Miniatura-5
- ŹRÓDŁO FINANSOWANIA - Narodowe Centrum Nauki
- NR PROJEKTU: 2021/05/X/NZ1/01207
- OKRES REALIZACJ: 01.12.2021 - 01.12.2022
Zespół badawczy:
- A. Żywicka
W ostatnich latach wiele prac badawczych poświęcono tematyce wpływu pól magnetycznych (PM) na procesy życiowe mikroorganizmów. Dowiedziono, że wpływają one m. in. na: aktywność enzymatyczną, aktywność metaboliczną, żywotność i proliferację komórek, transport jonów, czy ekspresje genów. Prowadzone dotychczas badania nad wykorzystaniem PM w procesach biotechnologicznych dotyczyły głównie statycznych pól magnetycznych (SPM), podczas gdy obiecujący biotechnologicznie pomysł wykorzystania wirujących pól magnetycznych (WPM) nadal pozostaje niedostatecznie zbadany. Wraz z Zespołem Wnioskodawca od 8 lat prowadzi badania nad możliwością zastosowania bioreaktorów wspomaganych WPM w różnych procesach biotechnologicznych prowadzonych z wykorzystaniem mikroorganizmów, w tym do intensyfikacji produkcji celulozy bakteryjnej (CB) produkowanej przez Komagataeibacter xylinus.
Celuloza produkowana przez bakterie należy obecnie do najbardziej obiecującej klasy biopolimerów. Niezwykle duży potencjał aplikacyjny CB determinowany jest przez jej unikalne właściwości, co wiąże się z ciągle rosnącym zapotrzebowaniem na ten wyjątkowy bionanomateriał. Jednak produkcja CB na skalę przemysłową jest wciąż stosunkowo niewielka, co ma związek z wysokimi kosztami jej produkcji, a przede wszystkim niską efektywnością procesu biosyntezy. Dotychczas większość badań dotyczących CB skupiała się przede wszystkim na intensyfikacji procesu produkcji poprzez optymalizację warunków hodowli tj. składu medium, warunków mieszania i napowietrzania, jak również konstrukcji nowoczesnych bioreaktorów. Podkreślić jednak należy, że pomimo wielu badań aplikacyjnych nadal brakuje badań podstawowych, dotyczących szlaków metabolicznych procesu biosyntezy CB.
We wcześniejszych badaniach przeprowadzonych przez Wnioskodawcę, dowiedziono, że zastosowanie bioreaktora wspomaganego WPM w procesie produkcji CB, istotnie zwiększa wydajność jej syntezy oraz pozwala kształtować jej właściwości materiałowe. Na podstawie przeglądu literatury przedmiotu, a także przeprowadzonych do tej pory eksperymentów założono, że mechanizmy molekularne na poziomie komórkowym mogą być związane z oddziaływaniem WPM na ekspresję genów odpowiedzialnych za biosyntezę CB. Poznanie mechanizmów działania WPM na proces biosyntezy CB może mieć kluczowe znaczenie dla opracowania nowych metod efektywnej produkcji i kierunkowej modyfikacji właściwości fizykochemicznych tego biopolimeru. W związku z powyższym, głównym celem działania naukowego była ocena wpływu WPM o różnych częstotliwościach i czasie ekspozycji, na ekspresje genów w komórkach K. xylinus, wchodzących w skład operonu bakteryjnej syntezy celulozowej I (bcs).
Wyniki badań przeprowadzonych w ramach działania naukowego potwierdziły, że ekspozycja na WPM istotnie wpływa na wzrost poziomu ekspresji wszystkich czterech genów wchodzących w skład operonu bcsI, tj. genu syntezy celulozy (podjednostki katalitycznej A) bcsA, oraz genu białka wiążącego cząsteczkę katalityczną diguanozylomonofosforanu (c-di-GMP) bcsB, pełniącego funkcję aktywatora podjednostki A, oraz genu bcsC i bcsD, których produkty prawdopodobnie odgrywają rolę, odpowiednio, w formowaniu porów w błonie komórkowej oraz procesie krystalizacji.
Wykazano, że efekt ten zależał od czasu ekspozycji oraz częstotliwości WPM. Najwyższy poziom ekspresji obserwowano w komórkach K. xylinus eksponowanych na WPM przez 12 h w przypadku każdej z analizowanych częstotliwości (5, 10, 25, 50 Hz). Wraz z wydłużeniem czasu ekspozycji poziom ekspresji poszczególnych genów nieznacznie spadał, co może to być związane z immobilizacją komórek K. xylinus w membranie celulozowej w kolejnych dniach biosyntezy. Należy jednak zauważyć, że nawet w przypadku ekspozycji trwającej 72 h poziom ekspresji analizowanych genów był istotnie wyższy w porównaniu do kontroli (komórki nieeksponowane na WPM). Największą ekspresje analizowanych genów obserwowano w przypadku komórek K. xylinus eksponowanych na WPM o częstotliwości 5 Hz. Wraz ze wzrostem częstotliwości WPM obserwowano zmniejszający się poziom ekspresji analizowanych genów.
Potwierdzono, również że zastosowanie bioreaktora wspomaganego WPM w procesie produkcji CB, istotnie zwiększa wydajność jej syntezy. Wyniki wykazały, że największą ilość zarówno mokrej, jak i suchej masy CB obserwowano w przypadku próbek eksponowanych na WPM o częstotliwości 5 Hz. Pomimo różnic w poziomie ekspresji genów wchodzących w skład operonu bcsI w zależności od czasu, przy zastosowaniu ekspozycji na WPM o częstotliwości 5 Hz w każdym punkcie czasowym uzyskano większą ilość CB w porównaniu do kontroli. Średnia różnica w wadze pomiędzy CB eksponowaną na WPM częstotliwości 5 Hz a kontrolą wynosiła 31% w przypadku mokrej masy i 38% w przypadku suchej masy CB. Wyniki te mogą sugerować, że zastosowanie ekspozycji WPM o częstotliwości 5 Hz zapewnia odpowiedni poziom ekspresji genów wchodzących w skład operonu bcsI bez względu na czas ekspozycji, co skutkuje poprawą efektywności procesu produkcji CB. Można również przypuszczać, że za stymulujące działanie WPM odpowiedzialny jest dodatkowo inny mechanizm molekularny na poziomie komórkowym poza zwiększonym poziomem ekspresji genów wchodzących w skład operonu bcsI.
Wyniki uzyskane w ramach zrealizowanego działania naukowego pozwolą na zaplanowanie, kolejnych i bardziej rozszerzonych analiz mających na celu m.in. analizę pozostałych genów zaangażowanych w proces biosyntezy CB np. genów znajdujących się poniżej i powyżej operonu bcsI, a także genów wchodzących w skład opronów bcs II, III oraz IV, czy też analizę ilości oraz aktywności białek kodowanych przez poszczególne geny.
Publikacje naukowe
Żywicka A, Dunisławska A, Fijalkowski K. Increased Expression of Bacterial Cellulose Synthase Genes in Komagataeibacter Xylinus Exposed to a Rotating Magnetic Field. Biomacromolecules. 2025 Oct 13;26(10):6542-6551. doi: 10.1021/acs.biomac.5c00653. Epub 2025 Aug 29. PMID: 40880222; PMCID: PMC12522092.
