Riassunto analitico
La cellulosa costituisce il biopolimero più diffuso sul pianeta. Alcuni organismi, tra i quali alghe, batteri e funghi, sono in grado di sintetizzare un materiale extracellulare strutturalmente simile alla cellulosa vegetale, definito cellulosa batterica (CB). In virtù delle peculiari proprietà chimico-fisiche, la CB ha riscosso un crescente interesse in svariati settori industriali, principalmente in ambito biomedico e alimentare. Nel presente studio, due ceppi di Komagataeibacter xylinus (K2G30 wild type e K2G30 Δgdh) sono stati coltivati in diversi substrati al fine di valutarne il comportamento fenotipico in funzione del consumo delle fonti di carbonio. Con l’obiettivo di verificare una teoria emersa da studi precedentemente condotti su K2G30 Δgdh, originariamente ottenuto dal wild type mediante silenziamento dell’enzima di membrana glucosio deidrogenasi, entrambi i ceppi sono stati inizialmente coltivati in terreno Hestrin-Schramm (HS) e in una sua variante, ottenuta addizionando etanolo assoluto 1% v/v alla formulazione originale. In corrispondenza del sesto e undicesimo giorno di incubazione, per ogni ceppo sono stati quantificati CB e acido gluconico prodotti, parallelamente alla determinazione del rispettivo consumo di glucosio ed etanolo. In una seconda prova, i ceppi sono stati coltivati in terreno HS e sue varianti, ottenute sostituendo il glucosio con mannitolo, glicerolo e fruttosio. Al quarto e al settimo giorno di crescita, sono stati quantificati CB e acido gluconico prodotti dai ceppi in ciascuna condizione sperimentale, contestualmente alla determinazione del consumo di ogni fonte di carbonio. Infine, i ceppi sono stati coltivati in siero di latte bovino, monitorando la produzione di CB e acido gluconico al quarto, settimo e undicesimo giorno di crescita, analogamente al consumo di lattosio, galattosio e acido lattico. I dati sperimentali evidenziano risposte adattative divergenti tra i ceppi, in funzione del substrato di coltivazione. Il ceppo K2G30 Δgdh, al contrario del wild type, non ha beneficiato della supplementazione con etanolo per incrementare la resa di CB, mostrando contestualmente una limitata attività trofica nel primo periodo di crescita e una scarsa sintesi di acido gluconico; viceversa, in presenza di substrati alternativi al glucosio, il mutante si è distinto per un generale incremento del consumo della fonte carboniosa, vantando una maggiore resa di CB rispetto al wild type. Il siero bovino si è rivelato un substrato idoneo alla crescita di K. xylinus, come testimoniato dall’intenso consumo di acido lattico da parte di entrambi i ceppi e dalla massima resa di CB ottenuta dal wild type all’undicesimo giorno di incubazione. Si ritiene che tali divergenze tra i ceppi siano principalmente riconducibili all’influenza esercitata dall’operazione di silenziamento genico sulle vie metaboliche coinvolte nell’approvvigionamento energetico cellulare e sul processo di sintesi di CB. Il presente studio fornisce per la prima volta una visione approfondita del comportamento di K2G30 Δgdh in presenza di fonti di carbonio alternative al glucosio, aprendo la strada ad ulteriori investigazioni circa il metabolismo del ceppo.
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Abstract
Cellulose is the most widespread biopolymer on the planet. Many organisms, including algae, bacteria and fungi, are able to synthesize an extracellular matrix structurally similar to plant cellulose, known as bacterial cellulose (BC). Due to its peculiar chemical-physical properties, BC has gained increasing interest in various fields, mainly in biomedical and food industries. In this study, two Komagataeibacter xylinus strains (K2G30 wild type and K2G30 Δgdh) were grown on different substrates in order to assess their phenotypic behaviour as a function of carbon sources consumption. To corroborate a theory emerged from studies previously performed on K2G30 Δgdh, obtained through membrane glucose dehydrogenase-encoding gene silencing, both strains were first grown in Hestrin-Schramm (HS) medium and a variant thereof, obtained by adding absolute ethanol 1% v/v to the original formulation. On the sixth and eleventh days of incubation, BC and gluconic acid produced were quantified for each strain, along with glucose and ethanol consumption. In a second trial, both strains were grown in HS medium and its variants, obtained by replacing glucose with mannitol, glycerol and fructose. On the fourth and seventh days of growth, BC and gluconic acid produced in every experimental condition were quantified, together with a determination of each carbon source consumption. Finally, the strains were grown in bovine milk whey, and the production of BC and gluconic acid was monitored on the fourth, seventh and eleventh days of growth, as for the consumption of lactose, galactose and lactic acid. The experimental data highlight divergent adaptive responses between strains, depending on the growth medium. In contrast to K2G30 wild type, the mutant strain Δgdh did not benefit from ethanol supplementation to increase BC yield, while showing limited trophic activity and poor gluconate synthesis from the earliest stages of growth; on the other hand, when alternative substrates to glucose were present, the mutant showed increased carbon source consumption and a higher BC yield compared to the wild type. The bovine milk whey proved to be a suitable substrate for K. xylinus, as evidenced by the intense consumption of lactic acid by both strains and the maximum BC yield achieved by the wild type on the eleventh day of incubation. It is thought that these differences between strains are mainly due to the influence of gene silencing on metabolic pathways involved in cellular energy supply and BC synthesis. This study provides for the first time an in-depth insight into K2G30 Δgdh behaviour in the presence of alternative carbon sources to glucose, paving the way for further investigations about this strain's metabolism.
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