JP7520367B2 - Methods for producing rich cell culture media using chemoautotrophic microorganisms - Google Patents
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- C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
- C12N1/26—Processes using, or culture media containing, hydrocarbons
- C12N1/28—Processes using, or culture media containing, hydrocarbons aliphatic
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- A—HUMAN NECESSITIES
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- A23K—FODDER
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- A23K10/10—Animal feeding-stuffs obtained by microbiological or biochemical processes
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
- C12N1/12—Unicellular algae; Culture media therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N1/00—Microorganisms, e.g. protozoa; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
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-
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-
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Description
関連出願の相互参照
本出願は平成30年6月18日に出願された米国仮特許出願第62/686,508号の利益を主張する、令和1年6月17日に出願された米国特許出願第16/443,658号の利益を主張し、平成29年7月3日に出願された米国特許出願第15/641,114号の一部継続出願であり、その3つすべてが参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 62/686,508, filed June 18, 2018, which claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 16/443,658, filed June 17, 2019, and is a continuation-in-part of U.S. Application No. 15/641,114, filed July 3, 2017, all three of which are incorporated herein by reference.
発明の分野
本発明は一般に、微生物発酵及び工業的バイオテクノロジーの分野に関し、より詳細には、従属栄養生物の培養のための栄養豊富な増殖培地の製造に関する。
FIELD OF THEINVENTION The present invention relates generally to the fields of microbial fermentation and industrial biotechnology, and more particularly to the production of nutrient rich growth media for the cultivation of heterotrophic organisms.
細胞培養は、細胞を液体中で、又は寒天などの固体もしくは半固体基質上で成長させ、増殖させ、維持する方法である。細胞培養の実施において、細胞が培養される液体又は物質は培地と呼ばれる。すべての従属栄養細胞、すなわち独立栄養細胞以外のすべての細胞は何らかの形態の化学エネルギー及び炭素を含む培地を必要とし、これらは、ギ酸塩、酢酸塩、及びメタノールなどの小分子、又は糖及びデンプンなどのより複雑でより大きな分子、及び場合によってはタンパク質などの非常に複雑で大きな化学物質によって提供され得る。 Cell culture is the process of growing, propagating, and maintaining cells in a liquid or on a solid or semi-solid substrate such as agar. In the practice of cell culture, the liquid or substance in which the cells are cultured is called the medium. All heterotrophic cells, i.e. all cells other than autotrophic cells, require a medium containing some form of chemical energy and carbon, which can be provided by small molecules such as formate, acetate, and methanol, or more complex and larger molecules such as sugars and starches, and sometimes very complex and large chemicals such as proteins.
細胞培養培地は、無機塩、糖、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、多糖、ホルモン、成長因子、ならびにウシ血清、トリプトン及び酵母抽出物などの複合成分を含む、様々な成分を含む多くの異なる組成物を有することができる。水とミネラル塩のみを含む培地組成物は「最小培地」と呼ばれ、化学エネルギーと炭素の何らかの形態を欠くため、本質的に従属栄養細胞にとっては最小培地は不十分である。最小培地は有機化合物を含まない。糖、酵母エキス、酵素的に消化されたタンパク質及びその他のエネルギー源及び複合化合物のような有機化合物を含有する培地は「リッチ培地」又は「複合培地」と呼ばれ、複合培地又はリッチ培地は微生物が増殖するために必要とされるすべてのエネルギー、炭素及びその他の因子を本質的に含有する培地である。タンパク質は、脊椎動物、軟体動物、節足動物などの多細胞生物の細胞株を培養する際に特に重要である。 Cell culture media can have many different compositions with various components, including inorganic salts, sugars, amino acids, peptides, proteins, polysaccharides, hormones, growth factors, and complex components such as bovine serum, tryptone, and yeast extract. Media compositions containing only water and mineral salts are called "minimal media" and are essentially insufficient for heterotrophic cells because they lack any form of chemical energy and carbon. Minimal media do not contain organic compounds. Media containing organic compounds such as sugars, yeast extract, enzymatically digested proteins, and other energy sources and complex compounds are called "rich media" or "complex media" and complex or rich media are media that essentially contain all the energy, carbon, and other factors required for microorganisms to grow. Proteins are particularly important when culturing cell lines of multicellular organisms such as vertebrates, mollusks, and arthropods.
以下のさらなる定義が本明細書に適用される: The following further definitions apply herein:
「従属栄養」とは、「代謝合成のために窒素及び炭素(酵母、植物又は動物物質から得られるものなど)の複雑な有機化合物を必要とすること」を意味すると定義される。 "Heterotrophic" is defined to mean "requiring complex organic compounds of nitrogen and carbon (such as those obtained from yeast, plant or animal material) for metabolic synthesis."
「独立栄養性」とは、「炭素源として二酸化炭素又は炭酸塩(C1化合物)のみを必要とし、有機分子(グルコースなど)の代謝的合成に単純な無機窒素化合物を必要とする」ことを意味する。 "Autotrophic" means "requiring only carbon dioxide or carbonate ( C1 compounds) as a carbon source and simple inorganic nitrogen compounds for the metabolic synthesis of organic molecules (such as glucose)."
「化学合成独立栄養性」とは、「独立栄養性であり、エネルギー源としての無機化合物を酸化すること」と定義されており、水素酸化細菌の場合、エネルギー源としての無機化合物にはH2が含まれ、CO2、H2、O2の組み合わせを消費することができる。たとえば、炭素にはCO2を、エネルギーにはH2を消費する嫌気性アセトゲンがある。化学合成独立栄養生物の他の無機エネルギー源としては、還元型小分子、例えば、H2S、アンモニウム、又は第一鉄が挙げられる。ある場合には、化学合成独立栄養生物への炭素と
エネルギーの入力は、単一のC1分子に結合される。たとえば、カルボキシドトロフ(carboxydotorophs:一酸化炭素資化性)とカルボキシド食性(carboxydovores)は炭素とエネルギーの両方でCO(一酸化炭素)を消費し、メタノトローフ(methanotorophs)はO2(酸素分子)や他の酸素供与性化合物とともにCH4(メタン)を消費する。化学合成独立栄養的代謝は細菌や古細菌で知られており、未発見の形質として、あるいは遺伝子組み換えによって与えられる能力として、他の生物にも存在することがある。化学合成独立栄養生物の例は、Cupriavidus、Rhodobacter、Methylobacterium、Methylococcus、Methylosinus、Nitrosomonas、Nitrosococcus、Nitrobacter、Nitrococcus、Paracoccus、Hydrogenothermus、Hydrogenovibrio、Clostridium、Rhodococcus、Rhodospirillum、Alcaligines、Rhodopseudomonas、及びThiobacillusのような多数の細菌属、並びにメタン生成菌を含む古細菌の多くの属に見られる。化学合成独立栄養生物の具体例としては、Cupriavidus necator、Cupriavidus basilensis、Rhodococcus opacus、Methylococcus capsulatus、Methylosinus trichosporium、Methylobacterium extorquens、Hydrogenothermus marinus、Rhodospirillium rubrum、Rhodopseudomonas palustrus、Paracoccus zeaxanthinifaciens、Rhodobacter sphaeroides、Rhodobacter capsulatus、及びClostridium autoethanogenumが含まれる。
"Chemoautotrophy" is defined as "autotrophic and oxidizing inorganic compounds as an energy source", and in the case of hydrogen oxidizing bacteria, the inorganic compounds as an energy source include H2 , and they can consume a combination of CO2 , H2 , and O2 . For example, there are anaerobic acetogens that consume CO2 for carbon and H2 for energy. Other inorganic energy sources for chemoautotrophs include reduced small molecules such as H2S , ammonium, or ferrous iron. In some cases, the carbon and energy inputs to chemoautotrophs are combined into a single C1 molecule. For example, carboxydotrophs and carboxydovores consume CO (carbon monoxide) for both carbon and energy, and methanotrophs consume CH4 (methane) along with O2 (molecular oxygen) and other oxygen-donating compounds. Chemoautotrophic metabolism is known in bacteria and archaea, and may exist in other organisms either as undiscovered traits or as an ability conferred by genetic modification. Examples of chemoautotrophs are found in numerous genera of bacteria such as Cupriavidus, Rhodobacter, Methylobacterium, Methylococcus, Methylosinus, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrobacter, Nitrococcus, Paracoccus, Hydrogenothermus, Hydrogenovibrio, Clostridium, Rhodococcus, Rhodospirillum, Alcaligines, Rhodopseudomonas, and Thiobacillus, as well as many genera of archaea, including the methanogens. Specific examples of chemoautotrophic organisms include Cupriavidus necator, Cupriavidus basilensis, Rhodococcus opacus, Methylococcus capsulatus, Methylosinus trichospori um, Methylobacterium extorquens, Hydrogenothermus marinus, Rhodospirillium rubrum, Rhodopseudomonas palustrus, Paracoccus zea xanthinefaciens, Rhodobacter sphaeroides, Rhodobacter capsulatus, and Clostridium autoethanogenum.
