territory, 614990

denis.pfa@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8544-5230МироновА. Ю.MironovA. Yu.

125212, Москва, ул. Адмирала Макарова, д. 10

Andrey Yu. Mironov

10, Admirala Makarova str., Moscow, 125212

https://orcid.org/0000-0002-8163-0674НесчисляевВ. А.NeschislyaevV. A.

Валерий Александрович Несчисляев

614990, Пермский край, Пермь, ул. Полевая, д. 2

Valery A. Neschislyaev

2, Polevaya str., Perm, Perm Territory, 614990

https://orcid.org/0000-0002-8564-0968ВольхинИ. Л.VolkhinI. L.

Игорь Львович Вольхин

614068, Пермский край, Пермь, ул. Букирева, д. 15

Igor L. Volkhin

15, Bukireva str., Perm, Perm Territory, 614068

https://orcid.org/0000-0002-4680-3322КоролюкА. М.KorolyukA. M.

194100, Санкт-Петербург, ул. Литовская, д. 2

Alexander M. Korolyuk

2, Litovskaya str., St. Petersburg, 194100

https://orcid.org/0000-0002-5120-7058ОрловаЕ. В.OrlovaE. V.

614990, Пермский край, Пермь, ул. Полевая, д. 2

Ekaterina V. Orlova

2, Polevaya str., Perm, Perm Territory, 614990

https://orcid.org/0000-0002-2420-445XШилинаА. Д.ShilinaA. D.

Анастасия Дмитриевна Шилина

614990, Пермский край, Пермь, ул. Полевая, д. 2

Anastasiya D. Shilina

2, Polevaya str., Perm, Perm Territory, 614990

ФГБОУ ВО Пермская государственная фармацевтическая академия Министерства здравоохранения Российской Федерации (ПГФА)Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Perm State Pharmaceutical Academy of the Ministry of Health of the Russian FederationФБУН Московский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. Г. Н. Габричевского Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (МНИИЭМ)Moscow Research Institute of Epidemiology and Microbiology. G.N. GabrichevskyФГАОУ ВО Пермский государственный национальный исследовательский университет (ПГНИУ)Perm State UniversityФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации (СПбГПМУ)Saint-Petersburg State Pediatric Medical University2021300820211047280Copyright © Кузнецов Д.Б., Миронов А.Ю., Несчисляев В.А., Вольхин И.Л., Королюк А.М., Орлова Е.В., Шилина А.Д., 20212021Кузнецов Д.Б., Миронов А.Ю., Несчисляев В.А., Вольхин И.Л., Королюк А.М., Орлова Е.В., Шилина А.Д.Kuznetsov D.B., Mironov A.Y., Neschislyaev V.A., Volkhin I.L., Korolyuk A.M., Orlova E.V., Shilina A.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pharmjournal.ru/jour/article/view/910Введение

Введение. Штаммы E. coli являются основными микроорганизмами, использующимися для получения ряда важных биофармацевтических продуктов. На Земле не существует естественных источников микроволнового излучения, так как оно поглощается верхними слоями атмосферы. Важность исследования биологического действия СВЧ-излучения ни у кого не вызывает сомнений. С каждым годом растет число публикаций, посвященных данной проблеме, и появляются новые идеи использования микроволн в технологии получения лекарств.

Цель

Цель. Выявить основные эффекты СВЧ-облучения и разработать технологию микроволновой интенсификации роста культуры E. coli. Материалы и методы. В настоящем исследовании представлены результаты атомно-силовой микроскопии, рефрактометрии, ЯМР-релаксометрии, турбидиметрии и люминометрии, демонстрирующие возможность микроволновой интенсификации процесса культивирования.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Обнаружено, что СВЧ-облучение приводит к изменениям подвижности протонов и адсорбции молекул воды на биополимерах и клетках. Это является основными звеньями механизма «нетеплового» микроволнового воздействия. Однократное СВЧ-облучение в зависимости от ряда параметров может снижать или повышать прирост биомассы. Исследования биолюминесценции штамма E. coli с lux-опероном показали, что оптимальные условия обработки не оказывают негативного влияния на продукцию люциферазы и метаболическую активность клеток.

