DOI: https://doi.org/10.24959/ubphj.19.212

Hyaluronic acid: biosynthesis and application

I. V. Lych, A. O. Uhryn, I. M. Voloshina

Abstract


Topicality. Hyaluronic acid with its antimicrobial and antiviral properties has found applications in medicine and cosmetics. Due to the high molecular weight, it prolongs the action of the active pharmaceutical components. The application spectrum of hyaluronic acid and hyaluronic acid-based products is increasing permanently. Therefore, new microbial producers of hyaluronic acid and new technologies for its biosynthesis are intensively developed. 

Aim. To compile integration of the advances in producers selection, and advances in the development of technologies and the hyaluronic acid applications.

Results and discussion. The strains from the genera Streptococcus and Pasteurella are the main bacterial producers of hyaluronic acid. However, they are able to synthesize hyaluronic acid in concentrations lower than 7 g/l after 120 hours of cultivation and their use limited by potential pathogenic properties. To improve technological parameters of biosynthesis, new genetically modified strains of Lactococcus lactis, Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, and Pichia pastoris were constructed. The highest yield of hyaluronic acid, 8.3 g/l , is observed during the cultivation of C. glutamicum for 48 hours.

Conclusions. Searching and construction of new hyaluronic acid producers and  biotechnological improving when cultivated are the major points in the development of hyaluronic acid production for pharmaceuticals and cosmetic applications.


Keywords


hyaluronic acid; biopolymers; microbial synthesis; medicine; cosmetology; optimization of biosynthesis

References


Romanò, C. L., De Vecchi, E., Bortolin, M., Morelli, I., & Drago, L. (2017). Hyaluronic Acid and Its Composites as a Local Antimicrobial/Antiadhesive Barrier. Journal of Bone and Joint Infection, 2(1), 63–72.https://doi.org/10.7150/jbji.17705

Sze, J. H., Brownlie, J. C., & Love, C. A. (2016). Biotechnological production of hyaluronic acid: a mini review. 3 Biotech, 6(1).https://doi.org/10.1007/s13205-016-0379-9

Neuman, M. G., Nanau, R. M., Oruña-Sanchez, L., Coto, G. (2015). Hyaluronic acid and wound healing. J. Pharm. Pharm. Sci, 18( 1), 53–60.

Liu, L., Liu, Y., Li, J., Du, G., & Chen, J. (2011). Microbial production of hyaluronic acid: current state, challenges, and perspectives. Microbial Cell Factories, 10(1), 99. https://doi.org/10.1186/1475-2859-10-99

Oe, M., Mitsugi, K., Odanaka, W., Yoshida, H., Matsuoka, R., Seino, S., … Masuda, Y. (2014). Dietary Hyaluronic Acid Migrates into the Skin of Rats. The Scientific World Journal, 2014, 1–8. https://doi.org/10.1155/2014/378024

De Oliveira, J. D., Carvalho, L. S., Gomes, A. M. V., Queiroz, L. R., Magalhães, B. S., & Parachin, N. S. (2016). Genetic basis for hyper production of hyaluronic acid in natural and engineered microorganisms. Microbial Cell Factories, 15(1). https://doi.org/10.1186/s12934-016-0517-4

Pires, A. M. B., Eguchi, S. Y., & Santana, M. H. A. (2010). The Influence of Mineral Ions on the Microbial Production and Molecular Weight of Hyaluronic Acid. Applied Biochemistry and Biotechnology, 162(8), 2125–2135.https://doi.org/10.1007/s12010-010-8987-z

Pires, A. M. B., Macedo, A. C., Eguchi, S. Y., & Santana, M. H. A. (2010). Microbial production of hyaluronic acid from agricultural resource derivatives. Bioresource Technology, 101(16), 6506–6509. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.03.074 .

Oliveira, A. H., Ogrodowski, C. C., Macedo, A. C. de, Santana, M. H. A., & Gonçalves, L. R. B. (2013). Cashew apple juice as microbial cultivation medium for non-immunogenic hyaluronic acid production. Brazilian Journal of Microbiology, 44(4), 1097–1104. https://doi.org/10.1590/s1517-83822014005000017

Pan, N. C., Pereira, H. C. B., da Silva, M. de L. C., Vasconcelos, A. F. D., & Celligoi, M. A. P. C. (2016). Improvement Production of Hyaluronic Acid by Streptococcus zooepidemicus in Sugarcane Molasses. Applied Biochemistry and Biotechnology, 182(1), 276–293. https://doi.org/10.1007/s12010-016-2326-y .

