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.

Production, purification, genetic characterization and application studies of tannase enzyme from marine fungus Aspergillus awamori

Marine fungi remain totally unexplored as a source of industrial enzyme and prospective applications. Further tannase production by a marine organism has so far not been established. The primary objective of this study included the evaluation of the potential of Aspergillus awamori isolated from sea water as part of an earlier study and available in the culture collection of the Microbial technology laboratory for tannase production through different fermentation methods, optimization of bioprocess variables by statistical methods, purification and characterization of the enzyme, genetic study, and assessment of its potential applications.

Effect of method of application of a fibrolytic enzyme product on digestive processes and milk production in Holstein-Friesian cows

Four multiparous cows with cannulas in the rumen and proximal duodenum were used in early lactation in a 4 x 4 Latin square experiment to investigate the effect of method of application of a fibrolytic enzyme product on digestive processes and milk production. The cows were given ad libitum a total mixed ration (TMR) composed of 57% (dry matter basis) forage (3:1 corn silage:grass silage) and 43% concentrates. The TMR contained (g/kg dry matter): 274 neutral detergent fiber, 295 starch, 180 crude protein. Treatments were TMR alone or TMR with the enzyme product added (2 kg/1000 kg TMR dry matter) either sprayed on the TMR 1 h before the morning feed (TMR-E), sprayed only on the concentrate the day before feeding (Concs-E), or infused into the rumen for 14 h/d (Rumen-E). There Was no significant effect on either feed intake or milk yield but both were highest on TMR-E. Rumen digestibility of dry matter, organic matter, and starch was unaffected by the enzyme. Digestibility of NDF was lowest on TMR-E in the rumen but highest postruminally. Total Tract digestibility was highest on TMR-E for dry matter, organic matter, and starch but treatment differences were nonsignificant for neutral detergent fiber: Corn silage stover retention time in the rumen was reduced by all enzyme treatments but postruminal transit time vas increased so the decline in total tract retention. time with enzymes was not significant. It is suggested that the tendency for enzymes to reduce particle retention time in the rumen may, by reducing the time available for fibrolysis to occur, at least partly explain the variability in the reported responses to enzyme treatment.

Production of angiotensin-I-converting enzyme (ACE) inhibitory activity in milk fermented with probiotic strains: Effects of calcium, pH and peptides on the ACE-inhibitory activity

Recently, probiotic fermented milk products have raised interest regarding their potential anti-hypertensive activity mainly due to the production of angiotensin-I-converting enzyme (ACE) inhibitory peptides. Ionic calcium released upon milk acidification during fermentation is also known to exert hypotensive activity. Thus, the main aim of this study was to screen probiotic strains for their ability to induce ACE-inhibitory activity upon fermentation of milk. The relationship of ACE-inhibitory activity percentage (ACEi%) with cell growth, pH, degree of hydrolysis and the concentration of ionic calcium released during the fermentation was also investigated. Compared with other lactic acid bacteria, Lactobacillus casei YIT 9029 and Bifidobacterium bifidum MF 20/5 were able to induce strong ACE-inhibitory activity. Furthermore, it was found that the ionic calcium released during milk fermentation could contribute to the ACE-inhibitory activity. These findings will contribute to the development of new probiotic dairy products with anti-hypertensive activity.

Production of angiotensin converting enzyme inhibitory peptides from β-lactoglobulin and casein derived peptides: an integrative approach

Angiotensin I-converting enzyme (ACE) inhibition is one of the mechanisms by which reduction in blood pressure is exerted. Whey proteins are a rich source of ACE inhibitory peptides and have shown a blood pressure reduction effect i.e. antihypertensive activity. The aim of this work was to develop a simplified process using a combination of adsorption and microfiltration steps for the production of hydrolysates from whey with high ACE inhibitory activity and potency; the latter was measured as the IC50, which is the peptide concentration required to reduce ACE activity by half. This process integrates the selective separation of β-lactoglobulin and casein derived peptides (CDP) from rennet whey and their hydrolysis, which results in partially pure, less complex hydrolysates with high bioactive potency. Hydrolysis was carried out with protease N ‘Amano’ in a thermostatically controlled membrane reactor operated in a batch mode. By applying the integrative approach it was possible to produce from the same feedstock two different hydrolysates that exhibited high ACE inhibition. One hydrolysate was mainly composed of casein-derived peptides with IC50= 285 μg/mL. In this hydrolysate we identified the well known potent ACE-I and anti-hypertensive tri-peptide Ile-Pro-Pro (IPP) and another novel octa-peptide Gln-Asp-Lys-Thr-Glu-Ile-Pro-Thr (QDKTEIPT). The second hydrolysate was mainly composed of β-lactoglobulin derived peptides with IC50=128 µg/mL. This hydrolysate contained a tetra-peptide (Ile-Ile-Ala-Glu) IIAE as one of the two major peptides. A further advantage to this process is that enzyme activity was substantially increased as enzyme product inhibition was reduced.

