Full-scale biological phosphorus removal: quantification of storage polymers, microbial performance and metabolic modelling

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica

PROX1 Promotes Metabolic Adaptation and Fuels Outgrowth of Wnt(high) Metastatic Colon Cancer Cells.

The Wnt pathway is abnormally activated in the majority of colorectal cancers, and significant knowledge has been gained in understanding its role in tumor initiation. However, the mechanisms of metastatic outgrowth in colorectal cancer remain a major challenge. We report that autophagy-dependent metabolic adaptation and survival of metastatic colorectal cancer cells is regulated by the target of oncogenic Wnt signaling, homeobox transcription factor PROX1, expressed by a subpopulation of colon cancer progenitor/stem cells. We identify direct PROX1 target genes and show that repression of a pro-apoptotic member of the BCL2 family, BCL2L15, is important for survival of PROX1(+) cells under metabolic stress. PROX1 inactivation after the establishment of metastases prevented further growth of lesions. Furthermore, autophagy inhibition efficiently targeted metastatic PROX1(+) cells, suggesting a potential therapeutic approach. These data identify PROX1 as a key regulator of the transcriptional network contributing to metastases outgrowth in colorectal cancer.

Sleep in vitro : Erk pathway regulates sleep duration and sleep related genes

To date, for most biological and physiological phenomena, the scientific community has reach a consensus on their related function, except for sleep, which has an undetermined, albeit mystery, function. To further our understanding of sleep function(s), we first focused on the level of complexity at which sleep-like phenomenon can be observed. This lead to the development of an in vitro model. The second approach was to understand the molecular and cellular pathways regulating sleep and wakefulness, using both our in vitro and in vivo models. The third approach (ongoing) is to look across evolution when sleep or wakefulness appears. (1) To address the question as to whether sleep is a cellular property and how this is linked to the entire brain functioning, we developed a model of sleep in vitro by using dissociated primary cortical cultures. We aimed at simulating the major characteristics of sleep and wakefulness in vitro. We have shown that mature cortical cultures display a spontaneous electrical activity similar to sleep. When these cultures are stimulated by waking neurotransmitters, they show a tonic firing activity, similar to wakefulness, but return spontaneously to the "sleep-like" state 24h after stimulation. We have also shown that transcriptional, electrophysiological, and metabolic correlates of sleep and wakefulness can be reliably detected in dissociated cortical cultures. (2) To further understand at which molecular and cellular levels changes between sleep and wakefulness occur, we have used a pharmacological and systematic gene transcription approach in vitro and discovered a major role played by the Erk pathway. Indeed, pharmacological inhibition of this pathway in living animals decreased sleep by 2 hours per day and consolidated both sleep and wakefulness by reducing their fragmentation. (3) Finally, we tried to evaluate the presence of sleep in one of the most primitive species with a neural network. We set up Hydra as a model organism. We hypothesized that sleep as a cellular (neuronal) property may occur with the appearance of the most primitive nervous system. We were able to show that Hydra have periodic rest phases amounting to up to 5 hours per day. In conclusion, our work established an in vitro model to study sleep, discovered one of the major signaling pathways regulating vigilance states, and strongly suggests that sleep is a cellular property highly conserved at the molecular level during evolution. -- Jusqu'à ce jour, la communauté scientifique s'est mise d'accord sur la fonction d'une majorité des processus physiologiques, excepté pour le sommeil. En effet, la fonction du sommeil reste un mystère, et aucun consensus n'est atteint le concernant. Pour mieux comprendre la ou les fonctions du sommeil, (1) nous nous sommes d'abord concentré sur le niveau de complexité auquel un état ressemblant au sommeil peut être observé. Nous avons ainsi développé un modèle du sommeil in vitro, (2) nous avons disséqué les mécanismes moléculaires et cellulaires qui pourraient réguler le sommeil, (3) nous avons cherché à savoir si un état de sommeil peut être trouvé dans l'hydre, l'animal le plus primitif avec un système nerveux. (1) Pour répondre à la question de savoir à quel niveau de complexité apparaît un état de sommeil ou d'éveil, nous avons développé un modèle du sommeil, en utilisant des cellules dissociées de cortex. Nous avons essayé de reproduire les corrélats du sommeil et de l'éveil in vitro. Pour ce faire, nous avons développé des cultures qui montrent les signes électrophysiologiques du sommeil, puis quand stimulées chimiquement passent à un état proche de l'éveil et retournent dans un état de sommeil 24 heures après la stimulation. Notre modèle n'est pas parfait, mais nous avons montré que nous pouvions obtenir les corrélats électrophysiologiques, transcriptionnels et métaboliques du sommeil dans des cellules corticales dissociées. (2) Pour mieux comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire et cellulaire durant les différents états de vigilance, nous avons utilisé ce modèle in vitro pour disséquer les différentes voies de signalisation moléculaire. Nous avons donc bloqué pharmacologiquement les voies majeures. Nous avons mis en évidence la voie Erkl/2 qui joue un rôle majeur dans la régulation du sommeil et dans la transcription des gènes qui corrèlent avec le cycle veille-sommeil. En effet, l'inhibition pharmacologique de cette voie chez la souris diminue de 2 heures la quantité du sommeil journalier et consolide l'éveil et le sommeil en diminuant leur fragmentation. (3) Finalement, nous avons cherché la présence du sommeil chez l'Hydre. Pour cela, nous avons étudié le comportement de l'Hydre pendant 24-48h et montrons que des périodes d'inactivité, semblable au sommeil, sont présentes dans cette espèce primitive. L'ensemble de ces travaux indique que le sommeil est une propriété cellulaire, présent chez tout animal avec un système nerveux et régulé par une voie de signalisation phylogénétiquement conservée.