Pan, N. C., Vignoli, J. A., Baldo, C., Pereira, H. C. B., Silva, R. S. S. F., Celligoi, M. A.P.C. (2015). Agroindustrial byproducts for the production of hyaluronic acid by Streptococcus zooepidemicus ATCC 39920. International J. Scien Technol. Res, 4 (4), 114–118.

Lych, I., Voloshina, I., Peklo, A. (2013). Liposomes as a remedy of targeted drug delivery. Ukrainian Food Journal, 3( 2), 374–383.

Vázquez, J., Pastrana, L., Piñeiro, C., Teixeira, J., Pérez-Martín, R., & Amado, I. (2015). Production of Hyaluronic Acid by Streptococcus zooepidemicus on Protein Substrates Obtained from Scyliorhinus canicula Discards. Marine Drugs, 13(10), 6537–6549. https://doi.org/10.3390/md13106537

Prasad, S. B., Ramachandran, K. B., & Jayaraman, G. (2012). Transcription analysis of hyaluronan biosynthesis genes in Streptococcus zooepidemicus and metabolically engineered Lactococcus lactis. Applied Microbiology and Biotechnology, 94(6), 1593–1607. https://doi.org/10.1007/s00253-012-3944-0

Nešvera, J., & Pátek, M. (2011). Tools for genetic manipulations in Corynebacterium glutamicum and their applications. Applied Microbiology and Biotechnology, 90(5), 1641–1654. https://doi.org/10.1007/s00253-011-3272-9

Cheng, F., Gong, Q., Yu, H., & Stephanopoulos, G. (2016). High-titer biosynthesis of hyaluronic acid by recombinantCorynebacterium glutamicum. Biotechnology Journal, 11(4), 574–584. https://doi.org/10.1002/biot.201500404

Jeong, E., Shim, W. Y., & Kim, J. H. (2014). Metabolic engineering of Pichia pastoris for production of hyaluronic acid with high molecular weight. Journal of Biotechnology, 185, 28–36. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2014.05.018

Salwowska, N. M., Bebenek, K. A., Żądło, D. A., & Wcisło-Dziadecka, D. L. (2016). Physiochemical properties and application of hyaluronic acid: a systematic review. Journal of Cosmetic Dermatology, 15(4), 520–526. https://doi.org/10.1111/jocd.12237

Huang, G., & Huang, H. (2018). Application of hyaluronic acid as carriers in drug delivery. Drug Delivery, 25(1), 766–772. https://doi.org/10.1080/10717544.2018.1450910

Lukyanenko, T. V. (2011). Optimization of conditions the cultivation for hyaluronidase roduction by Streptococcus pyogenes. Annals of Mechnikov Institute, 2, 14–19. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ ami_2011_2_5

Sokolov, Yu. V. (2008). Rozrobka ta standartizacіya substancії ta lіkars'koї formi gіaluronіdazi, otrimanoї z Staphylococcus aureus № 318.Candidate’s thesis. Kharkіv, 154.

Zajchenko, G. V., Gorchakova, N. O., Striga, O. A., Yakovlva, N. Yu., Ruban, O. І. (2017). Vіsnik problem bіologії ta medicini, 1(135), 33–42. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Vpbm_2017_1_6.

Volovar, O. S., Malanchuk, V. O. (2014). Novyny stomatolohii, 2, 76–81. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Ns_2014_2_18.

Kostrub, O. O., Zasadniuk, A. І., Zaiets, V. B., Manzhalii, V. V. (2010). Zdorov’ia Ukrainy, 32–33.

Rubel, M. O., Voloshyna, I. M. (2014). Naukovi pratsi Natsionalnoho universytetu kharchovykh, 2(20), 23–29.

Stakhovskyi, E. O., Chepurnatyi, M. V.(2015). Zdorov’ia Ukrainy, 3, 6–7.

