Effets de l'expression de l'hydrogénase NAD-dépendante de Ralstonia eutropha et des limitations d'azote et de phosphate sur la production d'hydrogène chez Escherichia coli

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Effets de l'expression de l'hydrogénase NAD-dépendante de Ralstonia eutropha et des limitations d'azote et de phosphate sur la production d'hydrogène chez Escherichia coli

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Tracking the Fate of Microbially Sequestered Carbon Dioxide in Soil Organic Matter

The microbial contribution to soil organic matter (SOM) has recently been shown to be much larger than previously thought and thus its role in carbon sequestration may also be underestimated. In this study we employ C-13 ((CO2)-C-13) to assess the potential CO2 sequestration capacity of soil chemoautotrophic bacteria and combine nuclear magnetic resonance (NMR) with stable isotope probing (SIP), techniques that independently make use of the isotopic enrichment of soil microbial biomass. In this way molecular information generated from NMR is linked with identification of microbes responsible for carbon capture. A mathematical model is developed to determine real-time CO2 flux so that net sequestration can be calculated. Twenty-eight groups of bacteria showing close homologies with existing species were identified. Surprisingly, Ralstonia eutropha was the dominant group. Through NMR we observed the formation of lipids, carbohydrates, and proteins produced directly from CO2 utilized by microbial biomass. The component of SOM directly associated with CO2 capture was calculated at 2.86 mg C (89.21 mg kg(-1)) after 48 h. This approach can,differentiate between SOM derived through microbial uptake of CO2 and other SOM constituents and represents a first step in tracking the fate and dynamics of microbial biomass in soil.

The Use of Ipso-dihydrodiols Enzymatically Derived from Benzoic Acid in Enantioselective Synthesis. Appoaches to Total Synthesis of Vinca Alkaloids

The present studies describe our recent progress in target oriented synthesis of complex organic molecules from aromatic precursors. The latest synthetic approaches toward vinca alkaloids are described and include the construction of model substrates for the investigation into Diels-Alder, radical cascade, and tandem Michael addition reactions as possible routes to the family of alkaloids. Also described are the chemoenzymatic syntheses of the natural product (-)-idesolide and unnatural polyhydroxylated pyrrolidines generated from the biotransformation of benzoic acid with Ralstonia eutropha B9.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Changes in race-specific virulence in pseudomonas syringae pv. phaseolicola are Associated with a chimeric transposable element and rare deletion events in a plasmid-borne pathogenicity island

Virulence for bean and soybean is determined by effector genes in a plasmid-borne pathogenicity island (PAI) in race 7 strain 1449B of Pseudomonas syringae pv. phaseolicola. One of the effector genes, avrPphF, confers either pathogenicity, virulence, or avirulence depending on the plant host and is absent from races 2, 3, 4, 6, and 8 of this pathogen. Analysis of cosmid clones and comparison of DNA sequences showed that the absence of avrPphF from strain 1448A is due to deletion of a continuous 9.5-kb fragment. The remainder of the PAI is well conserved in strains 1448A and 1449B. The left junction of the deleted region consists of a chimeric transposable element generated from the fusion of homologs of IS1492 from Pseudomonas putida and IS1090 from Ralstonia eutropha. The borders of the deletion were conserved in 66 P. syringae pv. phaseolicola strains isolated in different countries and representing the five races lacking avrPphF. However, six strains isolated in Spain had a 10.5-kb deletion that extended 1 kb further from the right junction. The perfect conservation of the 28-nucleotide right repeat of the IS1090 homolog in the two deletion types and in the other 47 insertions of the IS1090 homolog in the 1448A genome strongly suggests that the avrPphF deletions were mediated by the activity of the chimeric mobile element. Our data strongly support a clonal origin for the races of P. syringae pv. phaseolicola lacking avrPphF.

Synthesis of biodegradable polyhydroxyalcanoate copolymer from a renewable source by alternate feeding

Polyhydroxyalcanoates copolymers with 3-hydroxybutirate (3HB) and 3-hydroxyvalerate (3HV) co-monomers, P3(HB-co-x%HV), were produced in fed-batch culture by Ralstonia eutropha DSM428 using fructose as a single carbon source in the first step and adding propionic acid in the second step by alternating feeding. Polymer yield was 0.18 g/L with a content of 24 mol% of the 3HV fraction determined by H-1 NMR. NMR measurements indicated that the polymer obtained is isotactic. The copolymer attained 35% of crystallinity according to X-ray diffraction measurements, and two (020) planes were observed. Thermal behavior presented melting temperature at 154 degrees C and the crystallization temperature was 65 degrees C. A glass transition temperature was observed at -10 degrees C. Average molecular weight measured by GPC was 4.9 x 10(5) Dalton. Isothermal radial growth rates of spherulites of P3(HB-co-24%HV) were studied. All experimental facts and the analysis of the sequence distribution of diads and triads of 3HB and 3HV units led to the conclusion that it is not a completely statistical random copolymer once it contains different types of segments. POLYM.

