Environmental friendliness of the production of glycosaminoglycans by biotechnological means

Abstract

Glycosaminoglycans (GAGs) are an important biomolecule with wide applications in pharmaceuticals, cosmetics, and medicine. Traditionally obtained through extraction from animal tissues, this method poses contamination risks and quality control issues. Microbial engineering, or chemical synthesis, emerges as a promising eco-friendly, controlled, and cost-effective alternative for producing GAG. Animal tissue extraction has significant environmental drawbacks due to high energy and water consumption, as well as toxic waste emissions during raw material processing. It also risks transmitting zoonotic diseases from close animal contact and tissue processing. The microbiological method ensures high product purity and quality. Unlike animal sources, biotechnological production eliminates contamination risks and allows obtaining a pure product under controlled conditions. It is less costly and more environmentally friendly than traditional extraction methods. Moreover, it aligns with the growing cruelty-free and vegan cosmetics trend, as mandated by EU Regulation No. 1223/2009 on cosmetic products. However, natural GAG producers are zoonotic pathogens grown on media with sheep's blood and brain heart infusion. Their synthesis product contains endotoxins, requiring costly additional cleaning and isolation steps. This issue is addressed by developing new non-pathogenic producer strains capable of growing on eco-friendly media. Thus, it was possible to create Bacillus subtilis 3NA, which allows obtaining 7 g/l of hyaluronic acid, using technical glycerin as a carbon source. Also, it was possible to create Pichia pastoris capable of producing heparin with a concentration of 2.08 g/l in a medium with methanolГлікозаміноглікани (GAG) є важливими біомолекулами, що знаходять широке застосування у фармацевтиці, косметології та медицині. Традиційно їх отримують шляхом екстракції з тканин тварин, проте цей метод супроводжується ризиками контамінації та труднощами у забезпеченні контролю якості. Мікробна інженерія та хімічний синтез виступають як багатообіцяючі альтернативи, що забезпечують екологічність, контрольованість процесу та економічну ефективність.

Методи екстракції з тваринних тканин мають суттєві екологічні недоліки, включно з високим споживанням енергії та води, а також утворенням токсичних відходів під час обробки сировини. Крім того, існує ризик передачі зоонозних захворювань у процесі контакту з тваринами та обробки тканин. Натомість мікробіологічні методи забезпечують високу чистоту та якість кінцевої продукції.

На відміну від джерел тваринного походження, біотехнологічне виробництво виключає ризики контамінації й дозволяє отримати чистий продукт у контрольованих умовах. Цей підхід є менш витратним і більш екологічним порівняно з традиційними методами екстракції. Крім того, він відповідає зростаючому попиту на косметику без жорстокості та веганську продукцію, як це передбачено Регламентом ЄС № 1223/2009 щодо косметичних засобів.

Проте природні продуценти GAG часто є зоонозними патогенами, які культивуються на середовищах, що містять кров вівці та настій мозку з серцем. Синтетичний продукт цих мікроорганізмів може містити ендотоксини, що вимагає додаткових дорогих етапів очищення та ізоляції. Це питання вдалося вирішити завдяки розробці нових непатогенних штамів-продуцентів, здатних рости на екологічно чистих середовищах.

Зокрема, був створений штам Bacillus subtilis 3NA, який забезпечує отримання 7 г/л гіалуронової кислоти, використовуючи технічний гліцерин як джерело вуглецю. Також розроблено штам Pichia pastoris, здатний продукувати гепарин у концентрації 2,08 г/л у середовищі з метанолом.