Заключение

Заключение. Процедура интенсификации с использованием СВЧ-излучения может считаться перспективным методом и может дать новые идеи для различных приложений в биотехнологии.

Introduction

Introduction. E. coli strains are the main microorganisms used for the production of a number of important biopharmaceutical products. There are no natural sources of microwave radiation on Earth, as it is absorbed by the upper atmosphere. No one doubts the importance of studying the biological effect of microwave radiation. The number of publications devoted to this problem is growing every year, and new ideas for the use of microwaves in drug production technology are emerging.

Aim

Aim. Reveal the main effects of microwave irradiation and develop a technology for microwave intensification of E. coli culture growth.

Materials and methods

Materials and methods. This study presents the results of atomic force microscopy, refractometry, NMR relaxometry, turbidimetry, and lumimetry, demonstrating the possibility of microwave intensification of the cultivation process.

Results and discussion

Results and discussion. It was found that microwave irradiation leads to changes in the mobility of protons and the adsorption of water molecules on biopolymers and cells. These are the main links in the mechanism of "non-thermal" microwave action. A single microwave irradiation, depending on a number of parameters, can decrease or increase the growth of biomass. Studies of the bioluminescence of the E. coli strain with the lux-operon have shown that the optimal processing conditions do not negatively affect the luciferase production and metabolic activity of cells. Conclusion. The intensification procedure using microwave radiation can be considered a promising method and can provide new ideas for various applications in biotechnology.