Riedl, C. R., Engelhardt, P. F., Daha, K. L., Morakis, N., & Pflüger, H. (2007). Hyaluronan treatment of interstitial cystitis/painful bladder syndrome. International Urogynecology Journal, 19(5), 717–721. https://doi.org/10.1007/s00192-007-0515-5

Lych, I. V., Doroshko, Yu. M., Borodina, O. O., Shulzhenko, V. S. (2017). Naukovi pratsi Natsionalnoho universytetu kharchovykh tekhnolohii, 23 (1), 66–74.

Shkotova, L. V., Woloshina, I. M., Kovalchuk, V. V., Zhybak, M. T., & Dzyadevych, S. V. (2018). Amperometric glucose biosensor with the IrNPs/Ludox – modified enzyme matrix. Biopolymers and Cell, 34(5), 367–373. https://doi.org/10.7124/bc.000984

Bardova, K. O., Bardov, P. V., Koliadenko, V. H. (2004). Ukrainskyi zhurnal dermatolohii, venerolohii, kosmetolohii, 4, 56–60.

Stellavato, A., Corsuto, L., D’Agostino, A., La Gatta, A., Diana, P., Bernini, P., … Schiraldi, C. (2016). Hyaluronan Hybrid Cooperative Complexes as a Novel Frontier for Cellular Bioprocesses Re-Activation. PLOS ONE, 11(10). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0163510 .

Eroshkin, E., Lata, Ya. (2015). Nuvel' Jestetik, 4, 30–31. Available at: https://oberig.ua/media/files/Predermal.pdf

Sliusar, H. V., Peredera R. V., Sobchyshyna T. M. (2016). Naukovyi visnyk Lvivskoho natsionalnoho universytetu veterynarnoi medytsyny ta biotekhnolohii im. S.Z. Gzhytskoho. Seriia: Veterynarni nauky, 18(1), 148–153.Available at: http://dspace.pdaa.edu.ua:8080/handle/123456789/904

Bur’ianov, O. A., Omelchenko, T. M. (2011). Zvit pro naukovo-doslidnu robotu, 54.


GOST Style Citations


  1. Hyaluronic acid and its composites as local antimicrobial/antiadhesive barrier / C. L. Romanò, E. De Vecchi, M. Bortolin, I. Morelli, Drago L // J. Bone Jt. Infect. – 2017. – Vol. 2, № 1. – P. 63–72. https://doi.org/10.7150/jbji.17705 

  2. Sze, J. H. Biotechnological production of hyaluronic acid : a mini review /J. H. Sze, J. C. Brownlie, C. A. Love // 3 Biotech. – 2016. – Vol. 6, № 1. https://doi.org/10.1007/s13205-016-0379-9 

  3. Hyaluronic acid and wound healing / M. G. Neuman, R. M. Nanau, L. Oruña-Sanchez, G. Coto // J. Pharm. Pharm. Sci. – 2015. – Vol. 18, № 1. – P. 53–60.

  4. Microbial production of hyaluronic acid: current state, challenges, and perspectives / L. Liu, Y. Liu, J. Li, G. Du, J. Chen// Microb. Cell Fact. – 2011. – P. 1–9. https://doi.org/10.1186/1475-2859-10-99 

  5. Dietary hyaluronic acid migrates into the skin of rats /M. Oe., K. Mitsugi, W. Odanaka, H. Yoshida, [et al.]// Scientific. World Journal. – 2014. – Vol. 2014. – P. 1–8. https://doi.org/10.1155/2014/378024 

  6. Genetic basis for hyper production of hyaluronic acid in natural and engineered microоrganisms /J .D. de Oliveira, L. S. Carvalho, A. M. Gomes [et al.] // Microb. Cell Fact. – 2016. – Vol. 15, № 1.– P. 1–19. https://doi.org/10.1186/s12934-016-0517-4 

  7. Pires, A. M.The influence of mineral ions on the microbial production and molecular weight of hyaluronicacid / A. M.Pires, S. Y. Eguchi, M. H. Santana // Appl. Biochem. Biotechnol. – 2010. – Vol. 162, № 8. – P. 2125–2135. https://doi: 10.1007/s12010-010-8987-z

  8. Microbial production of hyaluronic acid from agricultural resource derivatives / A. M.Pires, A. C. Macedo, S. Y. Eguchi, M. H. Santana // Bioresour Technol. – 2010. – Vol. 101, № 16. – P. 6506–6509. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.03.074 .

