Biotechnologiczne metody produkcji witamin z wykorzystaniem mikroorganizmów

• Autorzy: Robert Duliński

Warianty tytułu

Biotechnological Methods of Producing Vitamins Using Microorganisms

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

Witaminy znajdują szerokie zastosowanie w produkcji żywności (w tym suplementów diety), produktów farmaceutycznych, pasz oraz jako składniki kosmetyków. Na skalę przemysłową większość witamin produkuje się metodami syntezy chemicznej lub za pomocą ekstrakcji z naturalnych substancji, ale w wielu przypadkach są to procesy wymagające dużego nakładu energii i generujące wysokie koszty składowania oraz utylizacji substancji odpadowych. Powyższe argumenty stanowiły impuls do poszukiwania możliwości zastępowania tych syntez procesami biotechnologicznymi, poczynając od wykorzystania mikroorganizmów w wybranych biotransformacjach (witamina C) aż do całkowitej syntezy mikrobiologicznej z udziałem zrekombinowanych szczepów, jak w przypadku witaminy B₁₂. Możliwa jest także produkcja surowców roślinnych ze zwiększoną zawartością witamin, poprzez projektowanie metaboliczne szlaków ich biosyntezy czy też wykorzystanie ich jako bioreaktorów, tzw. "fitofarming" (witaminy A oraz E). W pracy zaprezentowano wybrane aspekty związane z biotechnologiczną produkcją witamin i selekcją organizmów transgenicznych do ich produkcji. (abstrakt oryginalny)

EN

Vitamins are widely applied to produce food (including dietary supplements), pharmaceuticals, feedstuffs, and, also, as components of cosmetics. On the industrial scale, the majority of vitamins are produced using methods of chemical synthesis or through the extraction of natural substances, but, in many cases, those processes consume high amounts of energy and generate high waste disposal and waste utilization costs. Those arguments were the spur for searching for options to replace syntheses with biotechnological processes beginning from the use of micro-organisms in the selected bio-transformations (vitamin C) to the complete microbiological synthesis with engineered strains, for example in the case of vitamin B₁₂. An alternative is the production of raw materials of plants with an increased content of vitamins by the metabolic design of pathways of their biosynthesis, or using them as bio-reactors, the so called 'phytopharming' (vitamins A and E). This paper presents some selected aspects relating to the biotechnological production of vitamins and to the selection of transgenic organisms for their production. (original abstract)

Słowa kluczowe

PL

Biotechnologia; Witaminy; Produkcja; Technologia; Mikrobiologia

EN

Biotechnology; Vitamins; Production; Technology; Microbiology

• Czasopismo: Żywność: nauka - technologia - jakość
• Rocznik: 17 (2010)
• Numer: nr 1 (68)
• Strony: 5--19

