Основы разработки микроволновой интенсификации upstream process на примере Escherichia coli

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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.