E. coliбиолюминесценциялюциферазаСВЧ-излучениерост культурыE. colibioluminescenceluciferasemicrowave radiationculture growthReferencesAgbogbo F. K., Ramsey P., George R., Joy J., Srivastava S., Huang M., McCool J. Upstream development of Escherichia coli fermentation process with PhoA promoter using design of experiments (DoE). Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2020;47(9-10):789-799. DOI: 10.1007/s10295-020-02302-7.Agbogbo F. K., Ramsey P., George R., Joy J., Srivastava S., Huang M., McCool J. Upstream development of Escherichia coli fermentation process with PhoA promoter using design of experiments (DoE). Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2020;47(9-10):789-799. DOI: 10.1007/s10295-020-02302-7.Bayer B., Stosch M., Striedner G., Duerkop M. Comparison of Modeling Methods for DoE-Based Holistic Upstream Process Characterization. Biotechnology Journal. 2020;15(5):1900551. DOI: 10.1002/biot.201900551.Bayer B., Stosch M., Striedner G., Duerkop M. Comparison of Modeling Methods for DoE-Based Holistic Upstream Process Characterization. Biotechnology Journal. 2020;15(5):1900551. DOI: 10.1002/biot.201900551.Kante R. K., Vemula S., Somavarapu S., Mallu M. R., Boje Gowd B. H., Ronda S. R. Optimized upstream and downstream process conditions for the improved production of recombinant human asparaginase (rhASP) from Escherichia coli and its characterization. Biologicals. 2018;56:45-53. DOI: 10.1016/j.biologicals.2018.10.002.Kante R. K., Vemula S., Somavarapu S., Mallu M. R., Boje Gowd B. H., Ronda S. R. Optimized upstream and downstream process conditions for the improved production of recombinant human asparaginase (rhASP) from Escherichia coli and its characterization. Biologicals. 2018;56:45-53. DOI: 10.1016/j.biologicals.2018.10.002.Overton T. W. Recombinant protein production in bacterial hosts. Drug Discovery Today. 2014;19(5):590-601. DOI: 10.1016/j.drudis.2013.11.008.Overton T. W. Recombinant protein production in bacterial hosts. Drug Discovery Today. 2014;19(5):590-601. DOI: 10.1016/j.drudis.2013.11.008.Sanchez-Garcia L., Martin L., Mangues R., Ferrer-Miralles N., Vazquez E., Villaverde A. Recombinant pharmaceuticals from microbial cells: a 2015 update. Microbial Cell Factories. 2016;15(1):33. DOI: 10.1186/s12934-016-0437-3.Sanchez-Garcia L., Martin L., Mangues R., Ferrer-Miralles N., Vazquez E., Villaverde A. Recombinant pharmaceuticals from microbial cells: a 2015 update. Microbial Cell Factories. 2016;15(1):33. DOI: 10.1186/s12934-016-0437-3.Ehgartner D., Sagmeister P., Langemann T., Meitz A., Lubitz W., Herwig C. A novel method to recover inclusion body protein from recombinant E. coli fed-batch processes based on phage ФХ174-derived lysis protein E. Applied Microbiology and Biotechnology. 2017;101(14):5603-5614. DOI: 10.1007/s00253-017-8281-x.Ehgartner D., Sagmeister P., Langemann T., Meitz A., Lubitz W., Herwig C. A novel method to recover inclusion body protein from recombinant E. coli fed-batch processes based on phage ФХ174-derived lysis protein E. Applied Microbiology and Biotechnology. 2017;101(14):5603-5614. DOI: 10.1007/s00253-017-8281-x.Dudley G. B., Richert R., Stiegman A. E. On the existence of and mechanism for microwave-specific reaction rate enhancement. Chemical Science. 2015;6(4):2144-2152. DOI: 10.1039/C4SC03372H.Dudley G. B., Richert R., Stiegman A. E. On the existence of and mechanism for microwave-specific reaction rate enhancement. Chemical Science. 2015;6(4):2144-2152. DOI: 10.1039/C4SC03372H.Kabb C. P., Carmean R. N., Sumerlin B. S. Probing the surface-localized hyperthermia of gold nanoparticles in a microwave field using polymeric thermometers. Chemical Science. 2015;6(10):5662-5669. DOI: 10.1039/C5SC01535A.Kabb C. P., Carmean R. N., Sumerlin B. S. Probing the surface-localized hyperthermia of gold nanoparticles in a microwave field using polymeric thermometers. Chemical Science. 2015;6(10):5662-5669. DOI: 10.1039/C5SC01535A.Кузнецов Д. Б., Орлова Е. В., Несчисляев В. А., Вольхин И. Л., Широких А. А., Баландина А. В. Перспективный метод оптимизации производства пробиотических препаратов. Биофармацевтический журнал. 