Twórcy

autor

Robert Duliński

• Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie

Bibliografia

• [1] Ajjawi I., Shintani D.: Engineered plant with elevated vitamin E: a nutraceutical success story. Trends Biotechnol., 2004, 22, 104-107.
• [2] Beyer P., Al.-Babili S., Ye X., Lucca P., Schaub P., Welsch R., Portykus I.: Introducing the ß- carotene biosynthesis pathway into rice endosperm by genetic engineering to defeat vitamin A deficiency. J. Nutr., 2002, 132, 506S-510S.
• [3] Blanche F., Cameron B., Crouzet J., Debussche L., Levy-Schil S., Thibaut D.: Rhone-Poulenc Biochimie. Eur. Patent 1998, 0516647 B1.
• [4] Blanche F., Cameron B., Crouzet J., Debussche L., Thibaut D.: Rhone-Poulenc Rorer. World Patent 1997, 97/43421.
• [5] Bremus C., Herrmann U., Bringer-Meyer S., Sahm H.: The use of microorganisms in L-ascorbic acid production. J. Biotechnol., 2006, 124, 197-203.
• [6] Brzozowska A., Roszkowski W., Pietruszka B., Kałuża J.: Witaminy i składniki mineralne jako suplementy diety. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość, 2005, 4 (45) Supl., 5-16.
• [7] Collakova E., DellaPenna D.: Homogentisate phytyltransferase activity is limiting for tocopherol biosynthesis in Arabidopsis. Plant Physiol., 2003, 131, 632-642.
• [8] Del Campo J.A., Garcia-Gonzales M., Guerrero M.G.: Outdoor cultivation of microalgae for carotenoid production: cuurent state and perspectives. Appl. Environ. Microbiol., 2007, 74, 1163-74.
• [9] DellaPenna D.: A decade of progress in understanding vitamin E synthesis in plants. J. Plant Physiol., 2005, 162, 729-737.
• [10] Doncheck J.A., Huss R.J., Running J.A., Skatrud T.J.: L-ascorbic acid containing biomass of Chlorella pyrenoidosa. US Patent, 1996, 5,521,090.
• [11] Forster C., Santos M.A., Ruffert S., Kramer R., Revuelta J.L.: Physiological consequence of the disruption of the VMA1 gene in the riboflavin overproducer Ashbya gossypii. J. Biol. Chem., 1999, 274, 9442-9448.
• [12] Fray R.G., Wallace A., Fraser P.D., Valero D., Hedden P., Bramley P.M., Grierson D.: Constitutive expression of a fruit phytoene synthase gene in transgenic tomatoes causes dwarfism by redirecting metabolites from the gibberellin pathway. Plant J., 1995, 8, 693-701.
• [13] Hancock R.D., Viola R.: Biotechnological approaches for L-ascorbic acid production. Trends in Biotechnology, 2002, 20, 299-305.
• [14] Hancock R.D., Viola R.: The use of microorganisms for L-ascorbic acid production: current status and future perspectives. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2001, 56, 567-576.
• [15] Heefner D., Weaver C.A., Yarus M.J., Burdzinski L.A., Gyure D.C., Foster E.W.: Riboflavin producing strains of microorganisms, method for selecting, and method for fermentation. Patent WO 88/09822.
• [16] Herbers K.: Vitamin production in transgenic plants. J. Plant. Physiol., 2003, 160, 821-829.
• [17] Jimenez A., Santos M.A., Pompejus M., Revuelta J. L.: Metabolic engineering of the purine pathway for riboflavin production in Ashbya gossypii. Appl. Environ. Microbiol., 2005, 71, 5743-5751.
• [18] Kaesler B., Sahm H., Stahmann K.P., Schmidt G., Boededecker B., Seulberger H.: Riboflavin production process by means of microorganisms with modified isocitrate lyase activity, Patent WO 9703208-A, 1997.
• [19] Koizumi S., Yonetani Y., Maruyama A., Teshiba S.: Production of riboflavin by metabolically engineered Corynebacterium ammoniagenes. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2000, 53, 674-679.
• [20] Martens J.H., Barg H., Warren M.J., Jahn D.: Microbial production of vitamin B12. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2002, 58, 275-285.
• [21] Monschau N, Sahm M., Stahmann K.P.: Threonine aldolase overexpression plus threonine supplementation enhanced riboflavin production in Ashbya gossypii. Appl. Environ. Microbiol., 1998, 64, 4283-4290.