「発酵」とは、「酵素の作用により有機基質に化学変化を起こす代謝過程」と定義され、生化学では、酸素が存在しないときに炭水化物からエネルギーを抽出することと狭義に定義される。食品製造の関連では、微生物の活性が食品又は飲料に望ましい変化をもたらす任意のプロセスと、より広く言及される。さらにより広い意味で、本発明の目的のために、「発酵」とは、それらの増殖を最適化し、効率を最大化するために、制御されたプロセス条件下で、特殊な容器(ガラス、金属又はプラスチックで作られ、発酵器又はバイオリアクターとして知られる)中の細胞を培養するためのプロセスである。制御されたプロセス条件は、無菌性、温度、撹拌速度、pH、投入ガス組成及び流量、栄養成分、細胞密度、溶存ガス濃度、バイオマス除去速度(連続的又は半連続的収穫のため)などを含む。後者の場合、発酵は好気的又は嫌気的である。 "Fermentation" is defined as "a metabolic process that produces chemical changes in organic substrates by the action of enzymes" and in biochemistry is narrowly defined as the extraction of energy from carbohydrates in the absence of oxygen. In the context of food production, it is more broadly referred to as any process in which microbial activity produces a desired change in a food or beverage. Even broader, for the purposes of this invention, "fermentation" is a process for cultivating cells in specialized vessels (made of glass, metal or plastic and known as fermenters or bioreactors) under controlled process conditions to optimize their growth and maximize efficiency. Controlled process conditions include sterility, temperature, agitation speed, pH, input gas composition and flow rate, nutrient content, cell density, dissolved gas concentrations, biomass removal rate (for continuous or semi-continuous harvesting), etc. In the latter case, fermentation can be aerobic or anaerobic.
「ガス発酵」とは、化学合成独立栄養細胞の代謝プロセスが、それらに供給されるガス入力からエネルギー及び炭素を抽出するバイオリアクター中の発酵をいう。ガス発酵は、ガス上で微生物を培養する嫌気的又は好気的プロセスを指す。これらのガス入力を培地中の単純な無機塩と組み合わせることによって、化学合成独立栄養細胞はこれらの基本的な入力をより複雑なバイオマスや他の細胞産物に変換する。ガス発酵は、使用する微生物及び発酵に利用できる原料ガスに応じて、好気性又は嫌気性のいずれかである。ガス発酵は、化学合成独立栄養発酵の中でも特に有利な形態である。なぜなら、主要なインプットは、広く利用可能で低コストのガスによって提供されるからである。 "Gas fermentation" refers to fermentation in a bioreactor in which the metabolic processes of chemoautotrophic cells extract energy and carbon from gas inputs fed to them. Gas fermentation refers to the anaerobic or aerobic process of culturing microorganisms on gas. By combining these gas inputs with simple inorganic salts in the medium, the chemoautotrophic cells convert these basic inputs into more complex biomass and other cellular products. Gas fermentation can be either aerobic or anaerobic, depending on the microorganism used and the feed gas available for fermentation. Gas fermentation is a particularly advantageous form of chemoautotrophic fermentation because the major input is provided by widely available, low-cost gas.
「培養」とは、「調製した栄養培地中で生物(細菌、ウイルス等)を培養する行為又は方法」、「栄養」とは、「成長を促進し、エネルギーを供給し、生命を維持する物質又は成分」、「培地」とは、「細胞又は生物、特に細菌を人工的に培養するための栄養体系」をいい、培地は、液体、半固体又は固体(例えば、寒天、ビーズ又はその他の足場)とすることができる。固体又は半固体培地は、細胞の増殖支持体を提供することができる。 "Culturing" means "the act or method of culturing organisms (bacteria, viruses, etc.) in a prepared nutrient medium," "nutrient" means "substances or components that promote growth, provide energy, and sustain life," and "medium" means "a nutrient system for the artificial cultivation of cells or organisms, especially bacteria." A medium can be liquid, semi-solid, or solid (e.g., agar, beads, or other scaffolding). A solid or semi-solid medium can provide a support for the growth of cells.
典型的な従属栄養発酵において、細胞は、糖、アミノ酸、ペプチド、有機酸などの複雑な有機分子を含む培地中で増殖されることに留意されたい。従属栄養細胞は一般に「高エネルギー」型の炭素の大部分を培地から抽出し、細胞のバイオマスを増加させ、異化された炭素を二酸化炭素、酢酸炭素、又は他の単純で低価値の老廃物として放出するので、従属栄養発酵プロセス後にバイオリアクターからバイオマスを回収した後に残る培地は、一般に従属栄養生物をさらに培養するための栄養価が非常に低いので、通常「使用済み培地」と呼ばれる。従属栄養生物が高価値産物を培地中に排泄するように選択又は設計される場合でさえ、それにもかかわらず、それらはかなり高コストの培地(糖又はタンパク質のような複雑な分子を含む)上で培養されなければならず、したがって、生産プロセスの利益率を制限する。 It should be noted that in a typical heterotrophic fermentation, cells are grown in a medium containing complex organic molecules such as sugars, amino acids, peptides, organic acids, etc. Since heterotrophic cells generally extract most of the "energy-rich" forms of carbon from the medium, increasing the cellular biomass and releasing the dissimilated carbon as carbon dioxide, carbon acetate, or other simple, low-value waste products, the medium remaining after the biomass is harvested from the bioreactor after the heterotrophic fermentation process is usually called "spent medium" since it generally has very low nutritional value for further culturing of the heterotrophs. Even when heterotrophs are selected or engineered to excrete high-value products into the medium, they nevertheless must be cultured on a fairly high-cost medium (containing complex molecules such as sugars or proteins), thus limiting the profitability of the production process.
化学合成独立栄養発酵では、細胞は同様に成長し、バイオマスを生産する。しかし、化学合成独立栄養生物の高度な同化代謝によって栄養的に価値のある産物が過剰に生成され、その一部が培地から漏出したり、培地中に排出されたりする。 In chemoautotrophic fermentation, cells grow in a similar manner and produce biomass; however, the highly anabolic metabolism of chemoautotrophs results in the production of excess nutritionally valuable products, some of which leak out or are excreted into the medium.
「高等生命体」又は「高等生物」とは、酵母、真菌、微細藻類、植物及び動物などの真核生物を意味する。 "Higher life forms" or "higher organisms" refers to eukaryotic organisms such as yeasts, fungi, microalgae, plants, and animals.
細胞の商業的培養及び維持、特に植物、魚、軟体動物及び節足動物のような多細胞生物から単離された細胞の培養におけるかなりの費用は、増殖培地の費用である。このような培地はしばしば、水及び種々の無機塩に加えて、多くの異なるペプチド成長因子、アミノ酸、糖、酵母抽出物、動物又は植物起源のタンパク質消化物、動物起源の血清、タンパク質(例えば、トリプトン及びペプトン、又はウシ血清アルブミンのようなアルブミン)、ならびに細胞の成長に重要な他の代謝産物を含む。これらの媒体の高い製造コストの重要な部分は、動物材料、例えば血液及び他の流体及び組織から加工される材料の使用である。 A significant expense in the commercial cultivation and maintenance of cells, especially those isolated from multicellular organisms such as plants, fish, mollusks, and arthropods, is the cost of the growth media. Such media often contain, in addition to water and various inorganic salts, many different peptide growth factors, amino acids, sugars, yeast extracts, protein digests of animal or plant origin, serum of animal origin, proteins (e.g., tryptone and peptone, or albumins such as bovine serum albumin), and other metabolic products important for cell growth. A significant portion of the high production costs of these media is the use of materials processed from animal materials, such as blood and other fluids and tissues.
例えば、基礎培地イーグル(BME)は、多くの異なる哺乳動物細胞の増殖を支持するために広く使用されている合成基礎培地である。BMEは、8つのB-ビタミン及び10の必須アミノ酸+シスチン、チロシン、及びグルタミンを含む。 For example, Basal Medium Eagle (BME) is a synthetic basal medium that is widely used to support the growth of many different mammalian cells. BME contains eight B-vitamins and ten essential amino acids plus cystine, tyrosine, and glutamine.
