An inducible expression system of poly[(R)-3-hydroxybutyrate] (PHB) depolymerization was established in metabolically engineered Escherichia coli with the PHB biosynthesis genes. The Ralstonia eutropha PHB depolymerase gene was cloned in a vector system containing the PHB biosynthesis genes and expressed under inducible promoter. Recombinant E. coli harboring the PHB biosynthesis genes and depolymerase gene was first cultured for the accumulation of PHB, and then the depolymerase was expressed resulting in the degradation of accumulated PHB into (R)-3-hydroxybutyric acid (R3HB). R3HB could be produced with the concentration of 7.6 g/L in flask culture. Two different PHB biosynthesis genes from Alcaligenes latus and R. eutropha were compared for the production of R3HB. This strategy can be used for the production of enantiomerically pure (R)-hydroxycarboxylic acids with high concentration.
The effects of growth temperature and nutritional components on the synthesis of poly-3-hydroxybutyric acid, PHB, by filamentation-suppressed recombinant Escherichia coli XL1-Blue (pSYL107) were studied. After culturing XL1-Blue(pSYL107) for 48 hours in complex medium at 30$\circ$C, 7Al g/l of PHB could be obtained with the PHB content and PHB yield of 82% and 0.371 g PHB/g glucose, respectively. Lower concentration of PHB(3.2 g/l) was obtained when cultu- red at 37$\circ$C, which seemed to be due to the instability of this strain having amplified FtsZ activity. The PHB concentration of 3.75 g/l was obtained after culturing 60 hours in R medium supplemen- ted with 20 g/l glucose at 30$\circ$C, which was more than twice higher than that obtained with XL1-Blue(pSYL105). This suggested that the enhancement of PHB synthesis by suppressing filamenta- tion was more significant in a defined medium than complex medium. PHB synthesis could be further enhanced by supplementing a small amount of various complex nitrogen sources. When 5 g/l of beef extract was added to a defined medium, PHB concentration, PHB content, and PHB yield obtained after 60 hours of cultivation at 30$\circ$C were 7.46 g/l, 86%, and 0.375 g PHB/g glucose,respectively.
Production of (R)-3-hydroxybutyric acid (R3HB) by fed-batch culture and continuous culture of metabolically engineered Escherichia coli harboring Ralstonia eutropha PHB biosynthesis and depolymerase genes was examined in a 30 1 pilot-scale fermentor. A new stable two-plasmid system, pBRRed containing the R. eutropha PHB depolymerase gene and pMCS 105 containing the R. eutropha PHB biosynthesis genes, was developed. Among a variety of E. coli strains harboring plasmids, recombinant E. coli XL-10 Gold (pBRRed, pMCS105) was able to produce R3HB with the highest efficiency in a batch culture. By the fed-batch culture of recombinant E. coli XL-10 Gold(pBRRed, pMCS 105) in a 30 1 fer-mentor, the final R3HB concentration was 22.4 g/l giving a productivity of 0.97 g/l-h. To produce R3HB to a high concentration with high productivity, a new strategy of fed-batch culture followed by a continuous culture was investigated. The maximum productivity and R3HB concentration were 5.06 g/l-h and 25.3 g/l, respectively. These results show that economical production of R3HB is possible by recombinant E. coli in large scale.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition
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v.31
no.3
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pp.475-481
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2002
Blend films of poly(3-hydroxybutyric acid) (PHB) with chitosan were prepared, and their Physical properties and crystallization were investigated. The degree of crystallinity of PHB/chitosan films by X-ray diffraction decreased with increasing chitosan concentration. In the fourier-transformed infrared spectra, carbonyl peak of PHB became lower with increasing the amount of chitosan. The addition of chitosan to PHB film decreased thermal stability and crystallinity of the blend films. The granular sizes of the films were reduced with the addition of chitosan to the film in the microstructural observation by a scanning electron microscope. Mechanical properties, including tensile strength and percent elongation, of the blend films increased with increasing chitosan ratio in the films. For color of the films, L and b values generally decreased with increasing chitosan ratio, but transparency of the films increased.