Metabolic, biochemical and molecular profiling of Catharanthus roseus flower cultivars and transformed hairy roots for monoterpenoid indole alkaloid accumulation /

Catharanthlls rosellS (L.) G Don is a commercially significant flower species and in addition is the only source of the monoterpenoid indole alkaloids (MIA) vinblastine and vincristine, which are key pharmaceutical compounds that are used to combat a number of different cancers. Therefore, procurement of the antineoplastic agents is difficult but essential procedure. Alternatively, CatharanthllS tissue cultures have been investigated as a source of these agents; however they do not produce vindoline, which is an obligate precursor to vinblastine and vincristine. The interest in developing high MIA cultivars of Catharantlws rosellS has prompted metabolic profiling studies to determine the variability of MIA accumulation of existing flowering cultivars, with particular focus on the vindoline component ofthe pathway. Metabolic profiling studies that used high performance liquid chromatography of MIAs from seedlings and young leaf extracts from 50 different flowering cultivars showed that, except for a single low vindoline cultivar (Vinca Mediterranean DP Orchid), they all accumulate similar levels of MIAs. Further enzymatic studies with extracts from young leaves and from developing seedlings showed that the low vindoline cultivar has a IO-fold lower tabersonine-16-hydroxylase activity than those of CatharanthllS rosellS cv Little Delicata. Additionally, studies aimed at metabolic engineering ofvindoline bios}l1thesis in Catharanthus rosellS hairy root cultures have been performed by expressing the last step in vindoline biosynthesis [Dcacetylvindoline-4-0- acetyltransferase (DAT)]. Enzymatic profiling studies with transformed hairy roots have confirmed that over-expressing DAT leads to lines with high levels of O-acetyltransferase activity when compared to non-expressing hairy roots. One particular DA T over111 expressing hairy root culture (line 7) contained 200 times the OAT activity than leaves of control lines. Additional MIA analyses revealed that DAT over-expressing hairy roots have an altered alkaloid profile with significant variation in the accumulation of h6rhammericine. Further analysis of transformed hairy root line 7 suggests a correlation between the expression of OAT activity and h6rhammericine accumulation with root maturation. These studies show that metabolic and selective enzymatic profiling can enhance our ability to search for relevant MIA pathway mutants and that genetic engineering with appropriate pathway genes shows promise as a tool to modify the MIA profile of Catharanthus roseus.