本発明は、従属栄養細胞を培養するのに適した栄養豊富な培地の、排ガスからの産生を記載する。本明細書に記載の方法は、産業廃棄物中の炭素を、光合成独立栄養微生物又は化学合成独立栄養微生物を、化学合成独立栄養条件下で、その炭素上で、及び最初は有機栄養素を含まない培地中でガス発酵することによって開始する食物連鎖の底部として使用する。微生物はこの炭素をより大きなバイオマスに変換するために増殖し、適切な条件下で、炭素の一部を廃棄副産物として有機栄養素に変換することもでき、これは、従属栄養細胞を食物連鎖のさらに上方で培養するのに適したものとなるように培地を濃縮することができる。 The present invention describes the production of a nutrient-rich medium suitable for culturing heterotrophic cells from exhaust gases. The method described herein uses carbon in industrial waste as the base of a food chain that starts by fermenting photoautotrophic or chemoautotrophic microorganisms under chemoautotrophic conditions on the carbon and in a medium that is initially free of organic nutrients. The microorganisms grow to convert this carbon into larger biomass, and under appropriate conditions can also convert some of the carbon into organic nutrients as waste by-products, which can enrich the medium to make it suitable for culturing heterotrophic cells further up the food chain.
本発明の例示的な方法はバイオリアクターに最小培地を提供する工程と、化学合成独立
栄養細胞及び/又は光合成独立栄養細胞を含む接種材料をバイオリアクター中の最小培地に接種する工程と、培地中のバイオマスの細胞密度が閾値を満たすまでバイオリアクター中にガス入力を提供することによってバイオリアクター中のバイオマスを増殖させるために、接種材料を培養し、化学合成独立栄養的に培養する工程とを含み、それによって、培養中に最小培地が濃縮培地になるように富化される。様々な実施形態では、本方法が最小培地に接種する前に接種物を調製することをさらに含む。種々の方法は、最小培地を調製することをさらに含み得る。さらなる実施形態は最小培地に接種材料を接種する前に、最小培地及びバイオリアクターを滅菌することを含む。なおさらなる実施形態では、最小培地はゲルを含む。種々の実施形態において、最小培地は、細胞の増殖支持体と共にバイオリアクターに添加される。
An exemplary method of the invention includes providing a minimal medium to a bioreactor, inoculating the minimal medium in the bioreactor with an inoculum comprising chemoautotrophic and/or photoautotrophic cells, and cultivating the inoculum chemoautotrophically to grow a biomass in the bioreactor by providing a gas input into the bioreactor until the cell density of the biomass in the medium meets a threshold, whereby during cultivation the minimal medium is enriched to become a concentrated medium. In various embodiments, the method further includes preparing an inoculum prior to inoculating the minimal medium. Various methods may further include preparing a minimal medium. Further embodiments include sterilizing the minimal medium and the bioreactor prior to inoculating the minimal medium with the inoculum. In yet further embodiments, the minimal medium includes a gel. In various embodiments, the minimal medium is added to the bioreactor along with a growth support for the cells.
種々の実施形態において、化学合成独立栄養細胞又は光合成独立栄養細胞は、成長因子、ホルモン、抗生物質、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、ビタミン、着色剤、カロチノイド、脂肪酸、又は油を産生する。様々な実施形態では、接種材料は従属栄養細胞も含む。接種物はまた、光合成独立栄養細胞を含むことができ、これらの実施形態において、培養は、バイオリアクター内の光の非存在下で行われる。 In various embodiments, the chemoautotrophic or photoautotrophic cells produce growth factors, hormones, antibiotics, amino acids, peptides, proteins, vitamins, colorants, carotenoids, fatty acids, or oils. In various embodiments, the inoculum also includes heterotrophic cells. The inoculum can also include photoautotrophic cells, and in these embodiments, the culture is performed in the absence of light in the bioreactor.
様々な実施形態では、接種材料を培養することは、有益な分子を濃縮培地に添加することを含み、これらの実施形態のいくつかでは、有益な分子はグルコースを含む。接種材料の培養は、いくつかの態様において、豊富化された培地のpHを調節することを含む。場合によっては、接種材料は化学合成独立栄養細胞を含み、ガス流入はCH4とO2を含む。これらの実施態様のいくつかにおいて、化学合成独立栄養細胞は、Methylococcus capsulatusの細胞を含む。様々な実施形態では、ガス投入はCOを含み、ガス投入はCO2及びH2Sを含み、ガス投入はCO2、H2及びO2を含む。なお他の実施形態では、接種材料は、Cupriavidus necatorの細胞、Rhodobacter capsulatusの細胞、又は両方の細胞を含む。接種材料は、種々の実施形態において、カルボキシドトロフ(carboxydotrophs:一酸化炭素資化性)の細胞又はRhodococcus opacusの細胞を含むことができる。 In various embodiments, culturing the inoculum includes adding a beneficial molecule to the enriched medium, and in some of these embodiments, the beneficial molecule includes glucose. Culturing the inoculum includes, in some aspects, adjusting the pH of the enriched medium. In some cases, the inoculum includes chemoautotrophic cells and the gas input includes CH4 and O2 . In some of these embodiments, the chemoautotrophic cells include Methylococcus capsulatus cells. In various embodiments, the gas input includes CO, the gas input includes CO2 and H2S , and the gas input includes CO2 , H2 , and O2 . In still other embodiments, the inoculum includes Cupriavidus necator cells, Rhodobacter capsulatus cells, or both. The inoculum can, in various embodiments, include cells of carboxydotrophs or cells of Rhodococcus opacus.
本発明の様々な実施形態は濃縮培地中にそれらの内容物を放出するように、濃縮培地中の細胞を破壊することをさらに含む。細胞を破壊することは、場合によっては細胞を溶解することを含むことができる。様々な実施形態では、濃縮培地が成長因子、ホルモン、抗生物質、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、ビタミン、着色剤、カロチノイド、脂肪酸、又は油のうちの1つ以上を含む。 Various embodiments of the invention further include disrupting the cells in the enriched medium to release their contents into the enriched medium. Disrupting the cells can optionally include lysing the cells. In various embodiments, the enriched medium includes one or more of a growth factor, a hormone, an antibiotic, an amino acid, a peptide, a protein, a vitamin, a colorant, a carotenoid, a fatty acid, or an oil.
様々な実施形態では、遠心分離、濾過、又は重力に基づく分離などの方法によって、濃縮媒体から不溶性バイオマスを分離することをさらに含む。これらの態様のいくつかにおいて、分離後の濃縮培地は、1リットル当たり少なくとも1グラムのD-グルコースを含む。いくつかの実施形態では、方法が分離後、濃縮培地に鉱物塩を添加すること、濃縮培地のpHを調整すること、濾過すること、濃縮培地に酵素処理を提供すること、濃縮培地にクロマトグラフィー分離を行うこと、又は濃縮培地から選択的沈殿を行うことのうちの1つ以上をさらに含む。濃縮培地から不溶性バイオマスを分離する方法において、いくつかの方法は、濃縮培地からアンモニウムイオンを除去することをさらに含む。 In various embodiments, the method further comprises separating the insoluble biomass from the enrichment medium by methods such as centrifugation, filtration, or gravity-based separation. In some of these aspects, the enrichment medium after separation comprises at least 1 gram of D-glucose per liter. In some embodiments, the method further comprises one or more of adding mineral salts to the enrichment medium after separation, adjusting the pH of the enrichment medium, filtering, providing an enzyme treatment to the enrichment medium, performing a chromatographic separation on the enrichment medium, or performing selective precipitation from the enrichment medium. In the methods of separating the insoluble biomass from the enrichment medium, some methods further comprise removing ammonium ions from the enrichment medium.
種々の態様において、本方法は、さらに、バイオマスから分離された濃縮培地中で従属栄養生物の細胞を培養することを含み、それによって、濃縮培地を枯渇させる。これらの方法のいくつかでは、従属栄養生物は酵母、菌類、藻類、古細菌、細菌、又は哺乳類を含む。従属栄養細胞は、さらなる態様において、多細胞水生生物の細胞系に由来する。 In various embodiments, the method further comprises culturing cells of a heterotroph in an enrichment medium separated from the biomass, thereby depleting the enrichment medium. In some of these methods, the heterotroph comprises a yeast, a fungus, an algae, an archaea, a bacterium, or a mammal. The heterotrophic cells are, in further embodiments, derived from a cell line of a multicellular aquatic organism.
さらに、本発明は、本明細書中に記載される方法によって産生される種々の濃縮培地を対象とする。 Additionally, the present invention is directed to various enriched media produced by the methods described herein.
