استرپتوكوكوس ترموفيلوس مهندسي شده براي سنتز وانيلين طبيعي و كاربرد آن در صنعت غذا

Engineered Strptococcus thermophilus for Natural Vanillin Production and Its Application in Food Industry

مقدمه: افزايش تقاضا در مصرف فرآورده هاي غذايي طبيعي ضرورت استفاده از ميكروارگانيسم ها بعنوان كاتاليست‌هاي طبيعي ايمن را در سنتز وانيلين طبيعي از سوبستراهاي پروپنيل بنزني بيان مي‌كند.وانيلين با توجه به خواص ضدميكروبي و آنتي اكسيداني بعنوان نگهدارنده و چاشني در صنايع غذايي كاربرد دارد. هدف از اين پژوهش، طراحي و ساخت باكتري پروبيوتيك نوتركيب استرپتوكوكوس ترموفيلوس و استفاده از آن بعنوان كاتاليست در تبديل اسيد فروليك به وانيلين طبيعي بود. مواد و روش‌ها: ژن‌هاي ساختاري fcs (فرولويل كوآنزيم A سنتتاز) و ech (انويل كوآنزيم A هيدراتاز/آلدولاز) با استفاده از مهندسي ژنتيك كلون سازي و بيان شد. پلاسميد نوتركيب pNZ8048-T5/ech/fcs به استرپتوكوكوس ترموفيلوس به عنوان ميزبان جهت سنتز وانيلين طبيعي نوتركيب از اسيد فروليك ترانسفورم و بوسيله تكنيك‌هاي هضم دو آنزيمي، Nested PCR، Colony PCR و تعيين توالي تاييد شد. از تكنيك كروماتوگرافي مايع با عملكرد بالا براي بررسي سطح بيان ژن‌هاي كلون شده استفاده شد. يافته‌ها: پلاسميد نوتركيب طراحي شده اين امكان را فراهم ساخت كه دو ژن fcs و ech در وكتور بياني pNZ8048 تحت كنترل پروموتور فاژي T5 در سيستم ميزباني استرپتوكوكوس ترموفيلوس بطور موفقيت آميز بيان گردد. براساس نتايج بدست آمده، باكتري نوتركيب استرپتوكوكوس ترموفيلوس قادر به تبديل اسيد فروليك به وانيلين با راندمان مولي 62 درصد پس از 12 ساعت واكنش و وانيليل الكل با راندمان مولي 18درصد، پس از 16 ساعت واكنش زيست تبديلي بود. نتيجه گيري: مطالعه اخير نخستين گزارش از كاربرد استرپتوكوكوس ترموفيلوس در توليد وانيلين محسوب مي‌شود. با توجه به جايگاه و اهميت اقتصادي باكتري‌هاي مولد اسيد لاكتيك (ايمن بودن آنها و امكان كاربرد مستقيم در صنايع غذايي) نتايج حاصل از اين مطالعه را مي توان بعنوان پايه اي براي توليد فرآورده‌هاي غذايي طبيعي در باكتري‌هاي پروبيوتيك مهندسي شده استفاده نمود.

Introduction: Increased demand for organic food products has made the application of microorganisms as natural catalysts for the synthesis of natural vanillin from propenylbenzene. Due to the antimicrobial capability and antioxidant activity of vanillin, it can be used as a food preservative and flavoring agent in food industries. The object of this project is to design and construct recombinant Strptococcus thermophilus that can be employed as a catalyst for bioconversion of ferulic acid into natural vanillin. Materials and Methods: Structural fcs (feruloyl-CoA synthetase) and ech (enoyl-CoA hydratase/aldolase) genes were cloned and expressed. Recombinant plasmid pNZ8048- T5/ech/fcs was transformed into S. thermophilus for production of vanillin from ferulic acid and confirmed by double digestion, nested PCR and sequencing. Gene expression levels were evaluated by High-Performance Liquid Chromatography (HPLC). Results: Designed recombinant plasmid makes it possible to use the fcs and ech genes as a source of cloning in the expression vector pNZ8048 under the control of phage T5 promoter in S. thermophilus host system, successfully cloned and expressed. The results indicated that the optimal molar conversion of vanillin (62%) and vanillyl alcohol (18%) was obtained after 12 hours and 16 hours, respectively using recombinant S. thermophilus. Conclusion: The present study provides the first evidence for the synthesis of recombinant vanillin from ferulic acid by S. thermophilus. Given the economic importance of lactic acid bacteria that are Generally Recognized as Safe (GRAS) status and their practical application in the food industries, the results can be used as a base in the production of food-safety products in recombinant probiotics.