INFLUENCE OF INCREASED EXTRACELLULAR LEUCINE ON THE PROTEIN METABOLIC RESPONSES DURING OSMOTIC STRESS IN SKELETAL MUSCLE

The purpose of this study was to examine the effects of increased extracellular leucine concentration on protein metabolism in skeletal muscle cells when exposed to 3 different osmotic stresses. L6 skeletal muscle cells were incubated in either a normal or supplemental leucine (1.5mM) medium set to hypo-osmotic (230 ± 10 Osm), iso-osmotic (330 ± 10 Osm) or hyper-osmotic (440 ± 10 Osm) conditions. 3H-tyrosine was used to quantify protein synthesis. Western blotting analysis was performed to determine the activation of mTOR, p70S6k, ubiquitin, actin, and μ-calpain. Hypo-osmotic stress resulted in the greatest increase in protein synthesis rate under the normal-leucine condition while iso-osmotic stress has the greatest increase under the elevated-leucine condition. Elevated-leucine condition had a decreased rate in protein degradation over the normal condition within the ubiquitin proteasome pathway (p<0.05). Leucine and hypo-osmotic stress therefore creates a favourable environment for anabolic events to occur.

Monoacylglycerol as a metabolic coupling factor in glucose-stimulated insulin secretion

Les cellules beta pancréatiques sécrètent l’insuline lors d’une augmentation post-prandiale du glucose dans le sang. Ce processus essentiel est contrôlé par des facteurs physiologiques, nutritionnels et pathologiques. D’autres sources d’énergie, comme les acides aminés (leucine et glutamine) ou les acides gras potentialisent la sécrétion d’insuline. Une sécrétion d’insuline insuffisante au besoin du corps déclanche le diabète. Le rôle que joue l’augmentation du calcium intracellulaire et les canaux K+/ATP dans la sécrétion d’insuline est bien connu. Bien que le mécanisme exact de la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les lipides est inconnu, le cycle Glycérolipides/Acides gras (GL/FFA) et son segment lipolytique ont été reconnu comme un composant essentiel de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline. Le diacylglycérol, provenant de la lipolyse, a été proposé comme un signal lipidique important d’amplification. Cependant, l’hydrolyse des triglycérides et des diacylglycérides a été démontrée essentielle pour la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, en suggérant un rôle du monoacylglycérol (MAG) dans ce processus. Dans cette étude, on démontre que la réduction de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, lors d’une inhibition de la lipolyse, est restaurée par l’addition de MAG. Dans les cellules beta pancréatiques, le niveau de MAG augmente en présence des concentrations élevées du glucose, et également lorsqu’on inhibe l’enzyme MAG hydrolase abhydrolase-6 (ABHD6) avec l’inhibiteur spécifique WWL70. L’analyse lipidomique a démontré qu’après la stimulation des cellules beta pancréatiques avec le glucose et aussi avec le WWL70, l’espèce la plus accumulée de MAG était le 1-stearoylglycérol (1-SG). L’addition de 1-SG, de 1-palmitoylglycérol (1-PG) ou de WWL70 augmente la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, et cette augmentation est indépendante de la génération de acides gras à partir de MAG. Cela suggère que le MAG est un signal lipidique pour la potentialisation de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. De plus, la surexpression du gène d’ABHD6 dans les cellules INS832/13 cause une réduction de la sécrétion d’insuline, due probablement à la diminution des niveaux intracellulaire de MAG. Avec le but de comprendre le mécanisme moléculaire impliqué dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par le MAG, on a bloqué l’action du récepteur vanilloid-1 (TRPV1) liant le MAG par l’agent pharmacologiste, AMG9810. Le traitement des cellules beta pancréatique par AMG9810 entraîne une diminution de la potentialisation de la sécrétion de l’insuline induite par le MAG. Il est a noter que le MAG pourrait activer TRPV1 par une liaison physique dans la membrane cellulaire interne; ce qui entraînerai l’entrée du calcium dans la cellule, et ensuite la stimulation de l’exocytose des granules à insuline. En soutien de cette hypothèse, on a trouvé une diminution du calcium intracellulaire lorsqu’on traite au AMG9810 des cellules beta pancréatique de rat (provenant des îlots dispersés) stimulées au glucose et au WWL70. L’ensemble des résultats suggère que le MAG est un médiateur de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. Vu que l’inhibition pharmacologique d’ABHD6 augmente la sécrétion d’insuline, on pourra conclure que cette enzyme représente une cible thérapeutique potentielle dans le développement des médicaments anti-diabétiques, visant une augmentation de la sécrétion d’insuline.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

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.