Production of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) P(3HB-co-3HV) with a broad range of 3HV content at high yields by Burkholderia sacchari IPT 189

The biosynthesis of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) from sucrose and propionic acid by Burkholderia sacchari IPT 189 was studied using a two-stage bioreactor process. In the first stage, this bacterium was cultivated in a balanced culture medium until sucrose exhaustion. In the second stage, a solution containing sucrose and propionic acid as carbon source was fed to the bioreactor at various sucrose/propionic acid (s/p) ratios at a constant specific flow rate. Copolymers with 3HV content ranging from 40 down to 6.5 (mol%) were obtained with 3HV yield from propionic acid (Y-3HV/prop) increasing from 1.10 to 1.34 g g(-1). Copolymer productivity of 1 g l(-1) h(-1) was obtained with polymer biomass content rising up to 60% by increasing a specific flow rate at a constant s/p ratio. Increasing values of 3HV content were obtained by varying the s/p ratios. A simulation of production costs considering Y-3HV/prop obtained in the present work indicated that a reduction of up to 73% can be reached, approximating US$ 1.00 per kg which is closer to the value to produce P3HB from sucrose (US$ 0.75 per kg).

Biosynthesis and characterization of biodegradable Poly(3-hydroxybutyrate) from renewable sources

Poly(3-hydroxybutyrate) was produced in fed-batch cultures of Ralstonia eutropha DSM 428 and Alcaligenes latus ATCC 29712 on a mineral medium with different carbon sources such as sucrose, sodium lactate, lactic acid, soybean oil and fatty acid. The bacteria converted the different carbon sources supplied into P3HB. The best results were obtained when lactate or soybean oil were supplied as the sole carbon source. The range of number average molar mass (Mn) for the polymers, analyzed by Gel Permeation Chromatography was 1.65 to 0.79 x 10(5) g mol(-1). FTIR spectroscopy revealed a characteristic absorbance associated with polyester structures. The crystallinity degree, determinate from X-ray diffractograms, was about 69% in all synthesized polymers. The thermal properties associated to semicrystalline polymers indicated a glass transition at 0.1 degrees C and a melting point at about 175 degrees C and enthalpy of 63-89 J g(-1). The (1)H-NMR and (13)C-NMR spectra of the polymers were in agreement with the calculated chemical shifts associated with P3HB structures.

Characterization of the Phenol Monooxygenase Gene from Chromobacterium violaceum: Potential Use for Phenol Biodegradation

In this work, the biodegradation mechanism of phenol and sub products (such as catechol and hydroquinone) in Chromobacterium violaceum was investigated by cloning and molecular characterization of a phenol monooxygenase gene in Escherichia coli. This gene (Cvmp) is very similar (74 and 59% of similarity and identity, respectively) to the ortholog from Ralstonia eutropha, bacteria capable of utilizing phenol as the sole carbon source. The phenol biodegradation ability of E. coli recombinant strains was tested by cell-growth in a minimal medium containing phenol as the sole source of carbon and release of intermediary metabolites (catechol and hydroquinone). Interestingly, during the growth of these strains on phenol, catechol, and hydroquinone accumulated transiently in the medium. These metabolites were further analyzed by HPLC. These results indicated that phenol can be initially orto or para hydroxylated to produce cathecol or hydroquinone, respectively, followed by meta-cleavage of aromatic rings. To verify this information, the metabolites obtained from HPLC were submitted to LC/MS to confirm their chemical structure, thereby indicating that the recombinant strains utilize two different routes simultaneously, leading to different ring-fission substrates for the metabolism of phenol. (C) KSBB

Disruption of the 2-methylcitric acid cycle and evaluation of poly-3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate biosynthesis suggest alternate catabolic pathways of propionate in Burkholderia sacchari

The objective of the present work was to evaluate the relevance of the 2-methylcitric acid cycle (2MCC) to the catabolism of propionate in Burkholderia sacchari. Two B. sacchari mutants unable to grow on propionate were obtained: one disrupted in acnM, and the other in acnM and prpC deleted. An operative 2MCC significantly reduces the bacterial ability to incorporate 3-hydroxyvalerate (3HV) into a biodegradable copolyester accumulated from carbohydrates plus propionate. The efficiency of the mutants in converting propionate to 3HV units (Y(3HV/prp)) increased from 0.09 g.g(-1) to 0.81-0.96 g.g(-1), indicating that acnM and prpC are both essential for growth on propionate. None of the mutations resulted in achievement of the maximum theoretical Y(3HV/prp) (1.35 g.g(-1)). When increasing concentrations of propionate were supplied, decreasing values of Y(3HV/prp) were observed. The results obtained corroborate the hypothesis of the presence of other propionate catabolic pathways in B. sacchari. The 2MCC would be the more operative pathway, but a second pathway, which remains to be elucidated, would assume more importance under propionate concentrations of 1 g.L(-1) or higher. The efficiency in converting propionate to 3HV units can be improved by decreasing the propionate concentrations, owing to the role of the 2MCC.