本発明は、従属栄養細胞を培養するのに適した栄養豊富培地の、廃ガスからの生産を記載する。このような培地の製造には、当初は最小の培地でガス発酵を介して化学合成独立栄養的に化学合成独立栄養細胞及び/又は光合成独立栄養細胞を培養し、その後、十分な培養を行った後に、そのような培地を豊富に収穫することが含まれる。次いで、濃縮培地を酵母、真菌、微細藻類、植物及び動物のような従属栄養生物の培養に用いることができる。バイオリアクター中で培養された細胞は、化学合成独立栄養微生物又は光合成独立栄養微生物の単一種又は単一株を含んでもよく、又はそれらは複数の株又は種を含んでもよい。さらに、これらの細胞は、種々の選択された従属栄養微生物の1つ又は複数の種又は株と共培養され得、その目的は、化学合成独立栄養細胞又は光合成独立栄養細胞のみによっては産生されない培地に、さらなる所望の栄養成分(プロバイオティクスなど)を供給することである。従属栄養細胞との共培養又は共同体は、従属栄養細胞が消費するよりも最終産物に付加価値を提供するように設計することができる。いくつかの態様において、得られたバイオマスの細胞内内容物を、濃縮培地に添加することができる。 The present invention describes the production of a nutrient-rich medium suitable for cultivating heterotrophic cells from waste gas. The production of such a medium involves initially cultivating chemoautotrophic and/or photoautotrophic cells chemoautotrophically via gas fermentation in a minimal medium, followed by harvesting such medium in abundance after sufficient cultivation. The concentrated medium can then be used for cultivating heterotrophic organisms such as yeasts, fungi, microalgae, plants and animals. The cells cultured in the bioreactor may comprise a single species or strain of chemoautotrophic or photoautotrophic microorganisms, or they may comprise multiple strains or species. Furthermore, these cells may be co-cultured with one or more species or strains of various selected heterotrophic microorganisms, the purpose of which is to supply additional desired nutritional components (such as probiotics) to the medium that are not produced by the chemoautotrophic or photoautotrophic cells alone. The co-culture or consortium with heterotrophic cells can be designed to provide added value to the end product than is consumed by the heterotrophic cells. In some embodiments, the intracellular contents of the resulting biomass can be added to the enrichment medium.
ここで、「第1の培地」とは最初の発酵のための基本的な栄養素を供給するために使用される最初の培地である。ここで使用される「第2の培地」が第1の培地の富化から得られる上清濃縮培地であり、バイオマスの全部又は大部分から分離された後に残る。したがって、化学合成独立栄養発酵の間に、細胞は増殖し、高度に同化する産物も生成する。化学合成独立栄養発酵からの富化後に残る培地は従属栄養発酵から得られる栄養的に劣る「使用済み培地」と区別するために、「第2の培地」と呼ばれる。バイオマスの大部分又は全体が除去された後に、第2の培地は従属栄養細胞の増殖を支持するのに適した多くの複合物質を含む。したがって、この第2の培地は発酵中又は発酵後に収集され、(所望であれば)任意の残存する細胞又は細胞残屑を除去するために処理され、従属栄養細胞の培養のための栄養的に有利な増殖培地又は添加剤として再使用され得る。本明細書で使用される「濃縮培地」はガス発酵が始まった後の第1の培地を指し、培養中の培地及び分離プロセス後の第2の培地の両方を広く包含する。 Here, the "first medium" is the initial medium used to provide basic nutrients for the initial fermentation. The "second medium" as used herein is the supernatant enriched medium obtained from the enrichment of the first medium, remaining after separation from all or most of the biomass. Thus, during chemoautotrophic fermentation, the cells grow and also produce highly assimilable products. The medium remaining after enrichment from chemoautotrophic fermentation is called the "second medium" to distinguish it from the nutritionally poor "spent medium" obtained from heterotrophic fermentation. After most or all of the biomass has been removed, the second medium contains many complex substances suitable for supporting the growth of heterotrophic cells. This second medium can therefore be collected during or after fermentation, treated (if desired) to remove any remaining cells or cell debris, and reused as a nutritionally favorable growth medium or additive for the cultivation of heterotrophic cells. As used herein, the "enriched medium" refers to the first medium after gas fermentation has begun, and broadly encompasses both the medium during the cultivation and the second medium after the separation process.
産業廃ガス上で培養された化学合成栄養性微生物及び光合成独立栄養性微生物は、それらの微生物が単純で一般に安価な投入物(例えば、水素、二酸化炭素、酸素、水及び無機塩)から、それらの細胞構成成分(糖、脂肪酸、カロテノイド、補因子、ビタミン、ペプチド及びタンパク質を含む)のすべてを新たに産生しなければならないので、特に豊富で有益な栄養源であり得る。この化学合成独立栄養様式の産生はまた、ビタミン及びタンパク質が例えば、糖上での従属栄養微生物の発酵によるよりも低いコストで合成され得るという利点を有する。 Chemoautotrophic and photoautotrophic microorganisms cultivated on industrial waste gases can be a particularly rich and valuable source of nutrients, since they must produce all of their cellular components (including sugars, fatty acids, carotenoids, cofactors, vitamins, peptides and proteins) de novo from simple and generally inexpensive inputs (e.g., hydrogen, carbon dioxide, oxygen, water and inorganic salts). This chemoautotrophic mode of production also has the advantage that vitamins and proteins can be synthesized at lower cost than, for example, by heterotrophic fermentation on sugars.
本発明に従って製造された第2の培地は、先行技術のリッチ培地と比較して類似又は同一の成分を含有することができ、同等の栄養価を提供することができ、したがって、様々な細胞培養用途のための動物由来及び他の高価な成分を補うか、又は完全に置き換えることができる。いくつかの場合において、これは、生産コストを低減するだけでなく、動物を殺すこと又は害することを必要としない培養培地の供給源を提供する。他の場合には培地中で利用可能な成分が公知のリッチ培地には見られない利点を提供し得、したがって、この方法の生成物はそれ自体、先行技術に対して新規である。培地は、完全に液体であってもよく、あるいは、細胞の増殖支持体として使用するために、ゲル(例えば、寒天を使用)に処方してもよく、あるいは、固体又は半固体の物質(例えば、ビーズ)を含有してもよい。 The second medium produced according to the present invention may contain similar or identical ingredients compared to the rich medium of the prior art and may provide comparable nutritional value, thus supplementing or completely replacing animal-derived and other expensive ingredients for various cell culture applications. In some cases, this not only reduces production costs, but also provides a source of culture medium that does not require killing or harming animals. In other cases, the ingredients available in the medium may provide advantages not found in known rich media, and thus the product of this method is itself novel over the prior art. The medium may be entirely liquid, or may be formulated into a gel (e.g., using agar) or may contain solid or semi-solid materials (e.g., beads) for use as a growth support for cells.
従属栄養生物のための典型的な先行技術の増殖培地は、増殖細胞が培養されるにつれて枯渇するように設計された初期組成を有することに留意することが重要である。本発明によれば、化学合成独立栄養細胞の発酵は、最小培地中で開始する。ミネラル塩及び供給原料ガスを供給する細胞の化学合成独立栄養増殖、ならびにコンソーシアムの一部として含まれ得る任意のさらなる従属栄養細胞の増殖及び化学合成独立栄養増殖からの産物の供給と組み合わされた供給原料ガスの投入は、培養が進行するにつれて、実際に豊富化された培地の栄養的な質を蓄積する。 It is important to note that typical prior art growth media for heterotrophic organisms have an initial composition designed to be depleted as the growing cells are cultured. In accordance with the present invention, fermentation of chemoautotrophic cells is initiated in a minimal medium. The chemoautotrophic growth of cells supplying mineral salts and feed gas, as well as the input of feed gas combined with the growth of any additional heterotrophic cells that may be included as part of the consortium and the supply of products from the chemoautotrophic growth, actually builds up the nutritional qualities of the enriched medium as the culture progresses.
