Engineering the synthesis of lantibiotics in e. Coli by combining the cynnamicin and nisin modification systems.

I lantibiotici sono molecole peptidiche prodotte da un gran numero di batteri Gram-positivi, posseggono attività antibatterica contro un ampio spettro di germi, e rappresentano una potenziale soluzione alla crescente problematica dei patogeni multi-resistenti. La loro attività consiste nel legame alla membrana del bersaglio, che viene quindi destabilizzata mediante l’induzione di pori che determinano la morte del patogeno. Tipicamente i lantibiotici sono formati da un “leader-peptide” e da un “core-peptide”. Il primo è necessario per il riconoscimento della molecola da parte di enzimi che effettuano modifiche post-traduzionali del secondo - che sarà la regione con attività battericida una volta scissa dal “leader-peptide”. Le modifiche post-traduzionali anticipate determinano il contenuto di amminoacidi lantionina (Lan) e metil-lantionina (MeLan), caratterizzati dalla presenza di ponti-tioetere che conferiscono maggior resistenza contro le proteasi, e permettono di aggirare la principale limitazione all’uso dei peptidi in ambito terapeutico. La nisina è il lantibiotico più studiato e caratterizzato, prodotto dal batterio L. lactis che è stato utilizzato per oltre venti anni nell’industria alimentare. La nisina è un peptide lungo 34 amminoacidi, che contiene anelli di lantionina e metil-lantionina, introdotti dall’azione degli enzimi nisB e nisC, mentre il taglio del “leader-peptide” è svolto dall’enzima nisP. Questo elaborato affronta l’ingegnerizzazione della sintesi e della modifica di lantibiotici nel batterio E.coli. In particolare si affronta l’implementazione dell’espressione eterologa in E.coli del lantibiotico cinnamicina, prodotto in natura dal batterio Streptomyces cinnamoneus. Questo particolare lantibiotico, lungo diciannove amminoacidi dopo il taglio del leader, subisce modifiche da parte dell’enzima CinM, responsabile dell’introduzione degli aminoacidi Lan e MeLan, dell’enzima CinX responsabile dell’idrossilazione dell’acido aspartico (Asp), e infine dell’enzima cinorf7 deputato all’introduzione del ponte di lisinoalanina (Lal). Una volta confermata l’attività della cinnamicina e di conseguenza quella dell’enzima CinM, si è deciso di tentare la modifica della nisina da parte di CinM. A tal proposito è stato necessario progettare un gene sintetico che codifica nisina con un leader chimerico, formato cioè dalla fusione del leader della cinnamicina e del leader della nisina. Il prodotto finale, dopo il taglio del leader da parte di nisP, è una nisina completamente modificata. Questo risultato ne permette però la modifica utilizzando un solo enzima invece di due, riducendo il carico metabolico sul batterio che la produce, e inoltre apre la strada all’utilizzo di CinM per la modifica di altri lantibiotici seguendo lo stesso approccio, nonché all’introduzione del ponte di lisinoalanina, in quanto l’enzima cinorf7 necessita della presenza di CinM per svolgere la sua funzione.

Boosting microbial fuel cell performance by combining with an external supercapacitor

Microbial Fuel Cells (MFC) technology finds space as a promising technology as a green alternative power-generating device, by the possibility to convert organic matter directly into electricity by microbially catalysed reactions, especially for the potential of the simultaneous treatment of wastewaters. Despite the studies that were carried out over the decades, MFCs still provide insufficient power and current densities in order to be commercially attractive in the energy market. Scientific community today pursues two main strategies in order to increase the overall performance output of the MFC. The first is to support the cells with an external supercapacitor (SC), which is able to accept and deliver charge much faster than normal capacitors, thanks to the use of an electrostatic double-layer capacitance, in combination with pseudocapacitance. The second is to implement directly the SC into the MFC, by using carbon electrodes with high surface area, similar to the SC. Both strategies are eventually supported by the use of charge boosters, respect to the application of the MFC. Galvanostatic measures for the MFC and SCs are performed at different currents, alone and by integration of both devices. The SCs used have a capacitance respectively of 1F, 3F and 6F. Subsequently, a stack of MFCs is assembled and paired to a 3F SC, in order to power an ambient diffuser, able to spray at intervals with a can and a controller. In conclusion, the use of a SC in parallel to the MFCs increases the overall performance of the system. The SC remove the discharge current limit of the MFC and increases the energy and power delivered by the system, allowing it to power for a certain time the ambient diffuser successfully. The key factor highlighted by the final experiment was the insufficient charging time of the SC, resulting finally in a voltage that is inadequate to power the device. Further studies are therefore necessary to improve the performance of the MFCs.