Production and characterization of poly-(3-hydroxybutyrate) from recombinant Escherichia coli grown on cheap renewable carbon substrates

Although the biopolymer poly-(3-hydroxybutyrate), P[3HB], presents physicochemical properties that make it an alternative material to conventional plastics, its biotechnological production is quite expensive. As carbon substrates contribute greatly to P[3HB] production cost, the utilization of a cheaper carbon substrate and less demanding micro-organisms should decrease its cost. In the present study a 23 factorial experimental design was applied, aiming to evaluate the effects of using hydrolysed corn starch (HCS) and soybean oil (SBO) as carbon substrates, and cheese whey (CW) supplementation in the mineral medium (MM) on the responses, cell dried weigh (DCW), percentage P[3HB] and mass P[3HB] by recombinant Escherichia coli strains JM101 and DH10B, containing the P[3HB] synthase genes from Cupriavidus necator (ex-Ralstonia eutropha). The analysis of effects indicated that the substrates and the supplement and their interactions had positive effect on CDW. Statistically generated equations showed that, at the highest concentrations of HCS, SO and CW, theoretically it should be possible to produce about 2 g L(1) DCW, accumulating 50% P[3HB], in both strains. To complement this study, the strain that presented the best results was cultivated in MM added to HCS, SBO and CW ( in best composition observed) and complex medium (CM) to compare the obtained P[3HB] in terms of physicochemical parameters. The obtained results showed that the P[3HB] production in MM (1.29 g L(-1)) was approximately 20% lower than in CM (1.63 g L(-1)); however, this difference can be compensated by the lower cost of the MM achieved by the use of cheap renewable carbon sources. Moreover, using differential scanning calorimetry and thermogravimetry analyses, it was observed that the polymer produced in MM was the one which presented physicochemical properties (Tg and Tf) that were more similar to those found in the literature for P[3HB].

Carbon source pulsed feeding to attain high yield and high productivity in poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) production from soybean oil using Cupriavidus necator

Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) biosynthesis from soybean oil by Cupriavidus necator was studied using a bench scale bioreactor. The highest cell concentration (83 g l(-1)) was achieved using soybean oil at 40 g l(-1) and a pulse of the same concentration. The PHB content was 81% (w/w), PHB productivity was 2.5 g l(-1) h(-1), and the calculated Y-p/s value was 0.85 g g(-1). Growth limitation and the onset of PHB biosynthesis took place due to exhaustion of P, and probably also Cu, Ca, and Fe.

Distribución y variabilidad de Ralstonia solanacearum e.f. Smith agente causal de marchitez bacteriana en el cultivo de papa (Solanum tuberosum L), en tres departamentos del norte de Nicaragua (Esteli, Matagalpa y Jinotega)

La marchitez bacteriana de la papa causada por Ralstonia solanacearum (E. F. Smith) es una de las principales limitantes en la producción de es te cultivo. R.olanacearum es una especie altamente variable, el estudio de su diversidad poblacional es un importante factor a considerar para su control. Con el objetivo de conocer la distribución y la variabilidad, se realizó un estudio durante el período comprendido de Septiembre de 2006 a Enero de 2007, en diferentes localidades distribuidas en tres departamentos de Nicaragua (Estelí, Matagalpa y Jinotega ), donde se recolectaron 18 muestras de tejidos vegetales (tubérculos y tallos) de papa (Solanum tuberosum L.) y suelo, las que fueron analizadas en laboratorio de Microbiología de la Universidad Nacional Agraria (UNA), para el aislamiento, identificación y multiplicación de la bacteria. Se realizaron siembras en plato petri que contenían medio de cultivo medio agar sacarosa-peptona. Posterior a su aislamiento se realizó purificación en un medio específico (tetrazolium). Las cepas bacterianas se identificaron mediante la determinación de características culturales, morfológicas, fisiológicas y bioquímicas. En el primer caso, se observaron características de borde, elevación, consistencia y color de las cepas individuales cultivadas en el medio agar sacarosa- peptona. Las características morfológicas se comprobaron a través observación en el microscopio óptico. La confirmación de las características fisiológicas y bioquímicas, se realizó a través de pruebas de KOH al 3%, oxidasa, catalasa y revelación de flagelos. Las colonias bacterianas identificadas como Ralstonia solanacearun, se les realizó la prueba de carbohidratos para la caracterización de biovares, basada en la utilización de azúcares y oxidación de alcoholes (Hayward, 1991). Las pruebas de hipersensibilidad se realizaron en plantas de tabaco (Nicotiana tabacumL.). Estas fueron inoculadas mediante la infiltración de la suspensión bacteriana de 24 hrs de crecimiento. Como resultado de la prueba, se identificaron dieciséis aislamientos pertenecientes al biovar 3 y dos aislamientos pertenecientes al biovar 1. Siendo el biovar 3 el más prevaleciente en los sitios de muestro. La raza fue identificada en base a sintomatología presentada, resultando ser la raza 1.

A murcha-bacteriana (Ralstonia solanacearum) em pimenta longa (Piper hispidinervium).

A murcha-bacteriana é a principal doença vascular de plantas em todo o mundo. É causada pela bactéria Ralstonia solanacearum e ocorre em todas as regiões do Brasil, principalmente nas regiões Norte, Nordeste e Centro-Oeste em que predominam temperaturas e umidades elevadas