図1は、本発明の例示的なシステム100の概略図を示す。システム100は、光合成独立栄養細胞及び/又は化学合成独立栄養細胞120を含むバイオリアクター110を含む。システム100はまた、1つ以上の酸化炭素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む廃棄流140を生成する工業的供給源のような炭素源130を含む。炭素源130の例には、セメント製造設備、化石燃料を燃焼させる発電所、鉄金属製品製造(例えば、鋳造及び鍛造)、非鉄製品製造、食品製造、エタノール又は他のバイオ生産を生産する発酵プラント、バイオマスのガス化、石炭のガス化、ならびに石油精製、カーボンブラック生産、アンモニア生産、メタノール生産及びコークス製造などの化学製造が含まれる。
Figure 1 shows a schematic diagram of an
システム100は、水素貯蔵タンク、水素パイプライン、水蒸気メタン改質装置、ガス化装置、又は電解システムなどの任意の分子水素源150をさらに備える。水素源150は化学合成独立栄養的に、すなわち光の不在下で成長させた化学合成独立栄養細胞又は光合成独立栄養細胞のためのエネルギー源として分子状水素を含む水素流160を生成する。本発明の種々の実施形態では化学合成独立栄養的に増殖されるバイオリアクター中の細胞がメタン又は一酸化炭素などの1つの廃棄流140から炭素及びエネルギーの両方を誘導し、これらの実施形態では水素分子源150は必要ではない。さらなる実施形態では、廃棄流140が炭素源と、ガス化装置によって生成され得るような水素源とを含む。図1はまた、システム100の2つの産出流が、バイオリアクター110からの除去及び分離後に、蓄積されたバイオマス170及び濃縮された又は「第2の」培地180であることを概略的に示す。いくつかの実施形態では、バイオマス170はガス化され(図示せず)、産生物は第2の炭素源130として使用される。
The
図2は、本発明の方法のための適切なバイオリアクターの一例としてのバイオリアクター200の概略図を示す。バイオリアクター200は第1の培地に接種するための細胞の産生のための合成容器、及び濃縮培地におけるバイオマスの産生のための別個の増殖容器と併せて使用するための合成容器のいずれかを含むことができ、又はバイオリアクター200は、合成及び増殖段階の両方に適した容器を含むことができる。図2において、バイオリアクター200は、操作中に化学合成独立栄養細胞又は光合成独立栄養細胞及び任意に他の従属栄養細胞を含む一定量の液体培地210を培養物中に保持する容器205を含む。バイオリアクター200はまた、培地210に導入するためにガス220を容器205に導入することができる流入口215と、新鮮な培地230を容器205に導入することができる培地注入口225と、培地210を除去して、例えば、濃縮培地を不溶性バイオマスから分離することができる培地排出口235とを含む。バイオリアクター200はまた、ヘッドスペース240と、ヘッドスペース240からガスを排出するためのガス放出弁245とを含むことができる。いくつかの実施形態では、ガス放出弁245がベントされたガスを入力ポート215に戻すために再循環システムに取り付けられ、ガス組成を最適化するための添加を行うためのマニホールド(図示せず)を含むことができる。
2 shows a schematic diagram of a
種々の実施形態において、バイオリアクター200は、連続撹拌タンクリアクター、ループバイオリアクター、又はガス発酵に適切な任意の他の設計であり得る。バイオリアクター200は、混合のための制御された撹拌、pH、溶解ガス、及び培養密度を測定するための様々なプローブ、ならびにガス、温度調節などのための制御をさらに含むことがで
きる。発泡を制御するための薬剤をバイオリアクター200に添加することもできる。
In various embodiments,
図3は、本発明の例示的な方法300を示す。一部の手順はオプションとして記載されているが、オプションとして記載されていない手順は必ずしも必須ではない。方法300は、接種材料を調製する任意の工程305と、最小培地を調製する任意の工程310とを含む。次いで、方法300は、バイオリアクターに最小培地を添加する工程315と、最小培地及びバイオリアクターを滅菌する任意の工程320とを含む。次いで、方法300は、ガスをバイオリアクターに供給することによって、滅菌最小培地に接種材料を接種する工程325、細胞密度が閾値を満たすまで発酵する工程330を含む。次いで、方法300は、細胞の内容物を濃縮培地に放出する任意の工程335、次いで、バイオマスを第2の培地から分離する任意の工程340を含む。任意選択の工程345では、第2の培地に、第2の培地が支持するように設計されたタイプの従属栄養細胞を接種する。
Figure 3 illustrates an
工程305において、バイオリアクター200のようなバイオリアクターに接種するのに十分な接種材料が調製される。この工程は、方法300の特定の実施形態が予め作製された接種材料から開始することができる限り、任意である。接種材料は光合成独立栄養微生物又は化学合成独立栄養微生物の少なくとも1つの種の細胞を含み、ガス供給原料と共にリッチ培地又は最小培地のいずれかを使用して調製することができる。接種材料のために選択された微生物の特定の種、及びその中に含まれる任意の他の従属栄養微生物は、細菌、古細菌、微細藻類、真菌、カビ、又は酵母のような、第2の培地中で後に特定の高等生物を培養する利益のために調整された適切な第2の培地を産生するように選択される。接種材料を調製することは、化学合成独立栄養細胞、光合成独立栄養細胞、及び/又は従属栄養細胞を、同じ培地中で一緒に、又は別々の培地中の1つ以上の株で共培養することを含み得る。後者の場合、接種材料を調製することは、化学合成独立栄養細胞、光合成独立栄養細胞、及び/又は従属栄養細胞の量を異なる時点で調製すること、及びそれらの量をすべての使用の準備ができるまで保存することを含むことができる。
In
いくつかの実施形態において、化学的独立栄養微生物は、有益な異種性産物を産生するように遺伝子的に改変されている、Cupriavidus necastor、Methylococcus capsulatus、Rhodobacter capsulatus、若しくはRhodococcus opacus、又は化学的独立栄養生物のような単一の化学的独立栄養細胞株を含む。化学合成独立栄養株は、天然であっても、突然変異を含んでいても、遺伝的に改変されていても、又はCRISPRを介して編集された1つ以上の遺伝子を含んでいてもよく、貴重な小分子、成長因子、ホルモン、抗生物質、アミノ酸、ペプチド、糖、多糖、タンパク質、ビタミン、着色剤、カロチノイド、脂肪酸、有機酸、核酸、油、グリコール酸、炭化水素、ポリヒドロキシアルカン酸、ファシン、遺伝子導入剤(GTA)又は非独立栄養微生物及び他の従属栄養細胞によって成長基質及び成長調節因子として利用され得る他の生体分子を産生するためであってもよい。このように使用することができる光合成独立栄養微生物の例には、Rhodospirillium rubrum、Rhodopseudomonas palustrus、Paracoccus zeaxanthinifaciens、Rhodobacter sphaeroides、Rhodobacter capsulatus、spirulina及びanabaenaなどのシアノバクテリアが含まれる。 In some embodiments, the chemoautotrophic microorganism comprises a single chemoautotrophic cell line such as Cupriavidus necastor, Methylococcus capsulatus, Rhodobacter capsulatus, or Rhodococcus opacus, or a chemoautotroph that has been genetically modified to produce a beneficial heterologous product. Chemoautotrophic strains may be naturally occurring, contain mutations, be genetically modified, or contain one or more genes that have been edited via CRISPR, and may be for producing valuable small molecules, growth factors, hormones, antibiotics, amino acids, peptides, sugars, polysaccharides, proteins, vitamins, colorants, carotenoids, fatty acids, organic acids, nucleic acids, oils, glycolic acid, hydrocarbons, polyhydroxyalkanoates, phasins, gene transfer agents (GTAs), or other biomolecules that can be utilized as growth substrates and growth regulators by non-autotrophic microorganisms and other heterotrophic cells. Examples of photoautotrophic microorganisms that can be used in this way include cyanobacteria such as Rhodospirillium rubrum, Rhodopseudomonas palustrus, Paracoccus zeaxanthinifaciens, Rhodobacter sphaeroides, Rhodobacter capsulatus, spirulina, and anabaena.
生物材料の寄託
以下の微生物は、American Type Culture Collection, 10801 University Boulevard, Manassas,
VA 20110-2209, USA (ATCC)に寄託されている:
表1:
微生物の指定:Rhodobacter capsulatus OB-213
ATCC番号:PTA-12049
寄託日:2011年8月25日
Deposit of Biological Materials The following microorganisms are deposited at the American Type Culture Collection, 10801 University Boulevard, Manassas, USA.