2015;7(6):16-19.Kuznecov D. B., Orlova E. V., Neschisljaev V. A., Volkhin I. L., Shirokih A. A., Balandina A. V. Promising metod of production optimization probiotic preparations. Biofarmatsevticheskiy zhurnal = Russian Journal of Biopharmaceuticals. 2015;7(6):16-19. (In Russ.)Kuznetsov D., Volkhin I., Orlova E., Neschislyaev V., Balandina A., Shirokikh A. Microwave Radiation Effects on the Process of Escherichia coli Cultivation. Microbiology and Biotechnology Letters. 2019;47(3):372-380. DOI: 10.4014/mbl.1810.10024.Kuznetsov D., Volkhin I., Orlova E., Neschislyaev V., Balandina A., Shirokikh A. Microwave Radiation Effects on the Process of Escherichia coli Cultivation. Microbiology and Biotechnology Letters. 2019;47(3):372-380. DOI: 10.4014/mbl.1810.10024.Marisch K., Bayer K., Cserjan-Puschmann M., Luchner M., Striedner G. Evaluation of three industrial Escherichia coli strains in fed-batch cultivations during high-level SOD protein production. Microbial Cell Factories. 2013;12(1):58. DOI: 10.1186/1475-2859-12-58.Marisch K., Bayer K., Cserjan-Puschmann M., Luchner M., Striedner G. Evaluation of three industrial Escherichia coli strains in fed-batch cultivations during high-level SOD protein production. Microbial Cell Factories. 2013;12(1):58. DOI: 10.1186/1475-2859-12-58.Kelpsas V., von Wachenfeldt C. Strain improvement of Escherichia coli K-12 for recombinant production of deuterated proteins. Scientific Reports. 2019;9(1):17694. DOI: 10.1038/s41598-019-54196-w.Kelpsas V., von Wachenfeldt C. Strain improvement of Escherichia coli K-12 for recombinant production of deuterated proteins. Scientific Reports. 2019;9(1):17694. DOI: 10.1038/s41598-019-54196-w.Khudyakova A. V., Lekontseva T. G., Fedorov A. V. Estimation of the Toxicity of a Metal/Carbon Nanocomposite of Copper by Biotesting. Biology Bulletin. 2019;46(10):1359-1363. DOI: 10.1134/S1062359019100145.Khudyakova A. V., Lekontseva T. G., Fedorov A. V. Estimation of the Toxicity of a Metal/Carbon Nanocomposite of Copper by Biotesting. Biology Bulletin. 2019;46(10):1359-1363. DOI: 10.1134/S1062359019100145.Zarubina A. P., Gapochka M. G., Novoselova L. A., Gapochka L. D. Effect of low intensity electromagnetic radiation on the toxicity of domestic wastewater tested with the "Ecolum" test-system. Moscow University Biological Sciences Bulletin. 2013;68(1):49-52. DOI: 10.3103/S0096392512030108.Zarubina A. P., Gapochka M. G., Novoselova L. A., Gapochka L. D. Effect of low intensity electromagnetic radiation on the toxicity of domestic wastewater tested with the "Ecolum" test-system. Moscow University Biological Sciences Bulletin. 2013;68(1):49-52. DOI: 10.3103/S0096392512030108.Данилов В. С., Зарубина А. П., Ерошников Г. Е., Соловьева Л. Н., Каташев Ф. В., Завильгельский Г. Б. Сенсорные биолюминесцентные системы на основе lux-оперонов разных видов люминесцентных бактерий. Вестник Московского университета. Серия 16: Биология. 2002;3:20-24.Danilov V. S., Zarubina A. P., Eroshnikov G. E., Solov'eva L. N., Katashev F. V., Zavil'gel'skiy G. B. Sensornye bioljuminescentnye sistemy na osnove lux-operonov raznyh vidov ljuminescentnyh bakterij [Sensory bioluminescent systems based on lux-operons of different types of luminescent bacteria]. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16: Biologiya = Moscow University Bulletin. Series 16. Biology. 2002;3:20-24. (In Russ.)Несчисляев В. А., Пшеничнов Р. А., Арчакова Е. Г., Чистохина Л. П., Фадеева И. В. Способ определения антагонистической активности пробиотиков. Патент РФ на изобретение RU 2187801. 20.08.2002. Доступно по: https://i.moscow/patents/RU2187801C2_20020820. Ссылка активна на 23.07.2021.Neschislyaev V. A., Pshenichnov R. A., Archakova E. G., Chistokhina L. P., Fadeeva I. V. Sposob opredeleniya antagonisticheskoy aktivnosti probiotikov [Method for determining the antagonistic activity of probiotics]. Patent RUS RU 2187801. 20.08.2002. Available at: https://i.moscow/patents/RU2187801C2_20020820. Accessed: 23.07.2021. (In Russ.)Kuznetsov D. B., Orlova E. V., Neschislyaev V. A., Volkhin I. L., Izmestiev I. V., Lunegov I. V., Balandina A. V., Dianova D. G. Epitaxy of the bound water phase on hydrophilic surfaces of biopolymers as key mechanism of microwave radiation effects on living objects. