Biosynthesis and Properties of PHA Containing Monomers 3-Hydroxy-4-Methylvalerate

Исследована способность природного штамма Cupriavidus eutrophus B10646 синтезировать сополимеры, содержащие 3-гидрокси-4-метилвалерат (3Г4МВ) [П(3ГБ/3ГВ/3Г4МВ)]. Показана возможность синтеза трехкомпонентных сополимеров, содержащих мономеры 3ГБ, 3ГВ и мономеры 3Г4МВ при использовании глюкозы или масляной кислоты и субстрата-предшественника. Синтезировано семейство сополимеров с различным соотношением мономеров и содержанием 3Г4МВ максимально до 7,7 мол. %. Показано существенное снижение степени кристалличности при увеличении содержания мономеров 3ГВ и 3Г4МВ на фоне изменения термического поведения сополимеров и падения величины молекулярной массыThe ability of wild-type strain Cupriavidus eutrophus B10646 to synthesize copolymers containing 3-hydroxy-4-methylvalerate (3H4MV) [P(3HB/3HV/3H4MV)] was studied. The possibility of synthesis of terpolymers containing 3HB, 3HV and 3H4MV monomers using glucose, or butyric acid and co-substrate was shown. A family of copolymers with different content of 3H4MV monomer was synthesized. The highest content of 3H4MV was 7.7 mol. %. Increase of 3HV and 3H4MV content in copolymers caused the reduction of crystallinity degree and of molecular weight, and changes of thermal characteristics of copolymer

Herbicidal activity of slow-release herbicide formulations in wheat stands infested by weeds

This study addresses herbicidal activity of experimental formulations of metribuzin and tribenuron-methyl embedded in the degradable matrix of natural poly-3-hydroxybutyrate [P(3HB/MET) and P(3HB)/TBM] in stands of soft spring wheat (Triticum aestivum, cv. Altaiskaya 70) infested by weeds – white sweet clover Melilotus albus and lamb’s quarters Chenopodium album – under laboratory conditions. Indicators of herbicidal activity were the density and weight of the vegetative organs of weeds measured during 30-day and 50-day experiments. Wheat crop yield was estimated as dependent on the method of herbicide delivery and the decrease in weed density. The experimental MET and TBM formulations showed pronounced herbicidal activity against the weed species used in the study. The effectiveness of the experimental formulations in inhibiting weed growth was comparable to and, sometimes, higher than that of the commercial formulations (positive control). The amount of the biomass of the wheat treated with the experimental herbicide formulations was significantly greater than that of the wheat treated with commercial formulations

Colonial Green Alga Botryococcus is a Producer of Valuable Metabolites

Впервые исследован изолят зеленой водоросли Botryococcus braunii, выделенный из озера Шира в 2022 году, как продуцент разрушаемых биопластиков полигидроксиалканоатов (ПГА) и углеводородов. Определен состав жирных кислот, углеводородов и полигидроксиалканоатов. Углеводороды, синтезируемые изолятом, представлены в основном диенами с длиной углеродной цепи С27 и С29. Показана неспособность аксеничной культуры B. braunii к синтезу ПГА и наличие в биомассе альгологически чистой и неаксеничной культуры полимера (до 7–10 %). Изучена бактериальная компонента консорциума «водоросль-бактерии», в котором обнаружены и идентифицированы бактерии Pseudomonas mendocina, Pseudomonas koreensis, Aeromonas hydrophila, способные к синтезу ПГА. Показано, что альгологически чистая и неаксеничная культура B. braunii является источником не только водорослевых углеводородов, но также и разрушаемых биопластиков ПГАAn isolate of the green alga Botryococcus braunii collected from Lake Shira in 2022 has been studied for the first time as a producer of degradable bioplastics polyhydroxyalkanoates (PHAs) and hydrocarbons. The compositions of fatty acids, hydrocarbons, and PHAs were determined. The hydrocarbons synthesized by the isolate were mainly represented by dienes with carbon chain lengths C27 and C29. The study demonstrated the inability of the axenic culture of B. braunii to synthesize PHAs and the presence of polymer in the biomass of unialgal and non-axenic culture (up to 7–10 %). The bacterial component of the algal- bacterial consortium was studied, and bacteria Pseudomonas mendocina, Pseudomonas koreensis, and Aeromonas hydrophila, capable of PHA synthesis, were discovered in it and identified. The study showed that the unialgal and non-axenic culture of B. braunii can be a source of not only algal hydrocarbons, but also degradable bioplastics PHA

