Оптимизация микробного синтеза витамина В₁₂ Propionibacterium

Актуальность. Витамин В₁₂ (кобаламин) является жизненно важным биологически активным соединением, участвующим в регуляции клеточного метаболизма, кроветворении и функционировании нервной системы. Его дефицит приводит к тяжелым метаболическим и неврологическим нарушениям. Промышленное получение витамина В₁₂ преимущественно осуществляется микробиологическим методом, поскольку химический синтез кобаламина является технологически сложным и экономически нецелесообразным. Среди микроорганизмов-продуцентов особый интерес представляют пропионовокислые бактерии рода Propionibacterium, характеризующиеся высокой биосинтетической активностью. При этом параметры культивирования существенно влияют на выход целевого продукта, что определяет актуальность оптимизации условий биосинтеза.

Методы. Объектом исследования служили заквасочные культуры двух видов. Культивирование проводили в анаэробных условиях на жидкой питательной среде с лактозой, дрожжевым экстрактом и пептоном. Физиологическое состояние культур оценивали микроскопически и по динамике удельной скорости роста. Варьировали температуру (25, 30 и 35 °С) и продолжительность инкубации (12, 16 и 20 ч). Содержание витамина В₁₂ определяли спектрофотометрически при 361 нм. Дополнительно изучали влияние хлорида кобальта. Эксперименты проводили в трехкратной повторности.

Результаты. Максимальный выход витамина В₁₂ (до 897 мкг/мл) достигался при температуре 35 °С и времени культивирования 16 ч. Оптимизация условий позволила повысить выход кобаламина более чем на 40%. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и масштабировании биотехнологических процессов.

1. Волобуева Е.С., Анискина М.В., Петенко А.И., Волкова С.А. Особенности культивирования штамма Propionibacterium shermanii. Научный журнал КубГАУ. 2015; 114: 1156–1169.EDN VHFLYV

2. Raux E., Schubert H.L., Warren M.J. Biosynthesis of cobalamin (vitamin В12): a bacterial conundrum. Cellular and Molecular Life Sciences. 2000; 57(13–14): 1880–1893.https://doi.org/10.1007/PL00000670

3. Милентьева И.С., Козлова О.В., Еремеева Н.И. Исследование пробиотических свойств бактерий рода Propionibacterium. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Пищевые и биотехнологии». 2021; 9(2): 83–92.EDN IIFQHD

4. Волкова Г.С., Толокнова А.А., Куксова Е.В., Серба Е.М. Создание ассоциации пропионовокислых бактерий для производства продукции, обогащенной витамином В12. Пищевая промышленность. 2025; (7): 90–94.https://doi.org/10.52653/PPI.2025.7.7.018

5. Сахибгараева Л.Ф., Марахова А.И., Смагулова Д.К., Станишевская И.Е. Характеристика витамина В12 и основные продуценты при его получении. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2015; (3): 104–107.EDN VVANYZ

6. Хапалюк А.В. Витамин В12: биологическое значение, патогенетические механизмы и клинические проявления недостаточности. Лечебное дело. 2019; (4): 17–23.EDN RFSNWN

7. Fang H., Kang J., Zhang D. Microbial production of vitamin В12: review and future perspectives. Microbial Cell Factories. 2017; 16: 15.https://doi.org/10.1186/s12934-017-0631-y

8. Sampaolesi S., Briand L.E., De Antoni G., León Peláez A. The synthesis of soluble and volatile bioactive compounds by selected brewer’s yeasts: Antagonistic effect against enteropathogenic bacteria and food spoiler — toxigenic Aspergillus sp. Food Chemistry: X. 2021; 13: 100193.https://doi.org/10.1016/j.fochx.2021.100193

9. Calvillo A., Pellicer T., Carnicer M., Planas A. Bioprocess Strategies for Vitamin В12 Production by Microbial Fermentation and Its Market Applications. Bioengineering. 2022; 9(8): 365.https://doi.org/10.3390/bioengineering9080365

10. Calvillo Á., Pellicer T., Carnicer M., Planas A. Developing a singlestage continuous process strategy for vitamin В12 production with Propionibacterium freudenreichii. Microbial Cell Factories. 2023; 22: 26.https://doi.org/10.1186/s12934-023-02029-x

11. Abdel-Baki R.M.M., Ahmed M.N., Barakat O.S., Khalafalla G.M. Enhanced vitamin В12 production by isolated Bacillus strains with the application of response surface methodology. BMC Biotechnology. 2024; 24: 90.https://doi.org/10.1186/s12896-024-00919-5