Augmentation of insulin secretion by leucine supplementation in malnourished rats: possible involvement of the phosphatidylinositol 3-phosphate kinase/mammalian target protein of rapamycin pathway

A regimen of low-protein diet induces a reduction of pancreatic islet function that is associated with development of metabolic disorders including diabetes and obesity afterward. In the present study, the influence of leucine supplementation on metabolic parameters, insulin secretion to glucose and to amino acids, as well as the levels of proteins that participate in the phosphatidylinositol 3-phosphate kinase (PI3K) pathway was investigated in malnourished rats. Four groups were fed with different diets for 12 weeks: a normal protein diet (17%) without (NP) or with leucine supplementation (NPL) or a low (6%)-protein diet without (LP) or with leucine supplementation (LPL). Leucine was given in the drinking water during the last 4 weeks. As indicated by the intraperitoneal glucose tolerance test, LPL rats exhibited increased glucose tolerance as compared with NPL group. Both NPL and LPL rats had higher circulating insulin levels than controls. The LPL rats also showed increased insulin secretion by pancreatic islets in response to glucose or arginine compared with those observed in islets from LP animals. Glucose oxidation was significantly reduced in NPL, LP, and LPL isolated islets as compared with NP; but no alteration was observed for leucine and glutamate oxidation among the 4 groups. Western blotting analysis demonstrated increased PI3K and mammalian target protein of rapamycin protein contents in LPL compared with LP islets. A significant increase in insulin-induced insulin receptor substrate I associated PI3K activation was also observed in LPL compared with LP islets. These findings indicate that leucine supplementation can augment islet function in malnourished rats and that activation of the PI3K/maminalian target protein of rapamycin pathway may play a role in this process. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

NAD Biosynthesis Evolution in Bacteria: Lateral Gene Transfer of Kynurenine Pathway in Xanthomonadales and Flavobacteriales

The biosynthesis of quinolinate, the de novo precursor of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), may be performed by two distinct pathways, namely, the bacterial aspartate (aspartate-to-quinolinate) and the eukaryotic kynurenine (tryptophan-to-quinolinate). Even though the separation into eukaryotic and bacterial routes is long established, recent genomic surveys have challenged this view, because certain bacterial species also carry the genes for the kynurenine pathway. In this work, both quinolinate biosynthetic pathways were investigated in the Bacteria clade and with special attention to Xanthomonadales and Bacteroidetes, from an evolutionary viewpoint. Genomic screening has revealed that a small number of bacterial species possess some of the genes for the kynurenine pathway, which is complete in the genus Xanthomonas and in the order Flavobacteriales, where the aspartate pathway is absent. The opposite pattern (presence of the aspartate pathway and absence of the kynurenine pathway) in close relatives (Xylella ssp. and the order Bacteroidales, respectively) points to the idea of a recent acquisition of the kynurenine pathway through lateral gene transfer in these bacterial groups. In fact, sequence similarity comparison and phylogenetic reconstruction both suggest that at least part of the genes of the kynurenine pathway in Xanthomonas and Flavobacteriales is shared by eukaryotes. These results reinforce the idea of the role that lateral gene transfer plays in the configuration of bacterial genomes, thereby providing alternative metabolic pathways, even with the replacement of primary and essential cell functions, as exemplified by NAD biosynthesis.