Deposited in the USA (ATCC) under the accession number VA 20110-2209:
Table 1:
Microorganism designation: Rhodobacter capsulatus OB-213
ATCC number: PTA-12049
Deposit date: August 25, 2011
この寄託は、特許手続上の微生物の寄託の国際承認に関するブダペスト条約及びその下の規則(ブダペスト条約)の規定に基づいて行われた。これは、寄託の日から30年間、生存可能な培養物の維持を保証する。生物はブダペスト条約の条件の下でATCCによって利用可能にされ、Oakbio、Inc.とATCCとの間の合意に従う。これは、関連する米国特許の発行時に、又は米国特許もしくは外国特許出願のいずれかの公開時に、培養物の子孫の永続的かつ無制限の入手可能性を保証し、35 USC §122及びそれに従う局長の規則(886 OG 638を特に参照して37 CFR §1.12を含む)に従い、米国特許商標局長によって決定されたものに対する子孫の入手可能性を保証する、Oakbio、Inc.とATCCとの間の合意に従う。 This deposit was made under the provisions of the Budapest Treaty on the International Recognition of the Deposit of Microorganisms for the Purposes of Patent Procedure and the Regulations Thereunder (Budapest Treaty), which guarantees maintenance of a viable culture for 30 years from the date of deposit. The organisms will be made available by the ATCC under the terms of the Budapest Treaty, and are subject to an agreement between Oakbio, Inc. and the ATCC, which guarantees perpetual and unlimited availability of the progeny of the culture upon issuance of the relevant U.S. patent, or upon publication of either a U.S. patent or foreign patent application, and guarantees availability of the progeny to such extent as may be determined by the U.S. Commissioner for Patents and Trademarks pursuant to 35 U.S.C. § 122 and the Commissioner's regulations thereunder (including 37 CFR § 1.12, with particular reference to 886 OG 638).
本出願の譲受人は、寄託培養物が、適切な条件下で培養されたときに、死滅又は滅失又は破壊される場合、それらは、同一培養物の生存可能な標本と通知され次第、速やかに交換されることに合意した。寄託された菌株の利用可能性は、特許法に従って政府の権限に基づいて付与された権利に違反して発明を実施するためのライセンスと解釈されるべきではない。 The assignee of this application has agreed that if the deposited cultures die or are lost or destroyed when cultured under appropriate conditions, they will be promptly replaced upon notice with viable specimens of the same cultures. The availability of the deposited strains shall not be construed as a license to practice the invention in violation of rights granted under government authority pursuant to the Patent Act.
工程310では、水中にミネラル塩を含む最小培地が調製される。また、この工程は方法300の特定の実施形態が予め作製された最小培地で始まることができる限り、任意である。化学合成独立栄養生物のための最小培地の例としては、水素栄養生物のためのRepaske培地及びメタノトロフのためのNMS培地が挙げられる。これらの例示的なミニマルメディアのレシピは、例えば、アメリカン・タイプ・カルチャー・コレクション(ATCC)を通じて一般に入手可能である。
In
工程315において、最小培地をバイオリアクターに添加し、工程320において、最小培地及びバイオリアクターを滅菌する。最小培地は、例えば、熱、放射線によって、又は最小培地を無菌フィルター(例えば、0.2μmフィルター装置)に通すことによって、滅菌され得る。工程315において、最小培地はゲルを含むことができる。また、工程315において、最小培地は、ビーズのような増殖支持体と一緒にバイオリアクターに添加され得る。
In
工程325では、バイオリアクタ内の滅菌培地に、工程305で調製されたような接種材料を接種する。いくつかの実施形態において、バイオリアクターに接種材料を接種することは、別々に調製された量の異なる細胞を連続的に導入することを含む。
In
工程330では、CO2、CO、CH4、H2、H2S、O2、N2、又はNH3のうちの1つ以上を含むガス供給原料をバイオリアクターに供給することによって、接種材料を発酵させ、バイオマスに培養する。2つ以上のガスが供給原料中に含まれる場合、いくつかのガスは、培養される細胞の種に適切な組み合わせ及び割合で供給される。具体的な例としてはCO2、H2、及びO2の混合、CH4とO2の混合、ならびにCO2とH2Sの混合が挙げられ、バイオマスのセルが通常、リットル当たり0.5グラムのセルドライウェイト(CDW/L)を超える、好ましくは約2グラムのCDW/Lを超える、しきい値密度が達成されるまで、発酵が維持される。工程330の間に、有益な分子は、増殖するバイオマスの細胞によって最小培地中に分泌され、濃縮培地を作製する。さらなる態様において、工程330の間に、さらなる有益な分子を濃縮培地に添加して、その栄養品質をさらに増加させることができる。例えば、哺乳動物細胞に適切な培養培地を作製するために、グルコースを添加して、グルコースの濃度を、迅速な増殖のための許容可能なレベルまで増加させ得る。他の場合には、鉄又は他のミネラルの添加が必要となることがあ
る。同様に、pHは酸又は塩基を添加することによって調整することができ、追加の無機塩、酵母エキス、トリプトン、フェノールレッド又は他の成分を含めることができる。
In
任意の工程335において、培地は濃縮培地が細胞内アミノ酸、タンパク質、核酸、ポリヒドロキシアルカノエート、有機酸、及び高等生物の細胞を培養するために培地をより有用にする他の因子をさらに含むように、それらの内容物を放出するような様式で、濃縮培地中の細胞を殺菌、溶解、又は不活化もしくは破壊するために滅菌又は処理され得る。
In
工程340では、第2の培地を採取する。いくつかの実施形態では、これは例えば、バイオマスを除去するための遠心分離、濾過、又は重力に基づく分離などの分離プロセスによって達成される。いくつかの実施形態ではこの処理が0.2μmフィルター膜を通した滅菌濾過を含み得、その結果、得られる液体は任意の微生物細胞を含まない。いくつかの実施形態において、工程340で回収された第2の培地は、無機塩の添加、pHの調整、濾過、酵素処理、クロマトグラフィー分離、選択的沈殿、及び/又は他の操作によって改変されて、第2の培地を高等生物の細胞の培養により有用にすることができる。例えば、従属栄養発酵がこの成分の高濃度によって阻害される場合、洗浄工程などを用いて、第2の培地からアンモニウムイオンを選択的に除去することが有利であり得る。乳酸塩についても同様である。いくつかの実施形態では、第2の培地が元の接種物由来の化学合成独立栄養生物又は他の細胞を含む。
In
本明細書中に記載される化学合成独立栄養法によって産生される第2の培地は、1リットルあたり1グラムを超えるD-グルコース、ならびに有意量のビタミンB2、ビタミンB3、ビタミンB12、ビオチン、パントテン酸塩、グルタミン酸塩、メチオニン、及びグルコース、ビタミン、アミノ酸又はタンパク質を全く含有しない第1の培地から出発するペプチドを含有する。従属栄養細菌、酵母(Phaffia、Saccharomyces)、真菌(Aspergillus)、細菌(Lactobacillus、Bacillus、Bifidobacterium、Brevundimonas、Escherichia)は、化学合成独立栄養細菌を培養することによって生産される改良されていない第2の培地で培養することができる。本発明の第2の培地はまた、高等生物のためのより複雑な培地調製物のための基礎として、又はそれに対する補足として使用され得る。 The second medium produced by the chemoautotrophic method described herein contains more than 1 gram of D-glucose per liter, as well as significant amounts of vitamin B2, vitamin B3, vitamin B12, biotin, pantothenate, glutamate, methionine, and peptides starting from a first medium that does not contain any glucose, vitamins, amino acids, or proteins. Heterotrophic bacteria, yeasts (Phaffia, Saccharomyces), fungi (Aspergillus), bacteria (Lactobacillus, Bacillus, Bifidobacterium, Brevundimonas, Escherichia) can be cultivated in the unimproved second medium produced by culturing chemoautotrophic bacteria. The second medium of the present invention can also be used as a basis for, or as a supplement to, more complex medium preparations for higher organisms.
