Activity of glucose-fructose oxidoreductase in fresh and permeabilised cells of Zymomonas mobilis grown in different glucose concentrations

ABSTRACT

Previously grown cells of the ethanologenic bacterium Zymomonas mobilis produce sorbitol and gluconic acid, in reactions catalysed by the periplasmic enzymes glucose-fructose oxidoreductase (GFOR) and glucono-delta-lactonase (GL). The GFOR/GL system activity, in cells to be used in this bioconversion, depends on growth conditions. In batch runs, with initial glucose concentrations (S0) from 42 to 230 g/L, the highest specific and total GFOR/GL activities were obtained with S0 = 153 g/L (12.6 U/g cells and 62 U/L). Higher S0 led to decreasing activities in fresh cells. With S0 = 209 g/L, the final specific activity was only 7.0 U/g. After disruption of cells, however, an activity over 15 U/g was revealed. Since growth inhibition with S0 over 153 g/L was observed in batch mode, fed-batch runs, equivalent to a batch of 230 g/L, were done. Although no growth inhibition occurred in fed-batch cultivation, enzyme activity remained low (5.2 U/g). A further fed-batch experiment, carried out under low pressure to remove ethanol from the medium, resulted in a specific activity of 9.8 U/g and a total activity of 68.7 U/L. These results indicate that the low GFOR/GL activities in Z. mobilis cells grown on higher S0 were due to changes in the cell wall, caused by high concentration of ethanol, that hindered the transport of the substrate to the intracellular enzymes in biconversion runs. This conclusion was confirmed by bioconversion runs with cells cultivated under different conditions.

RESUMO

Sorbitol e ácido glucônico são produzidos por células previamente cultivadas da bactéria produtora de etanol Zymomonas mobilis pela ação das enzimas periplasmáticas glicose-frutose oxidorredutase (GFOR) e glucono-delta-lactonase (GL). A atividade de GFOR/GL em células a serem empregadas nesta bioconversão depende das condições de crescimento. Em cultivo em regime descontínuo, com concentrações iniciais de glicose (S0) entre 42 e 230 g/L, as maiores atividades específica e total de GFOR/GL foram obtidas com S0 = 153 g/L (12,6 U/g de células e 62 U/L), enquanto maiores S0 levaram a atividades decrescentes em células não tratadas. Com S0 = 209 g/L, a atividade específica final foi de 7 U/g, mas, após a ruptura das células, atividade superior a 15 U/g foi medida. Uma vez que em descontínuo observou-se inibição por substrato com S0 a partir de 153 g/L, ensaios em regime descontínuo alimentado, com glicose equivalente a 230 g/L em descontínuo, foram realizados. Embora a inibição pelo substrato tenha sido superada, a atividade permaneceu baixa (5,2 U/g). Um novo ensaio em descontínuo alimentado, conduzido sob baixa pressão para remover o etanol do meio, resultou em atividade específica de 9,8 U/g e total de 68,7 U/L. Estes resultados indicam que as baixas atividades em células de Z. mobilis cultivadas com maiores S0 se deveram a mudanças na parede celular, provocadas por concentrações elevadas de etanol, que dificultaram o transporte de substrato para as enzimas intracelulares durante a bioconversão. Esta conclusão foi confirmada em ensaios de bioconversão com células provenientes de cultivos em diferentes condições.