Кератинолитический потенциал микромицета Aspergillus clavatus ВКПМ F-1593 и сравнение его ферментов с коммерческим препаратом кератиназы

Кератинсодержащие отходы (перья, щетина) составляют большую часть всех отходов животноводства – быстроразвивающейся отрасли сельского хозяйства, увеличивающей объем продукции ежегодно. Развитие методов экологически чистой переработки таких отходов с получением ценных ресурсов (аминокислот и олигопептидов) – важная задача современной науки, в том числе биотехнологии. Одним из путей утилизации отходов животноводства, отвечающим современным тенденциям развития зеленой экономики, является использование микроорганизмов и их ферментов. Была изучена возможность получения кератинолитических ферментов Aspergillus clavatus ВКПМ F-1593 в глубинных условиях с различными источниками азота и углерода, в том числе при росте продуцента на отходах животноводства. Наибольшая целевая активность (96,1 Е) достигалась при использовании смешанных источников углерода и азота: неорганического – нитрата натрия, легкоусвояемого органического – гидролизата рыбной муки и труднодоступного органического – перемолотого куриного пера. Варьирование содержания различных субстратов в составе ферментационных сред позволило не только регулировать уровень протеолитической активности, но и достигать пика активности продуцента на разные сутки культивирования. Проведено сравнение удельной активности кератиназы A. clavatus ВКПМ F-1593 (pI 9,3) по отношению к различным белковым субстратам с активностью коммерческого препарата протеиназы К. Оба фермента показали схожий уровень активности по отношению к большинству использованных субстратов. Однако протеаза A. clavatus ВКПМ F-1593, как оказалось, обладает большей общей протеолитической активностью, что подтверждает перспективность этой культуры для биодеградации отходов животноводства

1. Safaric R., Fras Zemljic L., Novak M., Dugonik B., Bratina B., Gubeljak N., Bolka S., Strnad S. Preparation and characterisation of waste poultry feathers composite fibreboards. Materials. 2020;13(21):4964.

2. Nnolim N.E., Udenigwe C.C., Okoh A.I., Nwodo U.U. Microbial keratinase: next generation green catalyst and prospective applications. Front. Microbiol. 2020;11:580164.

3. Chen H., Gao S., Li Y., Xu H.J., Li W., Wang J., Zhang Y. Valorization of livestock keratin waste: application in agricultural fields. Int. J. Environ. Res. Public. Health. 2022;19(11):6681.

4. de Menezes C.L.A., Santos R.D.C., Santos M.V., Boscolo M., da Silva R., Gomes E., da Silva R.R. Industrial sustainability of microbial keratinases: production and potential applications. World J. Microbiol. Biotechnol. 2021;37(5):86.

5. Sypka M., Jodłowska I., Białkowska A.M. Keratinases as versatile enzymatic tools for sustainable development. Biomolecules. 2021;11(12):1900.

6. Tamreihao K., Mukherjee S., Khunjamayum R., Devi L.J., Asem R.S., Ningthoujam D.S. Feather degradation by keratinolytic bacteria and biofertilizing potential for sustainable agricultural production. J. Basic Microbiol. 2019;59(1):4–13.

7. Gong J.S., Ye J.P., Tao L.Y., Su C., Qin J., Zhang Y.Y., Li H., Li H., Xu Z.H., Shi J.S. Efficient keratinase expression via promoter engineering strategies for degradation of feather wastes. Enzyme Microb. Technol. 2020;137:109550.

8. Li Q. Structure, application, and biochemistry of microbial keratinases. Front. Microbiol. 2021;12:674345.

9. Liaqat I., Ali S., Butt A., Durrani A.I., Zafar U., Saleem S., Naseem S., Ahsan F. Purification and characterization of keratinase from Bacillus licheniformis dcs1 for poultry waste processing. J. Oleo Sci. 2022;71(5):693–700.

10. Wang Z., Chen Y., Yan M., Li K., Okoye C.O., Fang Z., Ni Z., Chen H. Research progress on the degradation mechanism and modification of keratinase. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2023;107(4):1003–1017.

11. Gupta R., Rajput R., Sharma R., Gupta N. Biotechnological applications and prospective market of microbial keratinases. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2013;97(23):9931–9940.

12. Shestakova A., Lyamina V., Timorshina S., Osmolovskiy A. Patented keratinolytic enzymes for industrial application: an overview. Recent Pat. Biotechnol. 2023;17(4):346–363.

13. Kushnirov V.V., Dergalev A.A., Alexandrov A.I. Proteinase K resistant cores of prions and amyloids. Prion. 2020;14(1):11–19.

14. Brilhante R.S.N., Lopes R.G.P., de Aguiar L., de Oliveira J.S., Araújo G.D.S., Paixão G.C., Pereira-Neto W.A., Freire R.S., Nunes J.V.S., de Lima R.P., Santos F.A., Sidrim J.J.C., Rocha M.F.G. Inhibitory effect of proteinase K against dermatophyte biofilms: an alternative for increasing the antifungal effects of terbinafine and griseofulvin. Biofouling. 2022;38(3):286–297.

15. De Souza P.M., Bittencourt M.L., Caprara C.C. A biotechnology perspective of fungal proteases. Braz. J. Microbiol. 2015;46(2):337–346.

16. Alwakeel S.S., Ameen F., Al Gwaiz H., Sonbol H., Alghamdi S., Moharram A.M., Al-Bedak O.A. Keratinases produced by Aspergillus stelliformis, Aspergillus sydowii, and Fusarium brachygibbosum isolated from human hair: yield and activity. J. Fungi. 2021;7(6):471.

17. Qiu J., Barrett K., Wilkens C., Meyer A.S. Bioinformatics based discovery of new keratinases in protease family M36. N. Biotechnol. 2022;68:19–27.

18. Timorshina S., Popova E., Kreyer V., Baranova N., Osmolovskiy A. Keratinolytic properties of Aspergillus clavatus promising for biodegradation. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022;19(21):13939.

19. Тиморшина С.Н., Осмоловский А.А., Александрова А.В. Штамм Aspergillus clavatus – продуцент протеолитических ферментов с кератинолитической активностью. Патент РФ № 2774366. Дата выдачи: 17.06.2022.

20. Osmolovskiy A.A., Popova E.A., Kreyer V.G., Baranova N.A., Egorov N.S. Fibrinolytic and collagenolytic activity of extracellular proteinases of the strains of micromycetes Aspergillus ochraceus l-1 and Aspergillus ustus 1. Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2016;71(1):62–66.

21. Timorshina S.N., Popova E.A., Galiakberova A.A., Ochneva A.G., Osmolovskiy A.A. Aspergillus proteolytic enzymes hydrolyzing fibrillar proteins for biomedicine and biotechnological processes. Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2022;77(3):178–183.