Isolation and Purification of Polyhydroxyalkanoates. Scaling in Pilot Production

Исследован процесс выделения и очистки поли‑3-гидроксибутирата в условиях масштабирования. В качестве солюбилизирующих агентов изучены додецилсульфат натрия, гипохлорит натрия и стиральный порошок «Пемос». Наибольший выход 95 %, и чистота полимера 99,5 % достигнут при использовании двухстадийного метода экстракции и порошка «Пемос» в качестве солюбилизирующего агента. В результате чего удалось снизить затраты на стадии солюбилизации до 31 руб/кг поли‑3-гидроксибутирата. По результатам исследований внесены изменения в аппаратурную и технологическую схему процессаThe process of isolating and purifying poly‑3-hydroxybutyrate under scaling conditions has been studied. Sodium dodecyl sulfate, sodium hypochlorite and Pemos washing powder were studied as solubilizing agents. The highest yield of 95 % and polymer purity of 99.5 % was achieved using a two- stage extraction method and Pemos powder as a solubilizing agent. As a result, it was possible to reduce the costs at the solubilization stage to 31 rubles/kg of poly‑3-hydroxybutyrate. Based on the research results, a technology for the isolation and purification of polyhydroxyalkanoates was propose

Fatty Acids Composition in Cyanobacteria and Their Ability to Synthesize Degradable Polyhydroxyalkanoates (PHA)

Исследованы состав жирных кислот липидов и способность к синтезу разрушаемых полигидроксиалканоатов (ПГА) у ранее не изученных цианобактерий, выделенных из водоемов бассейна р. Енисей. Изучено 10 штаммов различных видов, относящихся к порядкам Chroococcales, Oscillatoriales, Nostocales и Leptolyngbyales. В составе липидов исследованных штаммов цианобактерий идентифицированы 33 жирные кислоты, соотношение которых в зависимости от видовой специфики цианобактерий значительно варьировало, оказывая влияние на насыщенность липидов, которая составляла от 0,4 до 9,5. Для всех штаммов в качестве основной жирной кислоты (ЖК) идентифицирована пальмитиновая кислота, содержание которой составляло от 24 до 47 % от суммы ЖК. Доминирующими моноеновыми ЖК были C16:1ɷ7 и C18:1ɷ9, содержание которых варьировало от 2 до 16 и от 2 до 24 % от суммы ЖК соответственно. Все штаммы синтезировали полиеновые кислоты C16- и C18 рядов, но в различной степени. Выявлены пять штаммов (Chroococcus limneticus ACCS019, Trichormus variabilis ACCS039, Trichormus variabilis ACCS060, Anabaena aequalis ACCS089 и Cylindrospermum stagnale ACCS051), обладающих способностью синтезировать полимер, который у всех штаммов представлен гомополимером 3-гидроксимасляной кислоты – поли(3- гидроксибутиратом). Модификация стандартной питательной среды (исключение из ее состава азота и фосфора) обеспечила многократное повышение внутриклеточного содержания полимера. Цианобактерии Chroococcus limneticus ACCS019, Anabaena aequalis ACCS089 и Cylindrospermum stagnale ACCS51, в которых содержание полимера составило, соответственно, 8,9, 4,7 и 3,2 %, можно рассматривать в качестве потенциальных продуцентов ПГА в процессах фотосинтезаThe composition of fatty acids of lipids and the ability of cyanobacteria to synthesize degradable polyhydroxyalkanoates (PHA) were examined in previously unstudied cyanobacteria isolated from a number of water bodies of the Yenisei River Basin. Ten strains of various species belonging to the orders Chroococcales, Oscillatoriales, Nostocales and Leptolyngbyales were investigated. Thirty-three fatty acids (FAs) were identified in the lipid composition of the studied cyanobacterial strains. The ratio of FAs was to a high extent species-specific with the lipid saturation ranging from 0,4 to 9,5. In all strains, palmitic acid was identified as the main FA with the content ranging from 24 to 47 % of the total FA. The dominant monoenoic FAs were C16:1ɷ7 and C18:1ɷ9; their content varied from 2 to 16 and from 2 to 24 % of the total FA, respectively. All strains synthesized polyenoic acids of the C16- and C18 series but in different amounts. Five strains (Chroococcus limneticus ACCS019, Trichormus variabilis ACCS039, Trichormus variabilis ACCS060, Anabaena aequalis ACCS089 and Cylindrospermum stagnale ACCS051) were determined to be able to synthesize a homopolymer of 3-hydroxybutyric acid – poly(3-hydroxybutyrate). A modification of the standard nutrient medium (the exclusion of nitrogen and phosphorus from its composition) ensured a multiple increase in the intracellular content of the polymer. The cyanobacteria Chroococcus limneticus ACCS019, Anabaena aequalis ACCS089 and Cylindrospermum stagnale ACCS051 with the polymer content of 8.9, 4.7 and 3.2 %, respectively, can be considered as potential producers of PHA in photosynthesi