Exogenous insulin stimulates glycogen accumulation in Rhipicephalus (Boophilus) microplus embryo cell line BME26 via PI3K/AKT pathway

Ticks are obligatory blood-feeding arthropods and important vectors of both human and animal disease agents. Besides its metabolic role, insulin signaling pathway (ISP) is widely described as crucial for vertebrate and invertebrate embryogenesis, development and cell survival. In such cascade, Phosphatidylinositol 3-OH Kinase (PI3K) is hierarchically located upstream Protein Kinase B (PKB). To study the insulin-triggered pathway and its possible roles during embryogenesis we used a culture of embryonic Rhipicephalus microplus cells (BME26). Exogenous insulin elevated cell glycogen content in the absence of fetal calf serum (FCS) when compared to cells without treatment. Moreover, in the presence of PI3K inhibitors (Wortmannin or LY294002) these effects were blocked. We observed an increase in the relative expression level of PI3K`s regulatory subunit (p85), as determined by qRT-PCR. In the presence of PI3K inhibitors these effects on transcription were also reversed. Additionally, treatment with Wortmannin increased the expression level of the insulin-regulated downstream target glycogen synthase kinase 3 beta (GSK3 beta). The p85 subunit showed elevated transcription levels in ovaries from fully engorged females, but was differentially expressed during tick embryogenesis. These results strongly suggest the presence of an insulin responsive machinery in BME26 cells, and its correlation with carbohydrate/glycogen metabolism also during embryogenesis. (C) 2009 Published by Elsevier Inc.

Metabolic oxidative stress elicited by the copper(II) complex [Cu(isaepy)(2)] triggers apoptosis in SH-SY5Y cells through the induction of the AMP-activated protein kinase/p38(MAPK)/p53 signalling axis: evidence for a combined use with 3-bromopyruvate in neuroblastoma treatment

We have demonstrated previously that the complex bis[(2-oxindol-3-ylimino)-2-(2-aminoethyl)pyridine-N,N`]copper(II), named [Cu(isaepy)(2)], induces AMPK (AMP-activated protein kinase)-dependent/p53-mediated apoptosis in tumour cells by targeting mitochondria. In the present study, we found that p38(MAPK) (p38 mitogen-activated protein kinase) is the molecular link in the phosphorylation cascade connecting AMPK to p53. Transfection of SH-SY5Y cells with a dominant-negative mutant of AMPK resulted in a decrease in apoptosis and a significant reduction in phospho-active p38(MAPK) and p53. Similarly, reverse genetics of p38(MAPK) yielded a reduction in p53 and a decrease in the extent of apoptosis, confirming an exclusive hierarchy of activation that proceeds via AMPK/p38(MAPK)/p53. Fuel supplies counteracted [Cu(isaepy)(2)]-induced apoptosis and AMPK/p38(MAPK)/p53 activation, with glucose being the most effective, suggesting a role for energetic imbalance in [Cu(isaepy)(2)] toxicity. Co-administration of 3BrPA (3-bromopyruvate), a well-known inhibitor of glycolysis, and succinate dehydrogenase, enhanced apoptosis and AMPK/p38(MAPK)/p53 signalling pathway activation. Under these conditions, no toxic effect was observed in SOD (superoxide dismutase)-overexpressing SH-SY5Y cells or in PCNs (primary cortical neurons), which are, conversely, sensitized to the combined treatment with [Cu(isaepy)(2)] and 3BrPA only if grown in low-glucose medium or incubated with the glucose-6-phosphate dehydrogenase inhibitor dehydroepiandrosterone. Overall, the results suggest that NADPH deriving from the pentose phosphate pathway contributes to PCN resistance to [Cu(isaepy)(2)] toxicity and propose its employment in combination with 3BrPA as possible tool for cancer treatment.

