Regulatory Network Dissection and Engineering of EPS Biosynthesis for Enhanced Biofilm and Functional Food Matrix Stability

behzad beizaei¹ morteza jamshid eini² somayeh rahimi malekshan³

Abstract :
The intricate regulatory landscape governing exopolysaccharide (EPS) biosynthesis in Enterococcus faecium probiotic strains was dissected employing multi-layered systems biology approaches integrating genomics, transcriptomics, and metabolomics. Whole genome sequencing with >150× coverage revealed a complex EPS gene cluster architecture comprising glycosyltransferases, polysaccharide polymerases, and regulatory operons intricately modulated by multiple two-component systems (notably liaFSR and walRK) alongside alternative sigma factors (σ^B). Transcriptomic profiling under industrially relevant osmotic (≥0.5 M NaCl) and thermal (45°C) stresses demonstrated significant upregulation (3–5 fold, p < 0.01) of key EPS biosynthetic genes, highlighting adaptive transcriptional reshaping to enhance polymer output. Metabolomic LC-MS/MS analyses quantified elevated intracellular pools of nucleotide sugar precursors—UDP-glucose and GDP-mannose—registered at 2.8- and 3.2-fold increments respectively, corroborating enhanced substrate flux into EPS assembly pathways. CRISPR-Cas12a-mediated precision genome editing targeting transcriptional repressors within EPS operons yielded a 47% increase in EPS yield (quantified at 4.6 ± 0.3 mg/mL) and a concurrent 55% amplification in biofilm biomass, verified by crystal violet assays. Engineered strains exhibited superior physicochemical stability, maintaining matrix viscosity and cohesiveness under simulated industrial shear stress (up to 500 s^-1) and pH oscillations (3.5–6.5), critical for fermented food product integrity. Advanced metabolic flux modeling using constraint-based reconstruction and dynamic flux balance analysis integrated multi-omics datasets, achieving predictive accuracies exceeding 90% for EPS production dynamics and biofilm formation rates. This modeling facilitated in silico optimization of pathway bottlenecks and guided rational strain engineering strategies. Collectively, the study provides a comprehensive quantitative framework linking regulatory networks, metabolic flux rerouting, and functional phenotype enhancement in E. faecium. The findings elucidate molecular mechanisms underpinning EPS-mediated biofilm robustness and functional food matrix stabilization, presenting a scalable blueprint for probiotic strain optimization aimed at industrial fermentation and food biotechnology applications.

Keywords : exopolysaccharide biosynthesis regulatory network genome editing biofilm metabolic flux modeling probiotic

---

زبان مقاله : انگلیسی
محور مقاله : علوم صنایع غذایی
محل انتشار : نهمین کنگره بین المللی توسعه کشاورزی، منابع طبیعی، محیط زیست و گردشگری ایران
آدرس وب سایت کنفرانس : 9icsda.ir
کد IOI مقاله : ABFF-ABDEFZ
لینک مستقیم مقاله : https://isnac.ir/ABFF-ABDEFZ
نمایش چکیده فارسی : https://isnac.ir/SA/ABFF-ABDEFZ

سایر مقالات ارائه دهنده

1. مدل سازی هوشمند انتقال و رفتار مواد دانه ای در ماشین آلات صنایع غذایی با استفاده از شبیه سازی چند مقیاسی و یادگیری عمیق: از دیجیتال توین تا بهینه سازی بلادرنگ فرآیند
2. توسعه ساختارهای چندلایه میکرو و نانوکپسول و ارزیابی رفتار نفوذ و رهایش بر اساس تحلیل داده های تجربی و شبیه سازی پیشرفته با شبکه های عصبی کانولوشنی (CNN) برای مکمل های غذایی و نوشیدنی های عملکردی
3. Electrospun Smart Packaging with Controlled Release of Dual-Function Active Agents for Shelf Life Extension of Perishable Foods
4. Meta-Structured Electrospun Nanocomposites with Multi-Modal Sensing and Stimuli-Responsive Preservative Release
5. Development of Biodegradable Packaging Films Embedded with Microencapsulated Nanosensors Responsive to Spoilage Gases (e.g., Volatile Amines) with Dynamic Color Change
6. Design of DNA Origami-Based Biosensors for Ultra-Low Concentration Detection of Specific Pathogens in Meat Products
7. Synergistic Effects of Pulsed Electric Field (PEF) and Ultrasound (US) Treatments on the Molecular Structure and Bioactivity of Phenolic and Flavonoid Compounds in Fresh Leafy Vegetables
8. Integrated Impact of Hydrolytic Enzymes and Dietary Fibers on Dough Rheology, Nutritional Enhancement, and Physicochemical and Sensory Attributes of Bread Formulated with Modified Wheat Flour
9. Whole Genome Sequencing and Multi-Omics Analysis of Native Enterococcus faecium for Enhanced Stress Tolerance
10. Regulatory Network Dissection and Engineering of EPS Biosynthesis for Enhanced Biofilm and Functional Food Matrix Stability

سایر مقالات محل انتشار

1. بررسي اثر سوپرجاذب بر میزان رشد ریشه چمن چچم (Lolium perenne cv. Barbal)
2. نقش سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) در بهینه‌سازی فرآیند اکتشاف منابع معدنی
3. ردیابی تصویری بیماری‌های گیاهی قارچی در کشاورزی دقیق
4. مروری بر مزایا و چالش های ممکن در راه افزایش جمعیت جهان و بررسی راه هایی برای تسهیل زندگی در سیاره مریخ
5. اثر ترکیبات بیوشیمیایی بر ارزش تغذیه ای و خواص حسی مواد غذایی
6. غذاهای سلولی و تولید گوشت مصنوعی
7. پهنه‌بندی خطر،ابزاری برای توسعه گردشگری ایمن با تاکید بر زمین لغزش مورد مطالعه : نیمه غربی استان چهارمحال و بختیاری
8. Drought: A climate change threat to environmental stability and biodiversity (A comprehensive review)
9. بررسی تاثیر نانولیپوزوم‌ها در بهبود جذب ویتامین‌ها و پروبیوتیک‌ها در محصولات لبنی
10. نقش فناوری اطلاعات در بهینه‌سازی سامانه‌های حمل‌ونقل پایدار: تأثیر مدیریت هوشمند ترافیک و تحلیل داده‌ها بر کاهش آلودگی هوا و ارتقای سلامت شهری
11. نقش زنجیره ارزش دیجیتال در ارتقای خدمات کشاورزی شواهدی از اقتصادهای نوظهور
12. Artificial intelligence and machine learning for the optimization of pharmaceutical wastewater treatment systems: a review
13. فیتوشیمي و خواص آنتي اكسیداني جمعیت هاي خزه Thamnobryum alopecrum در ایران
14. استفاده ازفناوری هوش مصنوعی درکیفیت بخشی منابع آبی
15. ارزیابی وضعیت پر به عنوان یک شاخص بصری در ارتباط با وضعیت سلامت ، خوراک مصرفی و وضعیت مدیریتی در پرورش جوجه های گوشتی