Enhanced large scale production of recombinant staphylococcus simulans lysostaphin and its characterization

Abstract

Çoklu ilaca direnç geliştiren Staphylococcus aureus (S. aureus), hastaneler, bakım evleri, diyaliz merkezleri gibi sağlık ortamlarında görülen enfeksiyonların birçoğunun sebebidir. Bu enfeksiyonlar karmaşık ve yüksek maliyetli tedaviler gerektirir; önemli tıbbi ve ekonomik kayıplara neden olabilir. Bu nedenle, bu bakterilerle mücadele etmek için yeni ve etkili stratejiler geliştirmek önem kazanmaktadır. Lizostafin (EC 3.4.24.75), bilinen tüm stafilokok türlerinin hücre duvarını parçalama yeteneğine sahip olan bir peptidoglikan hidrolazdır; özellikle şu türler üzerinde etkilidir, S. aureus, S. epidermidis, S. haemolyticus, S. carnosus, S. saprophyticus, S. hominis, S. hyicus ATCC 11249 ve S. medius ATCC 29663. Lizostafin biyoteknolojik uygulamalar ve bakteriyosin olarak önemli bir potansiyele sahip olsa bile, yüksek üretim maliyeti tedavi ve araştırma amaçlı kullanımını sınırlandırmaktadır (1 mg-134 € / Sigma- Aldrich). Bu bağlamda, enzimin üretim maliyetini azaltmak üzere daha büyük ölçeklerde yapılacak optimizasyon çalışmaları önem kazanmaktadır. Bu çalışmada Escherichia coli TOP 10' da (E. coli TOP10) rekombinant lizostafin ekspresyon veriminin arttırılması amaçlanmıştır. İlk olarak, arabinoz indüksiyonu ve oto indüksiyonlu besi yerlerinin verimi test edilerek besi yeri optimizasyonu uygulandı. Bununla birlikte, sıcaklığın ifade edilen lizostafin verimi ve aktivitesi üzerindeki etkisi, test edildi. Sonuçlar, otoindüksiyon ortamının bileşiminin, 30 ° C'de en yüksek seviyede aktif lizostafin üretim miktarını 5 kat arttırdığını ortaya koydu. Ardından, optimize edilmiş koşullar scale-up çalışmalarında kullanıldı ve E. coli hücrelerinin tezgâh üstü kültürlenmesi yoluyla rekombinant lizostafin üretildi. Sonuç olarak, test edilen koşullar, 3 L tezgâh üstü biyoreaktörde 184.076 mg/L'ye kadar protein verimlerini iyileştirdi ve enzimin üretim maaliyeti ticari olarak satılana göre 4 kat düşürüldü. Ayrıca, elde edilen sonçlar, lizostafinin hem ticari olarak hem de izole edilen S. aureus türleri üzerinde etkili bir bakteriyosin olduğunu kanıtlamıştır. Çalışmanın çıktıları daha büyük ölçekli lizostafin üretimine katkıda bulunacaktır.Staphylococcus aureus (S. aureus), developed a multidrug resistance, leads to most of the healthcare-associated infections acquiring in healthcare settings such as hospitals, nursing homes, dialysis centers. These infections are required complex treatments and can cause significant medical and economic losses along with costs. Thereby, developing a new and effective strategy to rule these bacteria has gained significant importance. Lysostaphin (EC 3.4.24.75) is a peptidoglycan hydrolase that has the ability to degrade the cell wall of almost all known staphylococcal species; in particular, S. aureus, S. epidermidis, S. haemolyticus, S. carnosus, S. saprophyticus, S. hominis, S. hyicus ATCC 11249 and S. intermedius ATCC 29663. Although lysostaphin has considerable potential on biotechnological applications and ability as a bacteriocin, the high production cost limits its usage in healthcare settings (1 mg–134 €/ Sigma-Aldrich). Regarding this issue, optimization and the scale-up studies of lysostaphin by decreasing the production cost of the enzyme on larger scales become important. In this study, increasing the expression yield of recombinant lysostaphin in Escherichia coli TOP10 (E. coli TOP10) has been aimed. Firstly, medium optimization was applied by testing the yield of arabinose induction and auto-induction mediums. The effect of temperature on expressed lysostaphin yield and activity were tested as a second task. The results revealed that the composition of auto-induction media increased the amount of lysostaphin production 5-times with the highest level of active lysostaphin at 30 °C. Following, optimized conditions were transferred to scale-up studies and recombinant lysostaphin was produced via bench-top culturing of E. coli cells. In conclusion, the tested conditions improve the protein yields up to 184.076 mg/L in a 3-L STR benchtop bioreactor and the production cost was decreased 4 folds when compared with the commercially available ones. Moreover, this study proved that lysostaphin is an effective bacteriocin on both commercially available and national S. aureus species. Outputs of the study will contribute to further larger-scale production of lysostaphin.