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

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

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

Bacterial Cellulose (BC) and BC Composites: Production and Properties

The synthesis of bacterial cellulose (BC) by Komagataeibacter xylinus strain B-12068 was investigated on various C-substrates, under submerged conditions with stirring and in static surface cultures. We implemented the synthesis of BC on glycerol, glucose, beet molasses, sprat oil, and a mixture of glucose with sunflower oil. The most productive process was obtained during the production of inoculum in submerged culture and subsequent growth of large BC films (up to 0.2 m2 and more) in a static surface culture. The highest productivity of the BC synthesis process was obtained with the growth of bacteria on molasses and glycerol, 1.20 and 1.45 g/L per day, respectively. We obtained BC composites with silver nanoparticles (BC/AgNPs) and antibacterial drugs (chlorhexidine, baneocin, cefotaxime, and doripenem), and investigated the structure, physicochemical, and mechanical properties of composites. The disc-diffusion method showed pronounced antibacterial activity of BC composites against E. coli ATCC 25922 and S. aureus ATCC 25923

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

Production of Oriented Fibers out of Poly(Hydroxybutyrate/Hydroxyvalerate) Copolymers and Testing of Mechanical Stability under Static and Cyclic Loads

We investigated the process of production of oriented fibers by melt spinning of biodegradable hydroxybutyrate and hydroxyvalerate (PHBV) copolymers. It was revealed that temperature has a large effect on the stability of extrusion and quality of fibers, and the optimal paramter values were found. We showed that the diameter of fibers and orientation degree depend on the spinning rate which can vary in a wide range (from 2-3 to 40 m/min), not affecting the quality of fibers. We studied the extensibility and deformability of fibers at different temperatures and found the conditions allowing to produce fibers with the diameter of 0.17-0.20 mm with high mechanical characteristics (strength 306 MPa, elasticity modulus 3 GPa, elongation at break 24%), that were stable during the 3 month period of observation. We obtained and analyzed extension curves on which three areas were fixed: linear elasticity, visible deformation, totally nonreversible deformation, which is typical for the elongation curves of polymer elastomers. It was stated that the produced fibers have high mechanical stability at static and cyclic loading conditions (up to 100 MPa); in the area of linear elasticity the deformation of fibers is practically totally reversible after 1000 cycles of loading

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