A biodegradable polymer poly((R) -3-hydroxybutyric acid) (PHB) was conjugated with a hydrophilic polymer poly(ethylene glycol) (PEG) by the ttansesterification reaction to form the amphiphilic block copolymer. PHB with low molecular weight ($3000{\sim}30000$) was appropriated for the drug delivery materials. High molecular weight PHB was hydrolyzed by an acid-catalyst to produce the low molecular weight one. Amphiphilic block copolymer was formed the self-assembled polymeric micelle system in the aqueous solution that the hydrophillic PEG was wraped the hydrophobic PHB. Generally, polymeric micelle forms the small particle between $10{\sim}200nm$. These polymeric micelle systems have been widely used for the drug delivery systems because they were biodegradable, biocompatible, non-toxic and patient compliant. The hydroxyl group of PEG was substituted with carboxyl group which has the reactivity to the ester group of PHB. Amphiphilic block copolymer was conjugated between PHB, and modified PEG at $176^{\circ}C$ which was higher than the melting point of PHB. Transesterification reaction was verified with DSC, FTIR, $^1H-NMR$. In the aqueous solution, critical micelle concentration (CMC) of the mPEG-co-PHB copolymer measured by the fluororescence scanning spectrometer was $5{\times}10^{-5}g/L$. The shape and size of the nanoparticle was taken by dynamic light scattering and atomic force microscopy. The size of the nanoparticle was about 130 nm and the shape was spherical. Our polymeric micelle system can be used as the passive targeting drug delivery system.
Two typess of copolyesters, poly(3-hydroxybutyric acid-co-4-hydroxy-butyric acid)[P(3HB-co-4HB] and poly(3-hydroxybutyric acid-co-3-hydroxyvaleric acid)[P(3HB-co-3HV)], with various monomer ratios and different degree of microstructural heterogeneity were synthesized from Ralstonia eutropha H16 and Hydrogenophaga pseudoflava by using ${\gamma}$-butyrolactone and ${\gamma}$-valerolactone, respectively. The two bacteria showed a large difference in the utilization of ${\gamma}$-butyrolactone for cell growth and PHA synthesis. H. pseudoflava synthesized P(3HB-co-4HB) copolyesters with a wide range of 4HB content from 13 to 96 mol% depending on culture conditions, whiel R. eutropha H16 was able to synthesize the copolyesters containing less than 20 mol% of 4HB. An increase in the 4HB content in the P(3HB-co-4HB) copolyesters synthesized by H. pseud-oflava induced an lowering of their melting temperatures as well as their enthalpies of fusion. The increase in the 4HB content, however, increased the rate of degradation by an extracellular P(3HB) depolymerase. NMR spectros-copy and differential scanning calorimetry showed that the P(3HB-co-4HB) copolyesters from H. pseudoflava were generally microstructurally heterogeneous. The P(3HB-co-4HB) copolyesters) synthesized by R. eutropha H16 were rather random copolymers showing less microstructural heterogeneity than those synthesized by H. pseudoflava. The NMR D value analysis suggested that the monomer distribution of the P(3HB-co-3HV) copolymers from the two bacteria were relatively random.
Enantiomerically pure hydroxycarboxylic acids have great potential as chiral building blocks in fine chemicals due to their easily modificable two functional groups. Microbial polyhydroxyalkanoates (PHAs) can have more than one hundred of hydroxycarboxylic acids as monomeric constituents by growing cells under various conditions. All of the monomeric constituents are enantiomerically pure in (R)-conformation if there is a chiral center. Therefore, efficient production of enantiomerically pure hydroxycarboxylic acids by degrading PHAs is possible. In this presentation, we report on the development of a novel method for the preparation of (R)-hydroxybutyric acid by in vivo depolymerization of Polyhydroxybutyrae.
