Isoflavonoid production in cell cultures of Pueraria tuberosa as influenced by an angiospermic parasite, Cuscuta reflexa, was studied. During the time course, maximum isoflavonoid content was recorded when Cuscuta elicitor was added on day 15 of culture. Among various concentrations of elicitor tried, $1g\;l^{-1}$ of Cuscuta elicitor was found to be the most effective. The optimized elicitation conditions were used in vessels of varying capacity where maximum yield of ${\sim}91mg\;l^{-1}$ of isoflavonoid was recorded in a 2-l bioreactor which was about 19% higher than the control cultures. In this case, puerarin content increased up to $11mg\;l^{-1}$ which was 580% higher that the value recorded in the control cultures. In the bioreactor, 8 days of elicitation was optimal for the high accumulation of isoflavonoid, giving productivity of ${\sim}4mg\;l^{-1}\;day^{-1}$. The study showed persistent high isoflavonoid yield even during scale-up. Use of a preparation of Cuscuta reflexa as an elicitor is reported for the first time. The increase in isoflavonoid content was elicitor dose-dependent and can be explored to trigger high yields of isoflavonoid/secondary metabolites in production.
Energy-efficient metabolic responses were often noted in high-productive cultures. To better understand these metabolic responses, an investigation into the relationship between metabolic responses and energy regulation was conducted via a comparative analysis among cultures with different energy source supplies. Both glycolysis and glutaminolysis were studied through the kinetic analyses of major extracellular metabolites concerning the fast and slow cell growth stages, respectively, as well as the time-course profiles of intracellular metabolites. In three cultures showing distinct antibody productivities, the amino acid metabolism and energy state were further examined. Both the transition of lactate from production to consumption and steady intracellular pools of pyruvate and lactate were observed to be correlated with efficient energy regulation. In addition, an efficient utilization of amino acids as the replenishment for the TCA cycle was also found in the cultures with upregulated energy metabolism. It was further revealed that the inefficient energy regulation would cause low cell productivity based on the comparative analysis of cell growth and productivity in cultures having distinct energy regulation.
Cell cultures of Commiphora wightii (Arnott.) Bhandari were grown in shake flasks and a bioreactor and an increase in guggulsterone accumulation up to $18{\mu}g\;l^{-1}$ was recorded in cells grown in the production medium containing a combination of sucrose:glucose (4% total), precursors (phenylalanine, pyruvic acid, xylose, and sodium acetate), morphactin, and 2iP. A yield of $10g\;l^{-1}$ biomass and ${\sim}200{\mu}g\;l^{-1}$ guggulsterone was recorded in a 3-l flask and in a 2-l stirred tank bioreactor compared with 6.6 g biomass and $67{\mu}g\;l^{-1}$ guggulsterone in 250-ml flasks. Increased vessel size was correlated with increased biomass and guggulsterone accumulation. 2iP alone was not effective for biomass and guggulsterone accumulation in cell cultures of C. wightii.
Growth properties of carrot hairy roots transformed by Agrobacterium rhizogenes were compared in flask and bioreactor. Oxygen transfer coefficient KLa was measured during the cultivation in bioreactor. In flask cultures, initially sucrose 30g/l was nearly exhausted after 20days. pH was dropped from initially 5.8 to 4.79 after 4 days, but it is stable after that time. Finally, after 28 days, hairy roots were grown about twelve times. In view of the results studied optimum conditions, hairy roots were maintained high growth rates in sucrose 50g/l, pH 5.8, total nitrogen 60mM. Also in bioreactor cultures, fixed stainless sieve in bottom and aerated 0.31 vvm, the results of cultivation by the use of sucrose 50g/l had grown about twenty-eight times and pH variations were liked in flask. As a results, growth rate of 1.756g fresh weight/day/g inoculum in bioreactor were higher about three times than 0.57g fresh weight/day/g inoculum in flask culture. KLa values were showed a tendency to decrease from 0.209 min-1 to 0.068 min-1.