Biochemical and biophysical properties of a highly active recombinant arginase from Leishmania (Leishmania) amazonensis and subcellular localization of native enzyme

Arginase (L-arginine amidinohydrolase, E.C. 3.5.3.1) is a metalloenzyme that catalyses the hydrolysis Of L-arginine to L-ornithine and urea. In Leishmania spp., the biological role of the enzyme may be involved in modulating NO production upon macrophage infection. Previously, we cloned and characterized the arginase gene from Leishmania (Leishmania) amazonensis. In the present work, we successfully expressed the recombinant enzyme in E. coli and performed biochemical and biophysical characterization of both the native and recombinant enzymes. We obtained K-M and V-max. values of 23.9(+/- 0.96) mM and 192.3 mu mol/min mg protein (+/- 14.3), respectively, for the native enzyme. For the recombinant counterpart, K-M was 21.5(+/- 0.90) mM and V-max was 144.9(+/- 8.9) mu mol/min mg. Antibody against the recombinant protein confirmed a glycosomal cellular localization of the enzyme in promastigotes. Data from light scattering and small angle X-ray scattering showed that a trimeric state is the active form of the protein. We determined empirically that a manganese wash at room temperature is the best condition to purify active enzyme. The interaction of the recombinant protein with the immobilized nickel also allowed us to confirm the structural disposition of histidine at positions 3 and 324. The determined structural parameters provide substantial data to facilitate the search for selective inhibitors of parasitic sources of arginase, which could subsequently point to a candidate for leishmaniasis therapy. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Evaluation of the beta-glucanolytic enzyme complex of Trichoderma harzianum Rifai for the production of gluco-oligosaccharide fragments by enzymatic hydrolysis of 1,3;1,6-beta-D-glucans

Botryosphaeran, a new exopolysaccharide from the endophytic fungus Botryosphaeria rhodina MAMB-05, and algal laminarin were hydrolyzed by partially-fractionated enzymes of the beta-glucanolytic complex from Trichoderma harzianum Rifai. beta-Glucanase fractions (F-I and F-II) separated by gel permeation chromatography presented different modes of attack on botryosphaeran and laminarin. Botryosphaeran was hydrolyzed to the extent of 66% (F-I) and 98% (F-II) within 30 min, and its main hydrolysis products were gluco-oligosaccharides of DP >= 4, with lesser amounts of glucose, di- and tri-saccharides. The action of enzyme fractions I and II on laminarin resulted in 15% conversion to glucose, while the percentage of saccharification was radically different (70% for F-I and 25% for F-II). The different product arrays within the polysaccharide hydrolysates can be explained by the difference in the enzymes' specificities within each enzyme fraction, and the molecular structures of the polysaccharides and their complexity.

Callus cell culture of Pothomorphe umbellata (L.) under stress condition leads to high content of peroxidase enzyme

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Eucalyptus ESTs involved in the production of 9-cis epoxycarotenoid dioxygenase, a regulatory enzyme of abscisic acid production

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Production, purification, and characterization of a major penicillium glabrum xylanase using brewer's spent grain as substrate

In recent decades, xylanases have been used in many processing industries. This study describes the xylanase production by Penicillium glabrum using brewer's spent grain as substrate. Additionally, this is the first work that reports the purification and characterization of a xylanase using this agroindustrial waste. Optimal production was obtained when P. glabrum was grown in liquid medium in pH 5.5, at 25 °C, under stationary condition for six days. The xylanase from P. glabrum was purified to homogeneity by a rapid and inexpensive procedure, using ammonium sulfate fractionation and molecular exclusion chromatography. SDS-PAGE analysis revealed one band with estimated molecular mass of 18.36 kDa. The optimum activity was observed at 60 °C, in pH 3.0. The enzyme was very stable at 50 °C, and high pH stability was verified from pH 2.5 to 5.0. The ion Mn2+ and the reducing agents β-mercaptoethanol and DTT enhanced xylanase activity, while the ions Hg2+, Zn2+, and Cu2+ as well as the detergent SDS were strong inhibitors of the enzyme. The use of brewer's spent grain as substrate for xylanase production cannot only add value and decrease the amount of this waste but also reduce the xylanase production cost. © 2013 Adriana Knob et al.

Production and application of amylases of Rhizopus oryzae and Rhizopus microsporus var. oligosporus from industrial waste in acquisition of glucose

Amylases from Rhizopus oryzae and Rhizopus microsporus var. oligosporus were obtained using agro-industrial wastes as substrates in submerged batch cultures. The enzymatic complex was partially characterised for use in the production of glucose syrup. Type II wheat flour proved better than cassava bagasse as sole carbon source for amylase production. The optimum fermentation condition for both microorganisms was 96 hours at 30°C and the amylase thus produced was used for starch hydrolysis. The product of the enzymatic hydrolysis indicated that the enzyme obtained was glucoamylase, only glucose as final product was attained for both microorganisms. R. oligosporus was of greater interest than R. oryzae for amylase production, taking into account enzyme activity, cultivation time, thermal stability and pH range. Glucose syrup was produced using concentrated enzyme and 100 g L-1 starch in a 4 hours reaction at 50°C. The bioprocess studied can contribute to fungus glucoamylase production and application. © 2013 Institute of Chemistry, Slovak Academy of Sciences.

Phytase production by Rhizopus microsporus var. microsporus biofilm: characterization of enzymatic activity after spray drying in presence of carbohydrates and nonconventional adjuvants

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Cyclodextrin Production by Bacillus lehensis Isolated from Cassava Starch: Characterisation of a Novel Enzyme

The properties of a previously unknown enzyme, denominated cyclodextrin glycosyltransferase, produced from Bacillus lehensis, were evaluated using affinity chromatography for protein purification. Enzyme characteristics (optimum pH and temperature; pH and temperature stability), the influence of substances on the enzyme activity, enzyme kinetics, and cyclodextrin production were analysed. Cyclodextrin glycosyltransferase was purified up to 320.74-fold by affinity chromatography using beta-cyclodextrin as the binder and it exhibited 8.71% activity recovery. This enzyme is a monomer with a molecular weight of 81.27 kDa, as estimated by SDS-PAGE. Optimum temperature and pH for cydodextrin glycosyltransferase were 55 degrees C and 8.0, respectively. The Michaelis-Menten constant was 8.62 g/l during maximum velocity of 0.858 g/l.h.