Endurance training improves responsiveness to insulin and modulates insulin signal transduction through the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt-1 pathway

Background: Endurance training increases insulin-stimulated muscle glucose transport and leads to improved metabolic control in diabetic patients.Objective: To analyze the effects of endurance training on the early steps of insulin action in muscle of rats. Design: Male rats submitted to daily swimming for 6 weeks were compared with sedentary controls. At the end of the training period, anesthetized animals received an intravenous (i.v.) injection of insulin and had a fragment of their gastrocnemius muscle excised for the experiments.Methods: Associations between insulin receptor, insulin receptor substrates (IRS)-1 and -2 and phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-kinase) were analyzed by immunoprecipitation and immunoblotting. Akt-1 serine phosphorylation and specific protein quantification were detected by immunoblotting of total extracts, and IRS-1/IRS-2-associated PI3-kinase activity were determined by thin-layer chromatography.Results: Insulin-induced phosphorylation of IRS-1 and IRS-2 increased respectively by 1.8-fold (P < 0.05) and 1.5-fold (P < 0.05), whereas their association with PI3-kinase increased by 2.3-fold (P < 0.05) and 1.9-fold (P < 0.05) in trained rats as compared with sedentary controls, respectively. The activity of PI3-kinase associated with IRS-1 and IRS-2 increased by 1.8-fold (P < 0.05) and 1.7-fold (P < 0.05) respectively, in trained rats as compared with their untrained counterparts. Serine phosphorylation of Akt-1/PKB increased 1.7-fold (P < 0.05) in trained rats in response to insulin. These findings were accompanied by increased responsiveness to insulin as demonstrated by a reduced area under the curve for insulin during an i.v. glucose tolerance test, by increased glucose disappearance rate during an insulin tolerance test, and by increased expression of glucose transporter-4.Conclusions: the increased responsiveness to insulin induced by chronic exercise in rat skeletal muscle may result, at least in part, from the modulation of the insulin signaling pathway at different molecular levels.

SKPDB: A structural database of shikimate pathway enzymes

Background: The functional and structural characterisation of enzymes that belong to microbial metabolic pathways is very important for structure-based drug design. The main interest in studying shikimate pathway enzymes involves the fact that they are essential for bacteria but do not occur in humans, making them selective targets for design of drugs that do not directly impact humans.Description: The ShiKimate Pathway DataBase (SKPDB) is a relational database applied to the study of shikimate pathway enzymes in microorganisms and plants. The current database is updated regularly with the addition of new data; there are currently 8902 enzymes of the shikimate pathway from different sources. The database contains extensive information on each enzyme, including detailed descriptions about sequence, references, and structural and functional studies. All files (primary sequence, atomic coordinates and quality scores) are available for downloading. The modeled structures can be viewed using the Jmol program.Conclusions: The SKPDB provides a large number of structural models to be used in docking simulations, virtual screening initiatives and drug design. It is freely accessible at http://lsbzix.rc.unesp.br/skpdb/. © 2010 Arcuri et al; licensee BioMed Central Ltd.

Infliximab prevents increased systolic blood pressure and upregulates the AKT/eNOS pathway in the aorta of spontaneously hypertensive rats

High systolic blood pressure caused by endothelial dysfunction is a comorbidity of metabolic syndrome that is mediated by local inflammatory signals. Insulin-induced vasorelaxation due to endothelial nitric oxide synthase (eNOS) activation is highly dependent on the activation of the upstream insulin-stimulated serine/threonine kinase (AKT) and is severely impaired in obese, hypertensive rodents and humans. Neutralisation of circulating tumor necrosis factor-α (TNFα) with infliximab improves glucose homeostasis, but the consequences of this pharmacological strategy on systolic blood pressure and eNOS activation are unknown. To address this issue, we assessed the temporal changes in the systolic pressure of spontaneously hypertensive rats (SHR) treated with infliximab. We also assessed the activation of critical proteins that mediate insulin activity and TNFα-mediated insulin resistance in the aorta and cardiac left ventricle. Our data demonstrate that infliximab prevents the upregulation of both systolic pressure and left ventricle hypertrophy in SHR. These effects paralleled an increase in AKT/eNOS phosphorylation and a reduction in the phosphorylation of inhibitor of nuclear factor-κB (Iκβ) and c-Jun N-terminal kinase (JNK) in the aorta. Overall, our study revealed the cardiovascular benefits of infliximab in SHR. In addition, the present findings further suggested that the reduction of systolic pressure and left ventricle hypertrophy by infliximab are secondary effects to the reduction of endothelial inflammation and the recovery of AKT/eNOS pathway activation. © 2012 Elsevier B.V.