Bioprocess development for sustainable production of marine bacteria derived compounds

05/29/2025

A pressão selectiva em ambiente marinho favorece a produção, por bactérias, de compostos com interessante potencial comercial. Porém, a investigação em aumento de escala dos bioprocessos e em estratégias de fermentação com bactérias marinhas escasseia. Os objectivos desta tese foram, (i) o desenvolvimento de um bioprocesso utilizando uma bactéria marinha, (ii) a identificação de parâmetros-chave para atingir taxas de crescimento celular e produtividades semelhantes em várias escalas, e (iii) o desenvolvimento de estratégias de engenharia de aumento de escala para a aplicação destes novos compostos marinhos em processos industriais. Isolada de uma fonte hidrotermal de águas pouco profundas, uma Serratia rubidaea marinha, produtora de um composto vermelho, foi identificada utilizando técnicas ómicas e ensaios bioquímicos. O produto, caracterizado utilizando várias técnicas analíticas como a espetrometria de massa Qq-Timeof-Flight e NMR, foi identificado como prodigiosina, molécula com conhecida actividade contra células bacterianas, fúngicas e cancerígenas. Os estudos sobre a composição do meio e as condições operacionais para aumentar a produção de prodigiosina foram inicialmente realizados em frascos agitados, usando sistemas de alto desempenho para monitorizar a produção de biomassa e produto. Obteve-se assim um meio de crescimento melhorado e a optimização do bioprocesso. Usou-se a produção de prodigiosina como modelo no estudo do efeito de tampões em meio marinho, e como ferramenta de validação de um modelo CFD para culturas em frascos agitados. Com MES a pH 5,5 e EPPS a pH 7,0 obtiveram-se rendimentos elevados em prodigiosina A adaptação homeoviscosa das células mostrou a influenciada do pH do meio e das espécies tampão na produção de prodigiosina. Com o modelo CFD, avaliou-se a dinâmica de fluidos de um meio de cultura em frascos com e sem chicanas e as caraterísticas hidrodinâmicas do líquido em rotação foram utilizadas no estudo da condição que conduz à adesão de células e a formação de um biofilme no ponto mais alto atingido pelo líquido. Usou-se o perfil lipidico das células e a citometria de fluxo como eficientes ferramentas em linha, monitorizando-se a produção de produtos directamente das células. A análise multivariada permitiu identificara os parâmetros que afectam os rendimentos de produção em bioreactores. Copiando as condições do nicho, desenvolveram-se cinco estratégias de produção, obtendo-se numa delas 1,07 g de prodigiosina, um aumento de 313 vezes em relação ao início do desenvolvimento do bioprocesso. Globalmente, esta tese demonstra as vantagens e obstáculos no desenvolvimento de um bioprocesso utilizando bactérias marinhas. The selective pressure in the marine environment favours the production of compounds by bacteria, with interesting commercial potential. However, research in bioprocess scale-up and fermentation strategies with marine bacteria remain scarce. The objectives of this thesis were thus (i) the development of a bioprocess using a marine bacterium, (ii) the identification of key parameters to attain similar cell growth rates and productivities across scales, and (iii) the development of engineering scale-up strategies enabling the application of new marine compounds in real production systems. Isolated from a shallow water hydrothermal vent, a marine Serratia rubidaea producing a red compound was identified using phenotypic and genetic techniques and biochemical assays. The product was characterized using several analytical techniques such as Qq-Time-of-Flight mass spectrometry and NMR, and identified as prodigiosin, a molecule with known activity against bacterial, fungal and cancer cells. Studies on medium composition and operational conditions to enhance prodigiosin production were initially performed in shake flasks, using high-throughput systems to monitor biomass and product production. An improved growth medium and optimization of the bioprocess conditions were achieved. Prodigiosin production was used as model system to study the effect of buffer species in marine medium, and as a validation tool for a CFD model for shake flask cultures. MES at pH 5.5, and EPPS at pH 7.0, allowed the highest yields. Homeoviscous adaptation of the cells showed that both medium pH and buffer species influenced prodigiosin production. With the CFD model, the fluid dynamics of a culture medium in baffled and unbaffled geometries was evaluated and, the hydrodynamic characteristics of the revolving liquid were used to explain the condition leading to cell adhesion and biofilm formation at the highest point reached by the liquid. The lipid profile of the cells and flow cytometry were used as efficient at-line tools, to monitor directly cell condition and product production. Multivariate analysis identified which parameters affected yields in bioreactors. By mimicking niche conditions, five strategies were developed, with one allowing for a production of 1.07 g of prodigiosin, a 313-fold increase from the start of bioprocess development. Overall, this thesis demonstrates the advantages and hurdles in developing a bioprocess using marine bacteria.

Authors in the community:

• 

  R

  Ricardo Manuel Ferreira dos Santos Pereira

  ist24967

Supervisors of this institution:

• 

  C

  Carla da Conceição Caramujo Rocha de Carvalho

  ist30853

101622139

Doutoramento em Biotecnologia e Biociências

biological-sciences - Biological sciences

Keywords

• Serratia rubidaea
• Prodigiosin
• Fatty acids
• Bioprocess development
• Scale-up
• Prodigiosina
• Ácidos gordos
• Desenvolvimento de bioprocessos
• Aumento de escala

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Horizon 2020

Title of the project, award or grant: FuturEnzyme

Funding Stream: Horizon 2020 Research and Innovation Programme

Number for the project, award or grant: 101000327

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Funding Stream: Research Unit iBB—Institute for Bioengineering and Biosciences

Number for the project, award or grant: UIDB/04565/2020 ; UIDP/04565/2020