Waste Fish Oil is a Promising Substrate for the Synthesis of Target Products of Biotechnology

Жир, полученный из отходов производства консервов прибалтийской кильки (Sprattus sprattus), впервые исследован в качестве углеродного субстрата для синтеза белка одноклеточных и разрушаемых биопластиков полигидроксиалканоатов (ПГА) в культуре трех штаммов бактерий: Cupriavidus necator B‑5786, C. necator B‑8562, C. necator B‑10646. В исследуемом жире общие липиды составили 95 %, белок и углеводы 4 и 1 % соответственно; в составе жирных кислот (ЖК) липидов идентифицировано 16 жирных кислот с доминированием пальмитиновой (28,0 % от суммы ЖК), олеиновой (25,3 % от суммы ЖК), докозагексаеновой (16,7 % от суммы ЖК) кислот. При варьировании режимов выращивания бактерий и изменении концентрации азота в среде показана возможность синтеза белковой биомассы или резервных ПГА. На полной среде все штаммы синтезируют высокобелковую биомассу с содержанием «сырого» протеина и белка не менее 70 и 50 % соответственно с полным набором аминокислот, включая незаменимые. При лимитированном росте бактерий по азоту получены высокие (до 60–70 %) выходы ПГА, представленные 3-х компонентными сополимерами поли(3-гидроксибутират-со‑3- гидроксивалерат-со‑3- гидроксигексаноат) (П(3ГБ‑со‑3ГВ‑со‑3ГГ)) с содержанием 3ГВ и 3ГГ соответственно 0,20–0,31 и 0,04–0,07 мол.% и со значениями средневесовой молекулярной массы не ниже 600 кДа и степенью кристалличности порядка 70 %. Исследованный жиросодержащий отход рыбопереработки можно отнести к перспективному возобновляемому и доступному субстрату для биотехнологического получения белка одноклеточных и биоразрушаемых «зеленых» пластиковFat derived from the waste of the Baltic sprat (Sprattus sprattus) canning industry was studied as a carbon substrate for the synthesis of single cell protein and degradable bioplastics, polyhydroxyalkanoates (PHAs), in the culture of three bacterial strains: Cupriavidus necator B‑5786, C. necator B‑8562, and C. necator B‑10646. The fatty substrate used in the present study contained 95 % of total lipids, 4 % of proteins, and 1 % of carbohydrates. Sixteen fatty acids (FAs) of lipids were identified, with palmitic (28.0 %), oleic (25.3 %), and docosahexaenoic (16.7 %) acids prevailing. The modes of cell cultivation were varied and the concentration of nitrogen in the medium was changed to direct metabolism towards synthesis of single cell protein or reserve PHAs. On complete nutrient medium, all strains synthesized high- protein biomass containing at least 70 and 50 % of “crude” protein and protein, respectively, which were complete in amino acids, including essential ones. When bacterial growth was limited by nitrogen, high (up to 60–70 %) yields of PHAs were obtained. The PHAs were represented by 3-component copolymers poly(3-hydroxybutyrtae-co‑3-hydroxyvalerate-co‑3-hydroxyhaxanoate) (P(3HB‑co‑3HV‑co‑3HHx)) with 0.20–0.31 mol.% of 3HV and 0.04–0.07 mol.% of 3HHx and with a weight average molecular weight of at least 600 kDa and a degree of crystallinity of about 70 %. Based on these parameters, the fat- containing waste of the canning industry can be regarded as a promising renewable substrate for the biotechnological production of single cell protein and biodegradable “green” plastics – polyhydroxyalkanoate

Modern Biomaterials: World Trends, Place and Role of Microbial Polyhydroxyalkanoates (PHAs)

