Utilization potential of agro-industrial by-products and waste sources: Laccase production in bioreactor with komagataella pastoris

Abstract

Yıllık, milyar metrik ton tarımsal-endüstriyel yan ürün ve atık üretimine bağlı olarak, biyoproseslerde atık malzemelerin değerlendirilmesi, döngüsel biyoekonomi modeli ile çekici bir yaklaşım olmaktadır. Komagataella pastoris fermantasyonunun, özellikle rekombinant proteinler olmak üzere katma değerli biyolojik ürünler üretmek için etkili bir platform olmasıyla birlikte, üretim verimliliğini artırarak döngüsel biyoekonomi modelini bu süreçlere uygulama çalışmaları hız kazanmaktadır. Bu çalışmada, yerel bir mısır işleme endüstrisinden alınan katı ve sıvı dekstroz ve yerel bir pazardan alınan karpuz kabuğu, biyoreaktörde K. pastoris X33 konak hücresinden Madurella mycetomatis lakkaz üretimi için değerlendirilmiştir. Kontrol çalışması olarak yapılan gliserol/metanol içeren fermantasyona göre alternatif kaynak kullanımı ile katı dekstroz kullanımından 41 g DCW/L ile yaklaşık 2 kat ve sıvı dekstroz kullanımından 50 g DCW/L ile lakkaz aktivitesinde yaklaşık 1,30 kat artış tespit edilmiştir. Karpuz kabuğu hidrolizatı kullanımında maksimum lakkaz aktivitesi elde edilirken, büyüme evresinde en düşük hücre yoğunluğu gözlemlenmiştir. Tek yönlü ANOVA analizi ile K. pastoris ekspresyon sisteminde heterolog protein üretimini teşvik eden karbon kaynaklarının etkisini doğrulanmıştır. Bu sonuçlar göz önüne alındığında K. pastoris fermantasyonunda alternatif karbon kaynakları olarak katı/sıvı dekstroz ve karpuz kabuğu hidrolizatının değerlendirilmesi için tasarlanan biyoproseslerin gelecekteki ölçeklendirme için uygunluğunu kanıtlanmıştır.

Circular bioeconomy is a model applied to bioprocesses. The assurance of a circular bioeconomy model dependent on the billion metric tons output of agricultural by-products and wastes every year made valorization of waste materials a desirable strategy. With Komagataella pastoris fermentation serving as a significant platform for the manufacture of value-added bioproducts, particularly recombinant proteins, research is moving quickly to apply the model to these processes. In the scope of this study, the synthesis of Madurella mycetomatis laccase in the K. pastoris X33 expression system was examined using solid dextrose and liquid dextrose from an agricultural processing plant and watermelon peel from a market. Fermentation with glycerol/methanol was taken as a reference study and studies showed that the laccase activity was about 2-fold and 1.30-fold higher for the solid dextrose and liquid dextrose fermentation strategies, respectively. Although the development stage produced the lowest cell density, watermelon peel hydrolysate was used to produce the highest laccase activity. The influence of carbon sources stimulating the creation of recombinant proteins in K. pastoris was confirmed by using one-way ANOVA analysis. These findings demonstrated bioprocess viability which was created to valorize by-products and wastes in K. pastoris cultivations.