Kinetic modelling of the effect of glucose concentration on the growth of recombinant E coli culture and on B-lactamase activity

Abstract

VI ÖZET Bu çalışmada sınırlayıcı madde konsantrasyonunun pUC13 plazmidi içeren E.coli JM109 straininin özgün büyüme hızına ve içerdiği hücre içi maddelerin miktarına etkisi mcelenmiştir. Sınırlayıcı madde olarak glikoz kullanılmıştır. Ölçülen hücre içi maddeler ise plazmid DNA, RNA ve 3 -laktamazin aktivitesidir. P -laktamaz aktivitesini belirlemek için yapılan çalışmalar iodimetrik analiz yönteminin spektrofotometrik yöntem ile karşüaştinldığmda uygun sonuçlar verdiğini göstermiştir, özgün büyüme hızının hesaplanması ile elde edilen sonuçlardan düşük konsantrasyonlarda özgün büyüme hızının glikoz konsanürasyonu ile arttığı görülmüştür. Onaltı g/L glukoz konsantrasyonun üstünde ise özgün büyüme hızı azalmaktadır. Sonuçlar plasmid miktarının ve ürün oluşumunun özgün büyüme hızının artması ile azalmasına rağmen RNA miktarı özgün büyüme hızının artması ile artmaktadır. Aşağıda verilen denklemle ifade edilen yapısal olmayan ( unstructured ) modelin deney sonuçlan ile uygun sonuçlar verdiği görülmüştür. Yüksek glikoz konsantrasyonlarında aşağıda verilen ifade ile substratm yavaşlatıcı etkisini simule etmek mümkündür. 2+s 32 Dört kademeli yapısal model ( four compartment structured model ) kullanılarak plazmid DNA, RNA, ^-lactamase ve substrat miktarlanndaki değişimin kinetik modellemesi yapılmıştır. Model parametreleri lineer olmayan Marquardt metoduvu kullanılarak bulunmuştur. Dört kademeli yapısal model plasmid miktarının ve ürün oluşumunun özgün büyüme hızının artmasını ve RNA miktarının özgün büyüme hızının artması ile artmaktasını sİmule etmektedir. Bunlara ek olarak model kesikli bir reaktörde mikroorganizmanın büyüme kadamessini simule etmektedir.

IV ABSTRACT In this work, the effect of the concentration of a limiting substrate on the specific growth rate and on the concentration of some intracellular components of the recombinant culture E.coli JM109 containing the pUC13 were investigated. The limiting substrate was glucose and the intracellular components measured were plasmid content, RNA content, and P-lactamase activity. In the detection of P-lactamase activity, the iodimetric method was found to give more reproducible results compared to the spectrophotometric method. The results of the specific growth rate calculations showed that at low glucose concentrations the specific growth rate increases with increase in substrate concentration. Substrate inhibition to growth was observed when glucose concentration was increased to sixteen g/L. RNA content was found to increase with increasing specific growth rate while plasmid content and P-lactamase activity were found to decrease with increasing growth rate. An unstructured model for the effect of substrate concentration on specific growth rate of the form 2 + s 327 was found to fit the experimental data well. The equation simulates substrate inhibition to growth at high glucose concentrations. IVA structured model of the compartment model type, consisting of four compartments was used to model the kinetics of substrate consumption for RNA, cell DNA, plasmid DNA and 3-lactamase synthesis. A non-linear Marquardt regression method was used to determine the parameters of the kinetic models. The model simulates the decrease of plasmid DNA content and P-lactamase activity with increase in specific growth rate and the increase of RNA content with increase in specific growth rate. The structured model also simulates relatively well the various phases of biomass growth in the batch reactor.