Enhanced large scale production of recombinant staphylococcus simulans lysostaphin and its characterization

Abstract

Çoklu ilaca direnç geliştiren Staphylococcus aureus (S. aureus), hastaneler, bakımevleri, diyaliz merkezleri gibi sağlık ortamlarında görülen enfeksiyonların birçoğununsebebidir. Bu enfeksiyonlar karmaşık ve yüksek maliyetli tedaviler gerektirir; önemli tıbbive ekonomik kayıplara neden olabilir. Bu nedenle, bu bakterilerle mücadele etmek içinyeni ve etkili stratejiler geliştirmek önem kazanmaktadır.Lizostafin (EC 3.4.24.75), bilinen tüm stafilokok türlerinin hücre duvarınıparçalama yeteneğine sahip olan bir peptidoglikan hidrolazdır; özellikle şu türler üzerindeetkilidir, S. aureus, S. epidermidis, S. haemolyticus, S. carnosus, S. saprophyticus, S.hominis, S. hyicus ATCC 11249 ve S. medius ATCC 29663. Lizostafin biyoteknolojikuygulamalar ve bakteriyosin olarak önemli bir potansiyele sahip olsa bile, yüksek üretimmaliyeti tedavi ve araştırma amaçlı kullanımını sınırlandırmaktadır (1 mg-134 € / Sigma-Aldrich). Bu bağlamda, enzimin üretim maliyetini azaltmak üzere daha büyük ölçeklerdeyapılacak optimizasyon çalışmaları önem kazanmaktadır. Bu çalışmada Escherichia coliTOP 10' da (E. coli TOP10) rekombinant lizostafin ekspresyon veriminin arttırılmasıamaçlanmıştır. İlk olarak, arabinoz indüksiyonu ve oto indüksiyonlu besi yerlerinin verimitest edilerek besi yeri optimizasyonu uygulandı. Bununla birlikte, sıcaklığın ifade edilenlizostafin verimi ve aktivitesi üzerindeki etkisi, test edildi. Sonuçlar, otoindüksiyonortamının bileşiminin, 30 ° C'de en yüksek seviyede aktif lizostafin üretim miktarını 5 katarttırdığını ortaya koydu. Ardından, optimize edilmiş koşullar scale-up çalışmalarındakullanıldı ve E. coli hücrelerinin tezgâh üstü kültürlenmesi yoluyla rekombinant lizostafinüretildi. Sonuç olarak, test edilen koşullar, 3 L tezgâh üstü biyoreaktörde 184.076 mg/L'yekadar protein verimlerini iyileştirdi ve enzimin üretim maaliyeti ticari olarak satılana göre4 kat düşürüldü. Ayrıca, elde edilen sonçlar, lizostafinin hem ticari olarak hem de izoleedilen S. aureus türleri üzerinde etkili bir bakteriyosin olduğunu kanıtlamıştır. Çalışmanınçıktıları daha büyük ölçekli lizostafin üretimine katkıda bulunacaktır.

Staphylococcus aureus (S. aureus), developed a multidrug resistance, leads to mostof the healthcare-associated infections acquiring in healthcare settings such as hospitals,nursing homes, dialysis centers. These infections are required complex treatments and cancause significant medical and economic losses along with costs. Thereby, developing anew and effective strategy to rule these bacteria has gained significant importance.Lysostaphin (EC 3.4.24.75) is a peptidoglycan hydrolase that has the ability todegrade the cell wall of almost all known staphylococcal species; in particular, S. aureus,S. epidermidis, S. haemolyticus, S. carnosus, S. saprophyticus, S. hominis, S. hyicus ATCC11249 and S. intermedius ATCC 29663. Although lysostaphin has considerable potentialon biotechnological applications and ability as a bacteriocin, the high production costlimits its usage in healthcare settings (1 mg–134 €/ Sigma-Aldrich). Regarding this issue,optimization and the scale-up studies of lysostaphin by decreasing the production cost ofthe enzyme on larger scales become important.In this study, increasing the expression yield of recombinant lysostaphin inEscherichia coli TOP10 (E. coli TOP10) has been aimed. Firstly, medium optimizationwas applied by testing the yield of arabinose induction and auto-induction mediums. Theeffect of temperature on expressed lysostaphin yield and activity were tested as a secondtask. The results revealed that the composition of auto-induction media increased theamount of lysostaphin production 5-times with the highest level of active lysostaphin at30 °C. Following, optimized conditions were transferred to scale-up studies andrecombinant lysostaphin was produced via bench-top culturing of E. coli cells. Inconclusion, the tested conditions improve the protein yields up to 184.076 mg/L in a 3-LSTR benchtop bioreactor and the production cost was decreased 4 folds when comparedwith the commercially available ones. Moreover, this study proved that lysostaphin is aneffective bacteriocin on both commercially available and national S. aureus species.Outputs of the study will contribute to further larger-scale production of lysostaphin.