Design of artificial bacteria-yeast consortia for production of protease, amylase, and lipase & optimization of process conditions

Abstract

Enzimler, birçok endüstriyel proses için biyokatalizör görevi gören proteinlerdir. Hidrolitik enzimler arasında proteaz, amilaz ve lipaz, geniş endüstriyel uygulama alanları nedeniyle önemli bir role sahiptir. Enzim teknolojisinin darboğazı, endüstriyel talebi tatmin edici ve uygun maliyetli bir oranda karşılayamamasıdır. Enzim kokteylleri, karmaşık substratların bozunmasında tek tek enzimlerden daha kesin, daha hızlı ve etkili düzenlemeye sahiptir. Ayrıca enzim kokteyli fermantasyonları, tek enzimleri birleştirmek yerine, fermantasyon süresini ve maliyetini düşürme gibi avantajlara sahiptir. Şu anda, sentetik biyoloji ve tek suş fermentasyonlarına dayalı istatistiksel yaklaşımlar dahil olmak üzere enzim üretimini geliştirmek için çeşitli yöntemler mevcuttur. Bununla birlikte, istenen ürünün üretkenliğini artırmak için mikrobiyal etkileşimlerin açıklığa kavuşturulması gerekmektedir. Mikrobiyal konsorsiyum, iki veya daha fazla mikroorganizmanın bir arada bulunması, hem eş zamanlı üretim hem de yüksek aktivite imkanı sağlayan umut verici bir yaklaşımdır.Bu tez, bakteri ve maya familyalarından oluşan yapay mikrobiyal konsorsiyumlar tarafından yukarıda bahsedilen üç enzimin birlikte üretimini geliştirmeyi amaçlamaktadır. Mikrobiyal etkileşimin enzim kokteyli üretimi üzerindeki etkisi iki farklı konsorsiyum tasarımı ile değerlendirildi. Ayrıca Tepki Yüzey Metodolojisi ile enzim kokteyli üretimini etkileyen faktörlerin tasarımı ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda Merkezi Kompozit Tasarım ile ikinci dereceden bir polinom modeli kullanılarak yirmi farklı deney yapılmıştır. Sonuç olarak, hem mikroorganizmaların sinerjik etkileşimleri hem de proses koşullarının optimizasyonu, fermantasyon performansının iyileştirilmesini mümkün kılmıştır.

Enzymes are proteins that act as biocatalysts for many industrial processes. Among the hydrolytic enzymes, protease, amylase, and lipase have an important role due to their wide range of industrial applications. The bottleneck of enzyme technology is that its inability to meet industrial demand at a satisfactory and cost-effective rate. Enzyme cocktails have more precise regulation, faster and effectiveness in the degradation of complex substrates than individual enzymes. Besides, enzyme cocktail fermentations, rather than combining single enzymes, have advantages such as decreasing fermentation time and cost. Currently, several methods for improving enzyme production are available, including synthetic biology and statistical approaches based on single strain fermentations. However, the clarification of microbial interactions is still required to increase the productivity of the desired product. Microbial consortia, the coexistence of two or more microorganisms, is a promising approach that provides the opportunity for both concomitant production and high activity.This thesis aims to develop the concomitant production of the aforementioned three enzymes by artificial microbial consortia composed of bacteria and yeast families. The effect of microbial interaction on enzyme cocktail production was evaluated with two different consortia designs. In addition, the design and optimization of the factors affecting the enzyme cocktail production were carried out with the Response Surface Methodology. In this context, twenty different experiments were conducted using a quadratic polynomial model with Central Composite Design. As a result, both synergistic interactions of microorganisms and optimization of process conditions made it possible to improve fermentation performance.