본 실험은 여름딸기 무병묘 대량증식을 위해 bioreactor배양의 증식 및 경제성 효과를 비교하고자 실시하였다. 배양 방법은 반고체, 고체, 현탁배양 및 bioreactor 배양 등 4가지 방법을 이용하였다. 배양 6주 후, 식물체의 초장은 고체배양이 3.6cm로 가장 짧았으며, bioreactor 배양이 8.3cm로 가장 길었다. 생체중과 건물중은 bioreactor 배양이 2,261mg과 525mg으로 다른 배양방법에 비하여 가장 무거웠다. 액아는 반고체, 고체 및 현탁배양은 거의 발생하지 않았으나, bioreactor 배양은 주당 7개의 액아가 발생하였다. 경제성 분석 결과 기본식물 생산 시 bioreactor배양이 303원/주으로 고체배양의 845원/주보다 542원/주 적었다. 따라서 딸기 무병묘 생산 시 bioreactor배양이 대량증식 및 경제적인 면에서 효율적이었다.
Scopolamine and hyoscyamine are important anticholinergic compounds. To increase the productivity, we have selected various elicitors and developed culture system using a bubble column bioreactor (BCB). As the same manner of elicitation in flask cultures, the elicitors were introduced into BCB cultures and the productivity was investigated. Except the bacterial elicitor of Staphyllococcus aureus, the elicitors inhibited hyoscyamine production. In scopolamine production, the elicitors revealed different responses from the results obtained in flask cultures. The elicitors of KCl and Candida albicans less increased the production than flask cultures. However, methyl jasmonate and S. aureus showed stronger positive effects on tropane alkaloid production. In particular, S. aureus was the most effective elicitor on scopolamine production and the elicitor resulted in the highly increased production, approximately 10 times higher than the control culture.
Medicinal plants are high-value natural resources that have been used as precautionary drugs by many people globally. The increasing global demand for bioactive compounds from medicinal plants has led to the overexploitation of many valuable species. One widely used approach to overcome this problem is the use of adventitious root cultures as a propagation strategy. This review examines the scientific research published globally on the application of adventitious root cultures for many medicinal plants. Adventitious roots generated under aseptic environments in suitable phytohormone-augmented medium exhibit high growth rates and production of important secondary metabolites. Parameters such as medium properties and composition, growth hormone type, and elicitation strategies for in vitro grown adventitious roots of medicinal plants, are the main topics discussed in this review. We also examine current developments in bioreactor system cultivation for plant bioactive compounds using adventitious root cultures, a technology with possible commercial applications, via several studies on adventitious root culture of medicinal plants in which bioreactor systems play a role. In conclusion, the development of adventitious root cultures for medicinal plants is highly useful because of their capability for vegetative propagation and germplasm preservation.
생물반응기의 형태에 따른 인삼부정근의 생장과 ginsen-side의 생산능력에 대하여 조사한 결과, 원형의 상부와 하부에 5 cm의 bubble column을 가진 bulb type bubble bioreactor (BU)에서 건물중은 41.92 g으로 가장 많이 증가하였으며, cylindric tube bioreactor (CT)에서 건물중이 38.55g으로 가장 낮게 나타났다. 이들 두 생물반응기의 초기 kLa 값은 BU 생물반응기에서 6.98 h$^{-1}$로 가장 높게 측정되었고, 반대로 bubble column이 없는 CT 생물반응기에서 5.25 h$^{-1}$으로 가장 낮게 측정되었다. 그러나 이와 같은 초기 kLa값의 차이는 부정근내의 이차대사산물인 ginsenoside의 함량에는 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 또한 BU 생물반응기에서 bubble column의 길이를 기존의 5 cm에서 10 cm로 연장시켰을 때, 초기 kLa값이 6.52 h$^{-1}$에서 7.80 h$^{-1}$로 증가하면서 인삼부정근의 생장을 42.13 g에서 50.30 g으로 약 16% 증가시킨 것으로 나타났다.
