Повышение бактериоциноподобной активности штамма Bacillus thuringiensis путем улучшения состава питательной среды

Представлена разработка состава питательной среды и оптимальные концентрации входящих в ее состав компонентов для повышения бактерициноподобной активности штамма Bacillus thuringiensis ssp. dakota. Для оптимизации базовой питательной среды с целью максимального повышения активности целевого продукта проведены исследования при помощи многофакторного эксперимента с дальнейшей статистической обработкой данных. В качестве факторов оптимизации использовали источники азота (пептон и дрожжевой экстракт) и углерода (глицерин и глюкоза). Контрольной средой выращивания была среда «А», традиционно используемая для культивирования бактерий рода Bacillus. Степень влияния изучаемых факторов на результативный признак определяли с помощью модели множественной линейной регрессии первого порядка, оптимальные соотношения компонентов рассчитывали на основе квадратичной модели. Выявлена способность штамма Bacillus thuringiensis ssp. dakota продуцировать бактериоциноподобное вещество (BLIS). Установлена зависимость синтеза BLIS от среды культивирования: на безуглеводной среде антимикробная активность BLIS в 1,5 раза ниже активности на среде, содержащей глюкозу и глицерин. Для получения максимальной активности BLIS среду с углеводами оптимизировали с помощью многофакторного эксперимента, выполненного методом ортогональных латинских прямоугольников. Построены математические модели линейной регрессии первого и второго порядка в зависимости от концентрации компонентов питательных сред. Оптимальную концентрацию компонентов определяли на основе регрессионной модели второго порядка, учитывающей эффекты взаимодействия факторов и нелинейность процесса. В результате оптимизации питательной среды определен количественный состав компонентов среды культивирования: пептон – 9 г/л; дрожжевой экстракт – 2,6; глицерин – 5,6 г/л, на которой антимикробная активность BLIS повысилась на 60% по сравнению с активностью на исходной среде. Показано, что синтез BLIS, в отличие от синтеза дельтаэндотоксина, не регулируется катаболитной регрессией углерода.

1. Ahmad M., Pataczek L., Hilger T., Zahir Z., Hussain A., Rasche F., Schafleitner R., Solberg S. Perspectives of microbial inoculation for sustainable development and environmental management // Frontiers in Microbiology. 2018. Vol. 9. P. 2992. DOI: 10.3389/fmicb.2018.02992.

2. Cherif-Silini H., Silini A., Yahiaoui B., Ouzari I., Boudabous A. Phylogenetic and plantgrowth-promoting characteristics of Bacillus isolated from the wheat rhizosphere // Annals of Microbiology. 2016. Vol. 66. P. 1087–1097. DOI: 10.1007/s13213-016-1194-6.

3. Fiuza L.M., Polanczyk R.A., Crickmore N. Bacillus thuringiensis and Lysinibacillus sphaericus. Characterization and use in the field of biocontrol // Springer International Publishing AG. 2017. 289 p. DOI 10.1007/978-3-319-56678-8.

4. Armada E., Probanza A., Roldan A., Azcon R. Native plant growth promotion bacteria Bacillus thuringiensis and mixed or individual mycorrhizal species improved drought tolerance and oxidative metabolism in lavanda dentate plants // Journal of Plant Physiology. 2015. Vol. 192. P. 1–12. DOI: 10.1016/j.jplph.2015.11.007/

5. Lee K., Gray E., Mabood F., Jung W., Charles T., Clark S., Ly A., Souleimanov A., Zhou X., Smith D. The class IId bacteriocin thuricin-17 increases plant growth // Planta. 2009. Vol. 229. P. 747–755. DOI: 10.1007/s00425-008-0870-6.

6. Jouzani G. et al. Bacillus thuringiensis: a successful insecticide with new environmental features and tidings // Applied Microbiology and Biotechnology. 2017. Vol. 101. P. 2691–2711. DOI: 10.1007/s00253-017-8175-y.

7. Ben Khedher S., Jaoua S., Zouari N. Application of statistical experimental design for optimisation of bioinsecticides production by sporeless Bacillus thuringiensis strain on cheap medium // Brazilian Journal of Microbiology. 2013. Vol. 44. P. 927–933.

8. Ennouri K., Ben Ayed R., Triki M.F., Ottaviani E., Mazzarello F., Zouari N. Multiple linear regression and artificial neural networks for delta-endotoxin and protease yields modeling of Bacillus thuringiensis // 3 Biotech. 2017. Vol. 7. P. 187. DOI: 10.1007/s13205-017-0799-1.

9. Kamoun F., Zouari N., Saadaoui I., Jaoua S. Improvement of Bacillus thuringiensis bacteriocin production through culture conditions optimization // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2009. Vol. 39. P. 400–412.

10. Martinez-Cardenas J.A., de la Fuente-Salcido N.M., Salcedo-Hernandez R., Bideshi D.K., Barboza-Corona J.E. Effects of physical culture parameters on bacteriocin production by Mexican strains of Bacillus thuringiensis after cellular induction // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 2012. Vol. 39. P. 183–189. DOI: 10.1007/s10295-011-1014-8.

11. Юдина Т., Милько Е., Егоров Н.С. Чувствительность диссоциантов Micrococcus luteus к действию эндотоксинов Bacillus thuringiensis // Микробиология. 1996. Т. 65. № 3. С. 365–369.

12. Бациллы. Генетика и биотехнология: пер. с англ. / под ред. К. Харвуда. М.: Мир, 1992. 531 с.

13. Paik H.D., Bae S.S., Park S.H., Pan J.G. Identification and partial characterization of tochicin, a bacteriocin produced by Bacillus thuringiensis ssp.tochigiensis // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 1997. Vol. 19. P. 294–298.

14. De la Fuente-Salcido N., Alanís-Guzmán Ma.G., Bideshi D.K., Salcedo-Hernández R., Bautista-Justo M., Barboza-Corona J.E. Enhanced synthesis and antimicrobial activities of bacteriocins produced by Mexican strains of Bacillus thuringiensis // Archives of Microbiology. 2008. Vol. 190. P. 633–640.

15. Montgomery D.C. Desing and analysis of experiments, 8 th edition. / New York: Wiley. 2012. 752 p.

16. Ben Khedher S., Jaoua S., Zouari N. Overcome of carbon catabolite repression of bioinsecticides production by sporeless Bacillus thuringiensis through adequate fermentation technology // Biotechnology research international. 2014. Vol. Article ID 698587. DOI: 10.1155/2014/698587.

17. Ghribi D., Zouari N., Trabelsi H., Jaoua S. Improvement of Bacillus thuringiensis deltaendotoxin production by overcome of carbon catabolite repression through adequate control of aeration // Enzyme and Microbial Technology. 2007. Vol. 40. N 4. P. 614–622.

18. Akaike H. A new look at the statistical model identification. // IEEE Transactions on Automatic Control. 1974. Vol. 19. P. 716–723. DOI: 10.1109/TAC.1974.1100705.