任意の工程345において、第2の培地に、より高い生命形態の細胞を接種する。細胞は細胞が回収されるまで、又は培養物全体が回収されるまで、又はそのいくつかの成分(例えば、組換えタンパク質)が得られる培地から単離されるまで、第2の培地中で培養される。これらの微生物には、細菌、古細菌、微細藻類、真菌、カビ、酵母又はその他が含まれ得る。そのような微生物の例には、以下が含まれる:
Ascomycota、Aspergillus niger、Aspergillus oryzae、Bacillus coagulans、Bacillus lentus、Bacillus licheniformis、Bacillus magaterium、Bacillus pumilus、Bacillus subtilis、Bacteroides amylophilus、Bacteroides capillosus、Bacteroides ruminocola、Bacteroides suis、Basidiomycota、Bifidobacterium adolescentis、Bifidobacterium amimalis、Bifidobacterium bifidum、Bifidobacterium infantis、Bifidobacterium lactis、Bifidobacterium longum、Bifidobacterium thermophilum、Bifidobacterium breve、Saccharomyces cerevisiae、Blakeslea trispora、Pichia pastor
is、Kluyveromyces lactis、Hensenula polymorpha、Lactobacillus acidophilus、Lactobacillus brevis、Lactobacillus bulgaricus、Lactobacillus casei、Lactobacillus cellobiosus、Lactobacillus curvatus、Lactobacillus delbruekii、Lactobacillus fermentum、Lactobacillus helveticus、Lactobacillus johnsonii、Lactobacillus lactis、Lactobacillus paracasei、Lactobacillus parafarraginis、Lactobacillus plantarum、Lactobacillus reuterii、Lactobacillus rhamnosus、Lactobacillus salivarius、Lactobacillus sporogenes、Lactococcus lactis、Leuconostoc mesenteroides、Pediococcus acidilactici、Pediococcus
cerevisiae、Pediococcus pentosaceus、Propionibacterium shermanii、Propionibacterium freudenreichii、Saccharomyces boulardii、Streptococcus cremoris、Streptococcus diacetylactis、Streptococcus faecium、Streptococcus intermedius、Streptococcus lactis、Streptococcus thermophiles。
In an
Ascomycota, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Bacillus coagulans, Bacillus lentus, Bacillus licheniformis, Bacillus magat erium, Bacillus pumilus, Bacillus subtilis, Bacteroides amylophilus, Bacteroides capillosus, Bacteroides ruminocola, Bacteroides suis, Basidiomycota, Bifidobacterium adolescentis, Bifidobacterium amimalis, Bifidobacterium bifidum, Bifidobacterium infantis, Bifidobacterium lactis, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium thermophilum, Bifidobacterium breve, Saccharomyces cerevisiae, Bl akeslea trispora, Pichia pastor
is, Kluyveromyces lactis, Hensenula polymorpha, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus brevis, Lactobacillus bulgaricus, Lacto bacillus casei, Lactobacillus cellobiosus, Lactobacillus curvatus, Lactobacillus delbruekii, Lactobacillus fermentum, Lactobacillus us helveticus, Lactobacillus johnsonii, Lactobacillus lactis, Lactobacillus paracasei, Lactobacillus parafarraginis, Lactobacillus us plantarum, Lactobacillus reuterii, Lactobacillus rhamnosus, Lactobacillus salivarius, Lactobacillus sporogenes, Lactococcus la ctis, Leuconostoc mesenteroides, Pediococcus acidilactici, Pediococcus
cerevisiae, Pediococcus pentosaceus, Propionibacterium shermanii, Propionibacterium freudenreichii, Saccharomyces boulardii, St. Reptococcus cremoris, Streptococcus diacetylactis, Streptococcus faecium, Streptococcus intermedius, Streptococcus lactis, Streptococcus ococcus thermophiles.
例1:化学合成独立栄養細菌のガス発酵を用いた第2の培地の製造 Example 1: Production of a second medium using gas fermentation with chemoautotrophic bacteria
この最初の例では、ガス発酵のために改良されたNew Brunswick BioFlo 4500 30L連続攪拌タンクバイオリアクターを用いてガス発酵を行った。化学合成独立栄養種としてCupriavidus necator、Rhodobacter capsulatus、Rhodospirillum rubrum、Rhodobacter sphaeroides、Rhodopseudomonas palustris、従属栄養(プロバイオティック)種としてBacillus megaterium、Lactobacillus acidophilus、Lactobacillus casei 亜種 caseiを用いて、化学合成独立栄養及び従属栄養種の接種材料を調製した。 In this first example, gas fermentation was performed using a New Brunswick BioFlo 4500 30 L continuous stirred tank bioreactor modified for gas fermentation. Chemoautotrophic and heterotrophic inocula were prepared using Cupriavidus necator, Rhodobacter capsulatus, Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter sphaeroides, and Rhodopseudomonas palustris as chemoautotrophic species, and Bacillus megaterium, Lactobacillus acidophilus, and Lactobacillus casei subsp. casei as heterotrophic (probiotic) species.
接種材料を調製するために、細菌培養物を、15mlの滅菌Luria Bertani培地に接種した凍結ストックから培養し、200rpm及び30℃で一晩振盪する温度制御インキュベーター中で、又は培養物が620nmでの0.6吸光度単位(au)の吸光度に達するまで増殖させた。これらを、1リットル当たり以下を含有する化学合成独立栄養増殖培地中でさらに培養した:
10倍溶液からのリン酸塩(PO4) 100mL
10倍溶液からの塩化アンモニウム(NH4Cl) 200ml
20g/200mL溶液からの炭酸水素ナトリウム(NaHCO3) 2ml
100mM (NH4)2Ni(SO4)2・6H2O溶液4からのニッケル 0.166ml
蒸留水(diH2O) 674 ml
To prepare the inoculum, bacterial cultures were grown from frozen stocks inoculated into 15 ml of sterile Luria Bertani medium and grown in a temperature-controlled incubator with shaking at 200 rpm and 30° C. overnight or until the cultures reached an absorbance of 0.6 absorbance units (au) at 620 nm. These were further cultured in a chemically synthesized autotrophic growth medium containing the following per liter:
Phosphate ( PO4 ) from 10x solution 100mL
Ammonium chloride ( NH4Cl ) from 10x solution 200ml
Sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) from a 20 g/200 mL solution 2 ml
Nickel from 100 mM ( NH4 ) 2Ni ( SO4 ) 2.6H2O solution 4 0.166 ml
Distilled water ( diH2O ) 674 ml
培地を滅菌した後、以下の無菌の無機塩を添加した:
SchlegelSolution ‘E’からの微量元素 2mL
200g/Lの溶液5からのCaCl2・2H2O 0.1 ml
100倍の溶液6からのMgSO4・7H2O 10 ml
0.1g/100mLの溶液からのFeSO4・7H2O 12 ml
After the medium was sterilized, the following sterile inorganic salts were added:
Trace elements from Schlegel Solution 'E' 2mL
0.1 ml of CaCl 2.2H 2 O from solution 5 at 200 g/L
10 ml of MgSO 4.7H 2 O from 100x solution 6
12 ml of FeSO4.7H2O from a 0.1 g/100 mL solution
上記の成分の多くは、はるかに高濃度のストック溶液から添加された。リン酸塩10倍のストックは、1LのdiH2O中に混合したリン酸二塩基性ナトリウム(Na2HPO4)無水物40g及びリン酸一塩基性カリウム(KH2PO4)無水物66.7gから調製した。10倍量の塩化アンモニウムストックを、1LのdiH2O中に混合した18gのNH4Clから調製した。炭酸水素ナトリウムストック溶液を、200mLのdiH2O中に混合された20gのNaHCO3から調製した。ニッケルは、100mMのNiCl2を100μL加えてもよい。塩化カルシウムは、200gのCaCl2・H2O;1LのdiH2O;10,000倍濃縮ストック溶液から得ることができる。最後に、113.05gのMgSO4・7H2Oを含む溶液から適量を加えて、硫酸マグネシウム(100倍に濃縮されたストック溶液)を調製することができる。 Many of the above ingredients were added from much more concentrated stock solutions. Phosphate 10X stock was prepared from 40 g of dibasic sodium phosphate (Na2HPO4) anhydrous and 66.7 g of monobasic potassium phosphate (KH2PO4 ) anhydrous mixed in 1 L of diH2O . Ammonium chloride 10X stock was prepared from 18 g of NH4Cl mixed in 1 L of diH2O . Sodium bicarbonate stock solution was prepared from 20 g of NaHCO3 mixed in 200 mL of diH2O . Nickel may be added as 100 μL of 100 mM NiCl2 . Calcium chloride can be obtained from 200 g of CaCl2.H2O ; 1 L of diH2O ; 10,000x concentrated stock solution. Finally, magnesium sulfate (100x concentrated stock solution) can be prepared by adding an appropriate amount from a solution containing 113.05 g MgSO4.7H2O .
バイオリアクターを~20Lの培地で満たし、次いでバイオリアクターのオンボード滅菌サイクルを使用して30分間滅菌し、室温に冷却し、次いで残りの無機塩を添加した。次いで、コンソーシアル接種物の種々の成分を、滅菌ポートを通して添加した。 The bioreactor was filled with ~20 L of medium, then sterilized for 30 min using the bioreactor's on-board sterilization cycle, cooled to room temperature, and the remaining inorganic salts were then added. The various components of the consortial inoculum were then added through the sterilization port.
超純水を供給した9kWプロトンS40電解槽により、バイオリアクターに水素ガスを供給した。O2及びCO2を、ガスレギュレーターを備えた圧縮ガスボンベから供給して、約20psiに減圧した。ガス混合は、80:10:10(H2:CO2:O2)の比率に従って、3つのマスフローコントローラーのセットによって制御した。バイオリアクターへのガス流量は、発酵が進行することにつれて1~8SLPMから増加した。バイオリアクター内のガスヘッド圧力は10psiであった。30℃の温度、6.8のpH、及び300rpmのインペラー撹拌速度を維持した。 Hydrogen gas was supplied to the bioreactor by a 9 kW Proton S40 electrolyzer fed with ultrapure water. O2 and CO2 were supplied from compressed gas cylinders equipped with gas regulators and depressurized to approximately 20 psi. The gas mixture was controlled by a set of three mass flow controllers according to a ratio of 80:10:10 ( H2 : CO2 : O2 ). The gas flow rate to the bioreactor was increased from 1-8 SLPM as the fermentation progressed. The gas head pressure in the bioreactor was 10 psi. A temperature of 30°C, a pH of 6.8, and an impeller agitation speed of 300 rpm were maintained.