12. Dudko D., Milker S., Holtmann D., Buchhaupt M. Identification of vitamin В12 producing bacteria based on the presence of bluB/cobT2 homologues. Biotechnology Letters. 2023; 45(4): 563–572.https://doi.org/10.1007/s10529-023-03362-2

13. Xia W., Chen W., Peng W.-f., Li K.-t. Industrial vitamin В12 production by Pseudomonas denitrificans using maltose syrup and corn steep liquor as the cost-effective fermentation substrates. Bioprocess and Biosystems Engineering. 2015; 38(6): 1065–1073.https://doi.org/10.1007/s00449-014-1348-5

14. Gomes Soares M., Bevilaqua G.C., Marcondes Tassi É.M., Reolon Schmidt V.C. Fermented foods and beverages: a potential in situ vitamin В12 biofortification — a literature review. International Journal of Food Sciences and Nutrition. 2023; 74(6): 655–667.https://doi.org/10.1080/09637486.2023.2248422

15. Moore S.J. et al. Elucidation of the anaerobic pathway for the corrin component of cobalamin (vitamin В12 ). Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013; 110(37): 14906–14911.https://doi.org/10.1073/pnas.1308098110

16. Zhang R. et al. Oxygen determines the requirement for cobalamin but not riboflavin in the growth of Propionibacterium freudenreichii. Scientific Reports. 2025; 15: 27679.https://doi.org/10.1038/s41598-025-12983-8

17. Zhou J. et al. VB12Path for Accurate Metagenomic Profiling of Microbially Driven Cobalamin Synthesis Pathways. mSystems. 2021; 6(3): e0049721.https://doi.org/10.1128/mSystems.00497-21

18. Woodson J.D., Zayas C.L., Escalante-Semerena J.C. A New Pathway for Salvaging the Coenzyme B12 Precursor Cobinamide in Archaea Requires Cobinamide-Phosphate Synthase (CbiB) Enzyme Activity. Journal of Bacteriology. 2003; 185(24): 7193‒7201.https://doi.org/10.1128/jb.185.24.7193-7201.2003

19. Yang Y., Tsui H.-C.T., Man T.-K., Winkler M.E. Identification and Function of the pdxY Gene, Which Encodes a Novel Pyridoxal Kinase Involved in the Salvage Pathway of Pyridoxal 5′-Phosphate Biosynthesis in Escherichia coli K-12. Journal of Bacteriology. 1998; 180(7): 1814‒1821.https://doi.org/10.1128/jb.180.7.1814-1821.1998

20. Woodson J.D., Reynolds A.A., Escalante-Semerena J.C. ABC transporter for corrinoids in Halobacterium sp. strain NRC-1. Journal of Bacteriology. 2005; 187(17): 5901‒5909.https://doi.org/10.1128/jb.187.17.5901-5909.2005

21. Kanehisa M., Goto S. KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. Nucleic Acids Research. 2000; 28(1): 27‒30.https://doi.org/10.1093/nar/28.1.27

22. Rebezov M.B. Application of mathematical modeling methods in the design of fermented milk products. Вестник Инновационного Евразийского университета. 2024; (3): 61‒69.EDN LOPCTH

23. Rebezov M.B., Temerbayeva M.V., Uryumtseva T.I. Results of mathematical analysis of experimental data fermentation of skimmed milk to produce a fermented milk product. Вестник Инновационного Евразийского университета. 2022; (3): 65‒71.EDN WONJPW

24. Morris J.A., Lickey B.S., Liptak M.D. Insertion of cobalt into tetrapyrroles. Vitamins and Hormones. 2022; 119: 1‒22.https://doi.org/10.1016/bs.vh.2022.01.013

25. Zhang Y., Li X., Wang Z., Wang Y., Ma Y., Su Z. Metabolic Flux Analysis of Simultaneous Production of Vitamin В12 and Propionic Acid in a Coupled Fermentation Process by Propionibacterium freudenreichiii. Applied Biochemistry and Biotechnology. 2021; 193(10): 3045‒3061.https://doi.org/10.1007/s12010-021-03584-y

26. Balabanova L., Averianova L., Marchenok M., Son O., Tekutyeva L. Microbial and Genetic Resources for Cobalamin (Vitamin В12 ) Biosynthesis: From Ecosystems to Industrial Biotechnology. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22(9): 4522.https://doi.org/10.3390/ijms22094522