• [22] Paine J.A., Shipton C.A., Chaggar S., Howells R.M., Kennedy M.J., Vernon G., Wright S.Y., Hinchliffe E., Adams J.L., Silverstone A.L., Drake R.: Improving the nutritional value of Golden Rice through increased pro-vitamin A content. Nat. Biotechnol., 2005, 23, 482-487.
• [23] Perkins J.B., Sloma A., Hermann T., Theriault K., Zachgo E., Erdenberger T., Hannett N., Chatterjee N.P., Williams V., Rufo G.A., Hatch R., Pero J.: Genetic engineering of Bacillus subtillis for the commercial production of riboflavin. Ind. Microbiol. Biotechnol., 1999, 22, 8-18.
• [24] Piao Y., Yamashita M., Kawaraichi N., Asegawa R., Ono H., Murooka Y.: Production of vitamin B₁₂ in genetically engineered Propionibacterium freudenreichii. J. Biosci. Bioengineering, 2004, 98, 167-173.
• [25] Raja R., Hemaiswarya S., Rengasamy R.: Exploitation of Dunaliella for beta-carotene production. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2007, 74, 517-523.
• [26] Rocheford T.R., Wong J.C, Egesel C.O., Lambert R.J.: Enhancement of vitamin levels in corn. J. Am. College Nutr., 2002, 21, 191S-198S.
• [27] Romer S., Fraser P.D., Kiano J.W., Shipton C.A., Misawa N., Schuch W., Bramley P.M.: Elevation of the provitamin A content of transgenic tomato plants. Nature Biotechnol., 2000, 18, 666-669.
• [28] Saito Y., Ishii Y., Hayashi Y., Imao T., Akashi K., Yoshikawa Y., Noguchi S., Soeda M., Yoshida M., Niwa J., Hosoda K., Shimomura K.: cloning of genes coding for L-sorbose and L-sorbonase dehydrogenase from Gluconobacter oxydans and microbial production of 2-keto-L-ascorbic acid in recombinant G .oxydans strain. Appl. Environ. Microbiol. 1997, 63, 454-460.
• [29] Sandmann G.: Genetic manipulation of carotenoid biosynthesis: strategies problems and achievements. Trends Plant Sci., 2001, 6 (1), 14-17.
• [30] Sauer M., Branduardi P., Valli M., Porro D.: Production of L-ascorbic acid by metabolically engineered Saccharomyces cerevisiae and Zygosaccharomyces bailii. Appl. Environ. Microbiol., 2004, 70, 6086-6091.
• [31] Shewmaker C.K., Sheehy J.A., Daley M., Colburn S., Ke D.Y.: Seed specific overexpression of phytoene synthase: increase in carotenoids and other metabolic effects. Plant J., 1999, 20, 401-412.
• [32] Stahmann K.P., Revuelta J.L., Seulberger H.: Three biotechnical processes using Ashbya gossypi, Candida famata or Bacillus subtillis compete with chemical riboflavin production. B12. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2000, 53, 509-516.
• [33] Steiner S., Philippsen P.: Sequence and promoter analysis of the highly expressed TEF gene of the filamentoud fungus Ashbya gossypii. Mol. Gen. Genet., 1994, 242, 263-297.
• [34] Sugisawa T., Miyazaki T., Hoshino T.: Microbial production of L-ascorbic acid production of 2- keto-L-gulonic acid from D-sorbitol, L-sorbose, L-gulose and L-sorbosone by Ketogulonicigenium vulgare DSM 4025. Biosci. Biotechnol. Biochem., 1990, 69, 659-662.
• [35] Survase S.A., Ishwar B.B., Singhal R.S.: Biotechnological production of vitamins. Food Technol. Biotechnol., 2006, 44, 381-396.
• [36] Valentin H.E., Qi Q.: Biotechnological production and application of vitamin E: current state and prospects. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2005, 68, 436-444.
• [37] van Eenennaam A.L., Lincoln K., Durrett T.P., Valentin H.E., Shewmaker C.K., Thorne G.M., Jiang J., Baszis S.R., Levering C.K., Aasen E.D., Hao M., Stein J.C., Norris S.R., Last R.L.: Engineering vitamin E content: from Arabidopsis mutant to soil oil. Plant Cell, 2003, 15, 3007-3019.
• [38] Zhang L., Wang Z., Xia Y., Kai G., Chen W., Tang K.: Metabolic engineering of plant L-ascorbic biosynthesis: recent trends and applications. Crit. Rev. Biotechnol., 2007, 27, 173-182.