バイオリアクターを、半連続採取モードで32日間運転した。24時間毎に、10Lの反応器内容物を無菌ポートを介して取り出し、同じ容量の無菌新鮮培地をバイオリアクターに戻した。細菌バイオマスを、遠心分離によって濃縮培地から分離し、次いで、後の使用のために凍結乾燥した。残りの上清培地のアリコートを、滅菌済みの使い捨て0.2μm濾過装置を通して濾過することによって滅菌し、-20℃で凍結し、「第2の培地」を得た。 The bioreactor was operated in semi-continuous harvest mode for 32 days. Every 24 hours, 10 L of reactor contents were removed through a sterile port and the same volume of sterile fresh medium was returned to the bioreactor. The bacterial biomass was separated from the concentrated medium by centrifugation and then lyophilized for later use. An aliquot of the remaining supernatant medium was sterilized by filtration through a sterile disposable 0.2 μm filtration device and frozen at −20°C to obtain the “second medium”.
発酵の11日目及び23日目からの第2の培地の凍結サンプルを使用済み培地分析に供し、以下の結果を得た: Frozen samples of the second medium from days 11 and 23 of fermentation were subjected to spent medium analysis with the following results:
BCAタンパク質アッセイ(Pierce)は、11日目のサンプルも0.83g/Lのタンパク質を含むことを示した。クーマシーブルー染色(Invitrogen)によるSDS-PAGEによるタンパク質分子量の分析は、タンパク質の大部分が約10kD未満の小分子量ペプチドからなることを示した(図示せず。)。 A BCA protein assay (Pierce) showed that the 11 day sample also contained 0.83 g/L protein. Analysis of protein molecular weight by SDS-PAGE with Coomassie Blue staining (Invitrogen) showed that the majority of the protein consisted of small molecular weight peptides less than about 10 kD (not shown).
各試料からの細菌バイオマスを、遠心分離によって第2の培地から分離し、後の使用のために凍結乾燥した(収穫された各リットルについて約8gのCDW)。すでに細胞を含まない第2の培地を収集し、4℃で保存した。 The bacterial biomass from each sample was separated from the second medium by centrifugation and lyophilized for later use (approximately 8 g CDW for each liter harvested). The second medium, now cell-free, was collected and stored at 4°C.
例2:ガス発酵11日目からの第2の培地でのLactobacillus brevisの従属栄養培養 Example 2: Heterotrophic cultivation of Lactobacillus brevis in the second medium from the 11th day of gas fermentation
従属栄養Lactobacillus brevisの凍結ストックの細胞を、例1に記載の発酵の11日目からの30mlの無菌第2培地に1:50比で接種した。この接種物を、250mlのバッフル付き培養フラスコ中で、温度制御インキュベーター中で回転振盪機上で28℃にて100rpmで振盪した。一方のフラスコには添加物を加えず(「グルコースなし」)、他方の2つのフラスコは第1のフラスコと同じ第2の培地を含有したが、追加の0.5%(w/v)グルコース及び1.0%(w/v)グルコースをそれぞれ含有した(第2の培地中に既に存在した0.14%のレベルを超える)。サンプルを様々な時点で取り出し、200μLアリコートの620nm(A620)での光学密度をマイクロプレートリーダーで測定した。成長曲線を図4に示す。 Frozen stock cells of heterotrophic Lactobacillus brevis were inoculated at a 1:50 ratio into 30 ml of sterile second medium from day 11 of the fermentation described in Example 1. The inoculum was shaken at 100 rpm at 28° C. on a rotary shaker in a temperature-controlled incubator in a 250 ml baffled culture flask. One flask contained no additives ("No Glucose"), while the other two flasks contained the same second medium as the first flask, but with additional 0.5% (w/v) and 1.0% (w/v) glucose, respectively (above the level of 0.14% already present in the second medium). Samples were removed at various time points, and the optical density at 620 nm (A620) of 200 μL aliquots was measured with a microplate reader. The growth curves are shown in FIG. 4.
図4の結果は、従属栄養細菌がグルコース補給なしの第2の培地上でそれらの密度を3
倍以上に増加させたことを示す。追加のグルコースは特に0.5%添加の後期段階で、このレベルを超えるそれらの増殖を刺激したが、1%グルコースは培養期間が長くなるにつれて効果が低くなる可能性がある。これは、第2の培地が完全培地又は有意な培地成分のいずれかとして従属栄養細胞を培養するために使用され得ることを実証する。この方法はまた、従属栄養細胞をガス上で間接的に効果的に培養することを可能にし、それによって、それらが代謝的に適していない供給原料及び培養条件を利用する。また、本発明は、元の抽出されたバイオマスを超えて、ガス発酵の生成物から付加的な価値を抽出することを可能にする。
The results in FIG. 4 show that heterotrophic bacteria increased their density by 3.5% on the second medium without glucose supplementation.
The results show that the fermentation yield increased by more than 2-fold. Additional glucose stimulated their growth above this level, especially at the later stages of 0.5% addition, but 1% glucose may be less effective as the culture period increases. This demonstrates that a second medium can be used to culture heterotrophic cells, either as a complete medium or as a significant medium component. This method also allows heterotrophic cells to be effectively cultured indirectly on gas, thereby utilizing feedstocks and culture conditions for which they are metabolically unsuited. The invention also allows for the extraction of additional value from the products of gas fermentation beyond the original extracted biomass.
前述の明細書において、本発明は、その特定の実施形態を参照して説明されているが、当業者は、本発明がそれに限定されないことを認識するであろう。上述の発明の様々な特徴及び態様は、個別に又は共同で使用され得る。さらに、本発明は、本明細書のより広い精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されている環境及び用途を超える任意の数の環境及び用途において利用することができる。したがって、明細書及び図面は、限定的ではなく例示的であるとみなす。本明細書で使用される「含む」、「含む」、「有する」という用語は、特に、オープンエンドの技術用語として読まれることが意図されていることが認識されよう。
In the foregoing specification, the invention has been described with reference to specific embodiments thereof, but those skilled in the art will recognize that the invention is not limited thereto. The various features and aspects of the invention described above may be used individually or jointly. Moreover, the invention may be utilized in any number of environments and applications beyond those described herein without departing from the broader spirit and scope of the specification. The specification and drawings are therefore to be regarded as illustrative rather than restrictive. It will be recognized that the terms "comprises", "including" and "having" as used herein are specifically intended to be read as open-ended terms of art.
Claims (22)
化学合成独立栄養細胞を含む接種材料を前記バイオリアクター中の前記培地に接種することと、
前記培地中のバイオマスの細胞密度が閾値を満たすまで、前記バイオリアクターへのガス投入を提供することによって、前記バイオリアクター中でバイオマスを増殖させるために、化学合成独立栄養的に、接種材料を培養し、それによって、培養中に前記培地が濃縮され、濃縮培地となることと、
を含み、
前記接種材料が従属栄養細胞も含み、
前記ガス投入がCH4及びO2を含み、
前記化学合成独立栄養細胞がMethylococcus capsulatusの細胞、Cupriavidus necatorの細胞、Rhodobacter capsulatusの細胞、及びRhodococcus opacusの細胞を含む、前記濃縮培地を得る方法。 providing a medium free of organic compounds to a bioreactor;
inoculating the medium in the bioreactor with an inoculum comprising chemoautotrophic cells;
chemoautotrophically cultivating an inoculum to grow a biomass in the bioreactor by providing a gas input to the bioreactor until a cell density of the biomass in the medium meets a threshold value, thereby concentrating the medium during cultivation to become a concentrated medium;
Including,
the inoculum also comprises heterotrophic cells;
the gas input comprises CH4 and O2 ;
The method for obtaining said enriched medium, wherein said chemoautotrophic cells comprise Methylococcus capsulatus cells, Cupriavidus necator cells, Rhodobacter capsulatus cells, and Rhodococcus opacus cells.
又は5に記載の方法。 5. The method according to claim 1, wherein the inoculum comprises carbon monoxide-utilizing (carboxydotrophic) cells.
Or the method according to item 5.
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