  9. Cashew apple juice as microbial cultivation medium for non-immunogenic hyaluronic acidproduction / A. H. Oliveira, C. C. Ogrodowski, A. C. de Macedo, M. H. Santana, L. R. Gonçalves // Braz. J. Microbiol. – 2014. – Vol. 44, № 4. – P. 1097–1104. https://doi.org/10.1590/s1517-83822014005000017 

  10. Improvement production of hyaluronic acid by Streptococcus zooepidemicus in sugarcane molasses / N. C. Pan, H. C. B. Pereira, M. L. C. da Silva, A. F. D. Vasconcelos, M. P. C. Celligoi // Appl. Biochem. Biotechnol. – 2017. – Vol. 182, № 1. – P. 276–293. https://doi.org/10.1007/s12010-016-2326-y 

  11. Agroindustrial byproducts for the production of hyaluronic acid by Streptococcus zooepidemicus ATCC 39920 /N. C. Pan, J. A. Vignoli, C. Baldo, H. C. B. Pereira, R. S. S. F. Silva, M. A. P. C. Celligoi// International J. Scien Technol. Res. – 2015. – Vol. 4, № 4. – P. 114–118.

  12. Lych, I. Liposomes as a remedy of targeted drug delivery / I. Lych, I. Voloshina, A. Peklo // Ukrainian Food Journal – 2013. – Vol. 3, № 2. – P. 374–383.

  13. Production of hyaluronic acid by Streptococcus zooepidemicus on protein substrates obtained from Scyliorhinus canicula Discards / J. A. Vázquez, L. Pastrana, C. Piñeiro, J. A.  Teixeira, R. I. Pérez-Martí, I. R. Amado// Marine Drugs. – 2015. – Vol. 13, № 10. – P. 6537–6549. https://doi.org/10.3390/md13106537 

  14. Prasad, S. B. Transcription analysis of hyaluronan biosynthesis genes in Streptococcus zooepidemicus and metabolically engineered Lactococcus lactis /S. B. Prasad,K. B. Ramachandran, G. Jayaraman // Appl. Microbiol. Biotechnol. – 2012. – Vol. 94. – P. 1593–1607. https://doi:10.1007/s00253-012-3944-0.

  15. Nešvera, J.Tools for genetic manipulations in Corynebacterium glutamicum and their applications / J. Nešvera, M. Pbtek// Appl. Microbiol. Biotechnol. – 2011. – Vol. 90. – P. 1641–1654. https://doi:10.1007/s00253-011-3272-9.

  16. Cheng, F. High-titer biosynthesis of hyaluronic acid by recombinant Corynebacterium glutamicum / F. Cheng, Q. Gong, H. Yu, G. Stephanopoulos // Biotechnol. J. – 2016. – Vol. 4. – P. 574–584. https://doi:10.1002/biot.201500404.

  17. Jeong, E. Metabolic engineering of Pichia pastoris for production of hyaluronic acid with high molecularweight / E. Jeong, W. Y. Shim, J. H. Kim // Biotechnol. J. – 2014. – Vol. 185. – P. 28 – 36. https://doi:10.1016/j.jbiotec.2014.05.018.

  18. Physiochemical properties and application of hyaluronic acid: a systematic review / N. M. Salwowska, K. A. Bebenek, D. A. Żądło, D. L. Wcisło-Dziadecka // J. Cosmet. Dermatol. – 2016. – Vol. 15, № 4. – P. 520–526. https://doi:10.1111/jocd.12237.

  19. Huang, H. Application of hyaluronic acid as carriers in drug delivery / H. Huang, G. Huang // Drug Deliv. – 2018. – Vol. 25, № 1. – P. 766–772. https://doi:10.1080/10717544.2018.1450910.

  20. Lukyanenko, T. V. Optimization of conditions the cultivation for hyaluronidase roduction by Streptococcus pyogenes / T. V. Lukyanenko // Annals of Mechnikov Institute. – 2011. – № 2. – Р. 14–19. – Режимдоступу : http://nbuv.gov.ua/UJRN/ ami_2011_2_5

  21. Соколов, Ю. В. Розробка та стандартизація субстанції та лікарської форми гіалуронідази, отриманої з Staphylococcus aureus № 318: дис. на здобуття уч. ступеню канд. фарм. наук: спец. “Стандартизація та організація виробництва лікарських засобів”. – Харків, 2008. – 154 с.

