Improvement of Growth and Benzo[c]phenanthridine Alkaloids Production by Modifying Nitrogen Source in Suspension Cell Culture of Eschscholtzia californica

The effect of nitrogen source on cell growth and benzo[c]phenanthridine alkaloids production by modifying $NO_3\;^-:NH_4\;^+$ ratio in cell suspension culture of Eschscholtzia califarnica was investigated. When total nitrogen concentration is maintained (60 mM), maximum benzo[c]phenanthridine alkaloids production is about 60.72 mg/L at 50:10 (mol/mol). This productivity was 3.8 times higher than that obtained when cells were grown instandard MS medium. The decrease of $NO_3\;^-:NH_4\;^+$ ratio at 60 mM of total nitrogen caused the decline of both growth and benzo[c]phenanthridine alkaloids production. Under the same concentration of $N0_3\;^-$ (50 mM), higher concentration of $NH_4\;^+$ inhibited cell growth strongly but induced alkaloids production slightly. Also, under the same concentration of $NH_4\;^+$ (25 mM), higher concentration of $N0_3\;^-$ induced alkaloids production strongly but high concentration of $N0_3\;^-$ (${\geq}$100 mM) interfered alkaloids instead. Maximum benzo[c]phenanthridine alkaloids production is about 62.71 mg/L at 50:25 (mol/mol). These results suggest that higher biomass and higher alkaloids production could be obtained by optimizing each nitrogen concentration as well as $NO_3\;^-:NH_4\;^+$ ratio in the culture medium. Nitrate and ammonium in culture medium have distinct role in the regulation of growth and alkaloids production; ammonium had a strong influence on growth while nitrate had an influence on alkaloids production.

Eschscholtzia californica의 현탁 세포배양에서 질소원 조절에 의한 세포 성장 및 Benzo[c]phenanthridine Alkaloids 생산량 향상

본 연구에서는 Eschscholtzia californica의 이차 대사산물인 benzo[c]phenanthridine alkaloids의 생산량을 향상시키기 위해 주요 영양성분인 질소원 농도를 조절하여 배지의 조성을 최적화하였다. 그 결과, 질산과 암모늄 이온의 초기 농도 비율은 세포 성장과 alkaloids 생산량 증대에 중요한 영향을 미치는 인자로서 작용함을 볼 수 있었다. 총 질소 농도를 standard MS배지의 총 질소원 농도와 동일하게 유지하고 (60 mM), 농도 비율 다양하게 조절했을 때, 세포 성장과 alkaloids 생산량은 질산과 암모늄 이온을 각각 단독으로 이용할 때 보다 효율적으로 증대함을 볼 수 있었다. 최대 성장 (9.84 g DCW/L)과 alkaloids 생산량 (60.72 mg/L)은 50 : 10의 비율에서 나타났으며, 농도 비율의 감소는 세포 성장을 억제하고 alkaloids 생산량을 감소시켰다. 또한, 질산과 암모늄 이온이 세포 성장과 alkaloids 생산량에 미치는 영향력을 보다 명확히 확인하기 위해 질산 이온과 암모늄 이온 농도를 각각 조절한 결과, 암모늄 이온이 증가할수록 alkaloids 생산량은 비슷하나, 세포 성장은 감소하였으며, 또한, 질산 이온의 농도를 증가시킬수록 세포 성장은 비슷한 값을 나타내었지만, alkaloids 생산량은 다양한 차이를 나타내었다. 본 실험에서 세포성장과 alkaloids 생산량에 적합한 농도는 50 : 25 (mol/mol) 비율에서 나타났으며, 본 실험을 통해 Eschscholtzia californica의 현탁 세포배양에서 질소원 농도의 조절을 통한 외부 환경조절은 세포 성장과 alkaloids 향상에 매우 효과적이며, 소량의 암모늄 이온의 첨가 시 질산 이온 농도조절은 세포 성장을 억제하지 않으면서 alkaloids 생산량을 유도하는데 적합한 이온임을 확인하였다.