El Enshasy, H.;Fattah, Y. Abdel;Atta, A.;Anwar, M.;Omar, H.;Magd, S. Abou El;Zahra, R. Abou
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제18권1호
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pp.128-134
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2008
The kinetics of cell growth and Cyclosporin A (Cyc A) production by Tolypocladium inflatum were studied in shake flasks and bioreactors under controlled and uncontrolled pH conditions. In the case of the shake flask, the production time was extended to 226 h and the maximal antibiotic concentration was 76 mg/l. When scaling up the cultivation process to a bioreactor level, the production time was reduced to only 70h with a significant increase in both the cell growth and the antibiotic production. The maximal dry cell weights in the case of the controlled pH and uncontrolled pH cultures in the bioreactor were 22.4g/l and 14.2g/l, respectively. The corresponding maximal dry cell weight values did not exceed 7.25g/l with the shake flask cultures. The maximal values for Cyc A production were 144.72 and 131.4 mg/l for the controlled and uncontrolled pH cultures, respectively. It is also worth noting that a significant reduction was observed in both the dry cell mass and the antibiotic concentration after the Cyc A production phase, whereas the highest rate of antibiotic degradation was observed in the stirred tank bioreactor with an uncontrolled pH. Morphological characterization of the micromorphological cell growth (mycelial/pellet forms) was also performed during cultivation in the bioreactor.
본 연구에서는 Phellinus linteus 균사체의 액상배양을 통한 면역증강 생리활성 효능의 단백다당체 생산공정을 개발하기 위한 시도로서, 우선 생산균체의 원형질체 형성을 통한 고생산성 균주를 개발하고자 하였으며, 발효기 액상배양 시 최적 배양형태의 유도를 통해 균사체와 단백다당체의 생산성을 극대화하고자 하였다. 본 연구실에서 채취한 생산 균주를 ITS rDNA sequencing 방법과 blast search 방법에 의해 조사한 결과 다양한 Phellinus linteus 종들과 99.67% 이상의 유사성 확인되어, 이 균주를 Phellinus linteus라고 최종적으로 동정할 수 있었다. 이 동정된 균주로부터 균주 개량을 시도하기 위해 Phellinus linteus 균사체로부터 대량의 원형질체 형성 및 재생에 의한 단일 콜로니 획득 방법을 개발함으로써 균주를 신속하게 개량할 수 있었다. Sorbitol을 이용한 banding filtration 방법을 이용하여 원형질체를 회수한 결과 $10^5{\sim}10^6\;protoplasts/ml$를 얻을 수 있었으며, 원형질체 재생률은 $10^{-2}{\sim}10^{-3}$로 나타났다. 균주개량을 위해 원형질체 재생배지와 고체배양배지에서 고성장성 및 고안정성을 보이는 균주들을 지속적으로 대량 선별하여, 액상 생산배양을 수행하였다. 그 결과 균사체량은 13~15 g/L로 대부분 비슷하게 자랐으며, 조단백다당체의 함량 또한 5.8~6.4%로 거의 비슷하게 분포하는 것으로 나타났는데, 이로부터 고체배양배지에서 빠른 성장속도를 보여주는 균주들이 대부분 액상 생산배양에서도 고생산성 및 고안정성을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 한편 Phellinus linteus 균사체의 경우 조단백다당체의 함량이 세포 무게당 거의 일정한 양을 함유하고 있는 것으로 확인되었으므로, 조단백다당체의 생산성을 증가시키기 위해서는 최종 생산배양에서의 균체량 증가가 가장 중요한 것으로 판단되어, 균사형성 고등균류의 균사체 배양 시 균체량 증가에 가장 중요한 요인 중의 하나인 생산균주의 배양형태적 특성에 대해 집중적으로 조사하였다. 균주개량 실험을 통해 고생산성 균주로 최종 결정된 AR147 균주를 이용해서 다양한 배양조건에서 발효조 배양을 수행한 결과, 최종 생산발효조로의 접종원이 고농도의 균사모양인 경우에 생산균주의 배양형태가 매우 작은 compact한 펠렛 모양(대부분 직경 0.5 mm 이하)을 유지하는, 이상적인 균사체 액상배양 공정이 이루어지는 것으로 확인되었다. 즉 생산 발효조배양에서 직경 0.5 mm 이하의 compact한 펠렛 모양의 배양형태가 유도되었을 경우, lag phase 시간의 획기적 감소와 1.5배 이상의 높은 세포비성장속도로 인해, 최종 균사체생산성이 다른 배양형태를 유도한 경우에 비해 약 3.3배 더 높은 주목할 만한 배양결과를 얻을 수 있었다. 이로부터 균사 형성 Phellinus linteus의 산업용 발효조 배양 시, 각 배양단계에서의 생산균체의 배양형태가 최종 균체생산성, 궁극적으로는 최종 단백다당체의 생산성에 심각한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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