A ketone body (acetoacetic acid, β-hydroxybutyric acid, and acetone) increases from blood or urine when bio-energy dependence pays more fatty acid than glucose. However, in case oxidation of fat is greater than the capacity of the citric acid cycle the fatty acid oxidation is made from acetoacetyl CoA to acetoacetate then, again form β-hydroxyburytic acid to acetone, the diffusion take place into the blood. Enzymes that oxidize ketone body in the brain and nerve tissue blood ketone dody is increased during prolonged fasting, brain used it as energy. In this study, we developed the rapid two step derivatization method for sensitive detection of the ketone body by GC-MS/SIM. The plasma was deproteinized and then the hydroxy and carboxyl groups of ketone body are subjected to extraction and drying then, keto-group were derivatized with hydoxylamine at 60℃ for 30 min for oximation. Then it was trimetyl-silylated with BSTFA at 80℃ for 30 min and analyzed using a GC-MS. The linear ranges were in between 0.001 μg/mL and 250 μg/mL for β-hydroxy butyrate, and acetoacetate. The method detection limits were below 0.1 pg over each target compound determined. The mean recoveries (%) of target compounds were ranged from 88.2 % to 92.3 % at 1 µg/mL, from 89.5 % to 94.8 % at 10 μg/mL, with RSD of 6.3-9.4 %. This method could be applied to quantification of ketone bodies which are seen in the keto-acidosis in children and adults from a variety of diseases that cause ketones in the blood and urine.
A gene, $phbC_{2.4.1}$ encoding poly-3-hydroxybutyric acid (PHB) synthase of Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 was cloned by employing heterologous expression in Escherichia coli. R. sphaeroides chromosomal DNA partially digested with MboI was cloned in pUC19 followed by mobilization into E. coli harbouring $phbA,B_{AC}$ in pRK415, which code for ${\beta}$-ketothiolase and acetoacetyl CoA reductase of Alcaligenes eutrophus, respectively. Two E. coli clones carrying R. sphaeroides chromosomal fragment of $phbC_{2.4.1}$ in pUC19 were selected from ca. 10,000 colonies. The PHB-producing colonies had an opaque white appearance due to the intracellular accumulation of PHB. The structure of PHB produced by the recombinant E. coli as well as from R. sphaeroides 2.4.1 was confirmed by [$H^{+}$]-nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Restriction analysis of the two pUC19 clones revealed that one insert DNA fragment is contained as a part of the other cloned fragment. An open reading frame of 601 amino acids of $phbC_{2.4.1}$ with approximate M.W. of 66 kDa was found from nucleotide sequence determination of the 2.8-kb SaiI-PstI restriction endonuclease fragment which had been narrowed down to support PHB synthesis through heterologous expression in the E. coli harbouring $phbA,B_{AC}$. The promoter (s) of the $phbC_{2.4.1}$ were localized within a 340-bp DNA region upstream of the $phbC_{2.4.1}$ start codon according to heterologous expression analysis.
Journal of The Korean Society of Inherited Metabolic disease
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v.15
no.2
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pp.65-71
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2015
Since the secretion of specific chiral isomers in urine (or plasma) is very crucial to diagnose some inborn metabolic disorders, clinical application of dual column achiral differential method has been performed for the absolute configuration of chiral compounds. Extracted from the acidified urine with diethyl ether, carboxylic functional group of organic acid (stereoisomers of the volatile) was derivatized with (-)-menthylation or (S)-(+)-3-methyl-2-butylation and followed by O-trifluoroacylation. Each of the enantiomers was accurately separated from the library matched double column (achiral) with a retention index (I). In various inborn metabolic disease urines, absolute chirality was identified correctly in the urine (10 patients) with inborn metabolic disease (including secretion of D, L- lactic acid, D, L-3-hydroxybutyric acid, and D, L-2-hydroxyglutaric acid). In this study, we identified and isolated the volatile diastereomer as a useful diagnostic marker, this successful application to urine specimens may be useful for diagnostic classification of inherited metabolic disorders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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