  22. Аспекти фармакоднаміки та клінічної фармакології гіалуронової кислоти / Г. В. Зайченко, Н. О. Горчакова, О. А. Стрига, Н. Ю Яковлв, О. І. Рубан// Вісник проблем біології та медицини. – 2017. – Т. 1, № 135. – С. 33–42. – Режим доступу : http://nbuv.gov.ua/UJRN/Vpbm_2017_1_6

  23. Воловар, О. С.Лікування захворювань скронево-нижньощелепного суглоба препаратами гіалуронової кислоти. Огляд літератури. Частина І. / О. С. Воловар, В. О. Маланчук// Новини стоматології. – 2014. – № 2. – С. 76–81. Режим доступу : http://nbuv.gov.ua/UJRN/Ns_2014_2_18

  24. Використання препарату «Сингіал» у комплексому лікуванні пошкоджень суглобового хряща колінного суглоба / О. О.Коструб, А. І. Засаднюк, В. Б. Заєць, В. В. Манжалій // Здоров’я України. – 2010. – С. 32–33.

  25. Рубель, М. О. Використання пробіотичних мікроорганізмів у косметичних лікарських засобах / М. О. Рубель, І. М. Волошина // Наукові праці Національного університету харчових. – 2014. – Т. 2, № 20. – С. 23–29.

  26. Стаховський, Е. О. Практичні аспекти застосування Інстілану – сучасного протектора слизової оболонки сечового міхура / Е. О. Стаховський, М. В.Чепурнатий // Здоров’я України. – 2015. – № 3 – С 6–7.

  27. Hyaluronan treatment of interstitial cystitis/painful bladder syndrome / C. R. Riedl, P. F. Engelhardt, K. L. Daha, [et al.] // Int. Urogynecol. J. Pelvic. Floor Dysfunct. – 2008. – Vol. 19, № 5. – Р. 717–721. https://doi.org/10.1007/s00192-007-0515-5 

  28. Біоінженерні аспекти створення каталітичних антитіл / І. В. Лич, Ю. М. Дорошко, О. О. Бородіна, В. С. Шульженко // Наукові праці Національного університету харчових технологій. – 2017. – Т. 23, № 1. – С. 66–74.

  29. Amperometric glucose biosensor with the IrNPs/Ludox-modified enzyme matrix / L. V. Shkotova, I. M. Voloshina, V. V. Kovalchuk, M. T. Zhybak, S. V. Dzyadevych // Biopolymers & Cell. – 2018. – Vol. 34., № 5 – P. 367 – 373. https://doi.org/10.7124/bc.000984 

  30. Бардова, К. О. Перспективні методи та новітні технології в косметології / К. О. Бардова, П. В. Бардов, В. Г. Коляденко // Український журнал дерматології, венерології, косметології. – 2004. – № 4. – С. 56 – 60.

  31. Hyaluronan Hybrid Cooperative Complexes as a Novel Frontier for Cellular Bioprocesses Re-Activation / A. Stellavato, L. Corsuto, A. D'Agostino, [et al.]// PLoS One. – 2016. – Vol. 11., № 10 – P. 1–20. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0163510

  32. Ерошкин, Е. Клинические исследования препарата РREDERMAL®. / Е. Ерошкин, Я. Лата //Нувель Эстетик. – 2015. – № 4 – С. 30 – 31. Режим доступу : https://oberig.ua/media/files/Predermal.pdf

  33. Слюсар, Г. В., Передера Р. В., Собчишина Т. М. Роль глікозамінгліканів у патогенезі ранового процесу // Науковий вісник Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій ім. С. З. Ґжицького. Серія: Ветеринарні науки. – 2016. – Т. 18, № 1. – С. 148 – 153. Режим доступу: http://dspace.pdaa.edu.ua: 8080/handle/ 123456789/904

  34. Бур’янов, О. А. Оцінка ефективності дії комбінації гіалуронової кислоти із сукцинатом натрію в препараті «Гіалуаль-артро» в порівнянні з монопрепаратом гіалуронової кислоти в експерименті / О. А. Бур’янов, Т. М.Омельченко // Звіт про науково-дослідну роботу. – 2011. – 54 с.





Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Abbreviated key title: Ukr. bìofarm. ž.

ISSN 2519-8750 (Online), ISSN 2311-715X (Print)