Создание экологически чистых материалов, вписывающихся в биосферные круговоротные циклы, является одной из ключевых проблем современности. Связано это с экологическими проблемами, возникшими в связи с накоплением в биосфере синтетических материалов, а также потребностями новейших биомедицинских технологий. В статье даны результаты анализа состояния и современные мировые тренды в области биоматериалов, место и роль синтезируемых микроорганизмами разрушаемых биопластиков (полигидроксиалканоатов, ПГА). Представлены результаты, полученные по технологиям производства полимеров этого класса ведущими мировыми компаниями, рассмотрены перспективы для становления промышленной отрасли ПГА в РФ. Представлен обзор результатов, полученных в Институте биофизики СО РАН и Сибирском федеральном университете, в которых разработаны и реализованы на уровне опытных производств технологии синтеза ПГА различной химической структуры со свойствами высококристалличных термопластов и конструкционных эластомеров; сконструированы полимерные изделия в виде 2D- и 3D-форм, самостоятельные имплантаты и эндопротезы, биосовместимые покрытия, микроносители лекарственных препаратов и функционирующих клеток в виде наночастиц и ультратонких волокон; выполнены доклинические и начаты клинические исследования. Оценены перспективы ПГА в качестве упаковочного материала для конструирования удобрений и средств защиты растений, в биомедицинеDevelopment of environmentally friendly materials that could be involved in the biospheric cycling is one of the key issues of the present time due to both environmental hazard caused by accumulation of synthetic materials in the biosphere and the needs of modern biomedical technologies. The study analyzes the state of the art and current international trends in biomaterials research and the position and role of degradable bioplastics synthesized by microorganisms (polyhydroxyalkanoates, PHAs). The data are reported on the processes and production of this class of polymers by world’s leading companies; potentials for the development of commercial production of degradable PHAs in Russia are investigated. Institute of Biophysics SB RAS and Siberian Federal University have developed the technologies of the synthesis of PHAs with different chemical structure, exhibiting properties of high-crystallinity thermoplasts and construction elastomers, and used them in pilot production of these polymers. The researchers have constructed 2D and 3D polymer devices, implants, prostheses, biocompatible coatings, microcarriers of drugs and functioning cells as nanoparticles and ultrafine fibers; preclinical trials have been performed and clinical trials started. PHAs have been studied as material for packaging, for constructing fertilizer formulations and plant protectants; for biomedical application

Degradable Polyhydroxyalkanoates of Microbial Origin as a Technical Analog of Non-Degradable Polyolefines

В статье рассмотрены проблемы, связанные с накоплением в биосфере отходов синтетических пластиков. Представлен массив данных по материалам нового поколения – биопластикам – полимерам природного происхождения, способным разрушаться в окружающей среде до безвредных продуктов. Охарактеризован класс микробных полигидроксиалканоаты (ПГА) – биоразрушаемых полимеров, синтезируемых биотехнологическим способом, и механизм их разрушаемостиThe paper considers problems concerning accumulation of synthetic plastic wastes in the biosphere. A set of data is presented on materials of new generation – polymers of natural origin (bioplastics) which can degrade in the environment to harmless products. Biotechnologically synthesized biodegradable microbial polyhydroxyalkanoates and mechanisms of their degradability are characterize

Потенциал биотехнологии для защиты культурных растений и снижения потерь урожая

The study deals with problems of crop losses caused by pathogens, pests, and weeds and the global environmental problem of accumulation of protective chemicals in the biosphere. The author discusses potentials of biotechnology for plant protection and for decreasing the use of xenobiotics by replacing them with biofertilizers and biopesticides. Special attention is paid to the recent lines of research aimed at development and use of new-generation targeted and slow-release biotechnological preparations embedded in degradable matrix of microbial plastics – polyhydroxyalkanoatesВ работе обсуждаются проблемы, связанные с потерями в результате воздействия на культурные растения возбудителей болезней, вредителей и сорняков, а также с глобальной экологической проблемой аккумуляции в биосфере химических средств защиты. Рассмотрены перспективы биотехнологии для защиты растений и сокращения масштабов применения ксенобиотиков за счет применения биоудобрений и биопестицидов. Уделено особое внимание новейшим направлениям исследований, ориентированным на разработку и применение адресных и долговременных биотехнологических препаратов нового поколения, депонированных в разрушаемую основу из микробных биопластиков полигидроксиалканоато