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Developments in the use of Bacillus species for industrial production

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Abstract:

Bacillus species continue to be dominant bacterial workhorses in microbial fermentations. Bacillus subtilis (natto) is the key microbial participant in the ongoing production of the soya-based traditional natto fermentation, and some Bacillus species are on the Food and Drug Administration's GRAS (generally regarded as safe) list. The capacity of selected Bacillus strains to produce and secrete large quantities (20–25 g/L) of extracellular enzymes has placed them among the most important industrial enzyme producers. The ability of different species to ferment in the acid, neutral, and alkaline pH ranges, combined with the presence of thermophiles in the genus, has lead to the development of a variety of new commercial enzyme products with the desired temperature, pH activity, and stability properties to address a variety of specific applications. Classical mutation and (or) selection techniques, together with advanced cloning and protein engineering strategies, have been exploited to develop these products. Efforts to produce and secrete high yields of foreign recombinant proteins in Bacillus hosts initially appeared to be hampered by the degradation of the products by the host proteases. Recent studies have revealed that the slow folding of heterologous proteins at the membrane – cell wall interface of Gram-positive bacteria renders them vulnerable to attack by wall-associated proteases. In addition, the presence of thiol-disulphide oxidoreductases in B. subtilis may be beneficial in the secretion of disulphide-bond-containing proteins. Such developments from our understanding of the complex protein translocation machinery of Gram-positive bacteria should allow the resolution of current secretion challenges and make Bacillus species preeminent hosts for heterologous protein production. Bacillus strains have also been developed and engineered as industrial producers of nucleotides, the vitamin riboflavin, the flavor agent ribose, and the supplement poly--glutamic acid. With the recent characterization of the genome of B. subtilis 168 and of some related strains, Bacillus species are poised to become the preferred hosts for the production of many new and improved products as we move through the genomic and proteomic era.Key words: Bacillus, fermentation, enzymes, insecticides, vitamins, antibiotics, D-ribose.

Les espèces de Bacillus sont encore et toujours les usines bactériennes dominantes dans les fermentations microbiennes. Bacillus subtilis (natto) est un participant microbien clé de la production actuelle de la fermentation traditionnelle du soya et certaines espèces de Bacillus sont sur la liste 'GRAS' (considéré généralement comme sûr) de la FDA. La capacité de souches sélectionnées de Bacillus à produire et sécréter de grandes quantités (20–25 g/L) d'enzymes extracellulaires l'a positionnée comme l'un des plus importants producteur d'enzymes industriels. L'aptitude qu'ont différentes espèces à fermenter dans les zones de pH acide, neutre et alcalin, de concert avec la présence de thermophiles chez ce genre, ont mené à la conception d'une foule de nouveau produits enzymatiques commerciaux ayant l'activité à température et à pH désirés de même que des propriétés de stabilité qui leurs permettent de se prêter à une variété d'usages spécifiques. Les techniques classiques de mutation et (ou) sélection, en conjonction avec des stratégies de pointe en clonage et en génie des protéines, ont été exploitées afin de développer ces produits. Les efforts initiaux dans le but de produire et de sécréter à haut rendement des protéines recombinantes étrangères chez des hôtes Bacillus ont été freinés par la dégradation des produits par les protéases de l'hôte. Des études récentes ont révélé que le lent repliement de protéines hétérologues à l'interface membrane-paroi cellulaire des bactéries Gram-positives les rend vulnérables à une attaque par les protéases associées à la paroi. De plus, la présence de thiol-disulfure oxydoréductases chez B. subtilis pourrait favoriser la sécrétion de protéines contenants des ponts disulfure. De tels progrès dans notre compréhension de la machinerie complexe de translocation des protéines des bactéries Gram-positives devrait nous permettre de relever les défis actuels en rapport à la sécrétion et de faire des espèces de Bacillus des hôtes de premier plan dans la production de protéines hétérologues. Des souches de Bacillus ont également été conçues et façonnées pour devenir des producteurs industriels de nucléotides, de la vitamine riboflavine, de l'agent aromatique ribose et du supplément acide poly--glutamique. Avec la caractérisation récente du génome de B. subtilis 168 et de certaines souches apparentées, les espèces de Bacillus sont destinées à devenir les hôtes privilégiés pour la production de plusieurs produits nouveaux ou améliorés, au fur et à mesure que nous progresserons au travers de l'ère de la génomique et de la protéomique.Mots clés : Bacillus, fermentation, enzymes, insecticides, vitamines, antibiotiques, D-ribose.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: January 1, 2004

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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