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2017;154:40-47. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2017.03.014.Kuznetsov D. B., Orlova E. V., Neschislyaev V. A., Volkhin I. L., Izmestiev I. V., Lunegov I. V., Balandina A. V., Dianova D. G. Epitaxy of the bound water phase on hydrophilic surfaces of biopolymers as key mechanism of microwave radiation effects on living objects. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2017;154:40-47. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2017.03.014.Stenishchev I. V., Basharin A. A. Toroidal response in all-dielectric metamaterials based on water. Scientific Reports. 2017;7(1):9468. DOI: 10.1038/s41598-017-07399-y.Stenishchev I. V., Basharin A. A. Toroidal response in all-dielectric metamaterials based on water. Scientific Reports. 2017;7(1):9468. DOI: 10.1038/s41598-017-07399-y.Bordonsky G. S., Orlov A. O., Schegrina K. A. Dielectric Losses in Supercooled Pore Water at a Frequency of 34 GHz. Radiophysics and Quantum Electronics. 2017;59(10):812-820. DOI: 10.1007/s11141-017-9750-x.Bordonsky G. S., Orlov A. O., Schegrina K. A. Dielectric Losses in Supercooled Pore Water at a Frequency of 34 GHz. Radiophysics and Quantum Electronics. 2017;59(10):812-820. DOI: 10.1007/s11141-017-9750-x.Carlson S., Brunig F. N., Loche P., Bonthuis D. J., Netz R. R. Exploring the Absorption Spectrum of Simulated Water from MHz to Infrared. The Journal of Physical Chemistry A. 2020;124(27):5599-5605. DOI: 10.1021/acs.jpca.0c04063.Carlson S., Brunig F. N., Loche P., Bonthuis D. J., Netz R. R. Exploring the Absorption Spectrum of Simulated Water from MHz to Infrared. The Journal of Physical Chemistry A. 2020;124(27):5599-5605. DOI: 10.1021/acs.jpca.0c04063.Andryieuski A., Kuznetsova S. M., Zhukovsky S. V., Kivshar Yu. S., Lavrinenko A. V. Water: Promising Opportunities For Tunable All-dielectric Electromagnetic Metamaterials. Scientific Reports. 2015;5(1):13535. DOI: 10.1038/srep13535.Andryieuski A., Kuznetsova S. M., Zhukovsky S. V., Kivshar Yu. S., Lavrinenko A. V. Water: Promising Opportunities For Tunable All-dielectric Electromagnetic Metamaterials. Scientific Reports. 2015;5(1):13535. DOI: 10.1038/srep13535.Hartmann S., Hultschig C., Eisenreich W., Fuchs G., Bacher A., Ghis-la S. NIH shift in flavin-dependent monooxygenation: Mechanistic studies with 2-aminobenzoyl-CoA monooxygenase/reductase. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1999;96(14):7831-7836. DOI: 10.1073/pnas.96.14.7831.Hartmann S., Hultschig C., Eisenreich W., Fuchs G., Bacher A., Ghis-la S. NIH shift in flavin-dependent monooxygenation: Mechanistic studies with 2-aminobenzoyl-CoA monooxygenase/reductase. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1999;96(14):7831-7836. DOI: 10.1073/pnas.96.14.7831.Romero E., Gomez Castellanos J. R., Gadda G., Fraaije M. W., Mattevi A. Same Substrate, Many Reactions: Oxygen Activation in Flavoenzymes. Chemical Reviews. 2018;118(4):1742-1769. DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00650.Romero E., Gomez Castellanos J. R., Gadda G., Fraaije M. W., Mattevi A. Same Substrate, Many Reactions: Oxygen Activation in Flavoenzymes. Chemical Reviews. 2018;118(4):1742-1769. DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00650.Tinikul R., Chaiyen P. Structure, Mechanism, and Mutation of Bacterial Luciferase. In: Bioluminescence: Fundamentals and Applications in Biotechnology - Volume 3. New York City: Springer; 2014. P. 47-74. DOI: 10.1007/10_2014_281.Tinikul R., Chaiyen P. Structure, Mechanism, and Mutation of Bacterial Luciferase. In: Bioluminescence: Fundamentals and Applications in Biotechnology - Volume 3. New York City: Springer; 2014. P. 47-74. DOI: 10.1007/10_2014_281.Campbell Z. T., Weichsel A., Montfort W. R., Baldwin T. O. Crystal Structure of the Bacterial Luciferase/Flavin Complex Provides Insight into the Function of the β Subunit. Biochemistry. 2009;48(26):6085-6094. DOI: 10.1021/bi900003t.Campbell Z. T., Weichsel A., Montfort W. R., Baldwin T. O. Crystal Structure of the Bacterial Luciferase/Flavin Complex Provides Insight into the Function of the β Subunit. Biochemistry. 2009;48(26):6085-6094. DOI: 10.1021/bi900003t.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.