Advanced biofuel production: Engineering metabolic pathways for butanol and propane biosynthesis.

Greenhouse gases emitted from energy production and transportation are dramatically changing the climate of Planet Earth. As a consequence, global warming is affecting the living conditions of numerous plant and animal species, including ours. Thus the development of sustainable and renewable liquid fuels is an essential global challenge in order to combat the climate change. In the past decades many technologies have been developed as alternatives to currently used petroleum fuels, such as bioethanol and biodiesel. However, even with gradually increasing production, the market penetration of these first generation biofuels is still relatively small compared to fossil fuels. Researchers have long ago realized that there is a need for advanced biofuels with improved physical and chemical properties compared to bioethanol and with biomass raw materials not competing with food production. Several target molecules have been identified as potential fuel candidates, such as alkanes, fatty acids, long carbon‐chain alcohols and isoprenoids. The current study focuses on the biosynthesis of butanol and propane as possible biofuels. The scope of this research was to investigate novel heterologous metabolic pathways and to identify bottlenecks for alcohol and alkane generation using Escherichia coli as a model host microorganism. The first theme of the work studied the pathways generating butyraldehyde, the common denominator for butanol and propane biosynthesis. Two ways of generating butyraldehyde were described, one via the bacterial fatty acid elongation machinery and the other via partial overexpression of the acetone‐butanol‐ethanol fermentation pathway found in Clostridium acetobutylicum. The second theme of the experimental work studied the reduction of butyraldehyde to butanol catalysed by various bacterial aldehyde‐reductase enzymes, whereas the final part of the work investigated the in vivo kinetics of the cyanobacterial aldehyde deformylating oxygenase (ADO) for the generation of hydrocarbons. The results showed that the novel butanol pathway, based on fatty acid biosynthesis consisting of an acyl‐ACP thioesterase and a carboxylic acid reductase, is tolerant to oxygen, thus being an efficient alternative to the previous Clostridial pathways. It was also shown that butanol can be produced from acetyl‐CoA using acetoacetyl CoA synthase (NphT7) or acetyl‐CoA acetyltransferase (AtoB) enzymes. The study also demonstrated, for the first time, that bacterial biosynthesis of propane is possible. The efficiency of the system is clearly limited by the poor kinetic properties of the ADO enzyme, and for proper function in vivo, the catalytic machinery requires a coupled electron relay system.

Involvement of catecholaminergic medullary pathways in cardiovascular responses to acute changes in circulating volume

Water deprivation and hypernatremia are major challenges for water and sodium homeostasis. Cellular integrity requires maintenance of water and sodium concentration within narrow limits. This regulation is obtained through engagement of multiple mechanisms and neural pathways that regulate the volume and composition of the extracellular fluid. The purpose of this short review is to summarize the literature on central neural mechanisms underlying cardiovascular, hormonal and autonomic responses to circulating volume changes, and some of the findings obtained in the last 12 years by our laboratory. We review data on neural pathways that start with afferents in the carotid body that project to medullary relays in the nucleus tractus solitarii and caudal ventrolateral medulla, which in turn project to the median preoptic nucleus in the forebrain. We also review data suggesting that noradrenergic A1 cells in the caudal ventrolateral medulla represent an essential link in neural pathways controlling extracellular fluid volume and renal sodium excretion. Finally, recent data from our laboratory suggest that these structures may also be involved in the beneficial effects of intravenous infusion of hypertonic saline on recovery from hemorrhagic shock.

Alternative pathways for angiotensin II generation in the cardiovascular system

The classical renin-angiotensin system (RAS) consists of enzymes and peptides that regulate blood pressure and electrolyte and fluid homeostasis. Angiotensin II (Ang II) is one of the most important and extensively studied components of the RAS. The beneficial effects of angiotensin converting enzyme (ACE) inhibitors in the treatment of hypertension and heart failure, among other diseases, are well known. However, it has been reported that patients chronically treated with effective doses of these inhibitors do not show suppression of Ang II formation, suggesting the involvement of pathways alternative to ACE in the generation of Ang II. Moreover, the finding that the concentration of Ang II is preserved in the kidney, heart and lungs of mice with an ACE deletion indicates the important role of alternative pathways under basal conditions to maintain the levels of Ang II. Our group has characterized the serine protease elastase-2 as an alternative pathway for Ang II generation from Ang I in rats. A role for elastase-2 in the cardiovascular system was suggested by studies performed in heart and conductance and resistance vessels of normotensive and spontaneously hypertensive rats. This mini-review will highlight the pharmacological aspects of the RAS, emphasizing the role of elastase-2, an alternative pathway for Ang II generation.

Role of the extracellular matrix in variations of invasive pathways in lung cancers

Among the most common features of highly invasive tumors, such as lung adenocarcinomas (AD) and squamous cell carcinomas (SqCC), is the massive degradation of the extracellular matrix. The remarkable qualitative and quantitative modifications of hyaluronidases (HAases), hyaluronan synthases (HAS), E-cadherin adhesion molecules, and the transforming growth factor β (TGF-β) may favor invasion, cellular motility, and proliferation. We examined HAase proteins (Hyal), HAS, E-cadherin, and TGF-β profiles in lung AD subtypes and SqCC obtained from smokers and non-smokers. Fifty-six patients, median age 64 years, who underwent lobectomy for AD (N = 31) and SqCC (N = 25) were included in the study. HAS-1, -2 and -3, and Hyal-1 and -3 were significantly more expressed by tumor cells than normal and stroma cells (P < 0.01). When stratified according to histologic types, HAS-3 and Hyal-1 immunoreactivity was significantly increased in tumor cells of AD (P = 0.01) and stroma of SqCC (P = 0.002), respectively. Tobacco history in patients with AD was significantly associated with increased HAS-3 immunoreactivity in tumor cells (P < 0.01). Stroma cells of SqCC from non-smokers presented a significant association with HAS-3 (P < 0.01). Hyal, HAS, E-cadherin, and TGF-β modulate a different tumor-induced invasive pathway in lung AD subgroups and SqCC. HAases in resected AD and SqCC were strongly related to the prognosis. Therefore, our findings suggest that strategies aimed at preventing high HAS-3 and Hyal-1 synthesis, or local responses to low TGF-β and E-cadherin, may have a greater impact in lung cancer prognosis.

Mapping and signaling of neural pathways involved in the regulation of hydromineral homeostasis

Several forebrain and brainstem neurochemical circuitries interact with peripheral neural and humoral signals to collaboratively maintain both the volume and osmolality of extracellular fluids. Although much progress has been made over the past decades in the understanding of complex mechanisms underlying neuroendocrine control of hydromineral homeostasis, several issues still remain to be clarified. The use of techniques such as molecular biology, neuronal tracing, electrophysiology, immunohistochemistry, and microinfusions has significantly improved our ability to identify neuronal phenotypes and their signals, including those related to neuron-glia interactions. Accordingly, neurons have been shown to produce and release a large number of chemical mediators (neurotransmitters, neurohormones and neuromodulators) into the interstitial space, which include not only classic neurotransmitters, such as acetylcholine, amines (noradrenaline, serotonin) and amino acids (glutamate, GABA), but also gaseous (nitric oxide, carbon monoxide and hydrogen sulfide) and lipid-derived (endocannabinoids) mediators. This efferent response, initiated within the neuronal environment, recruits several peripheral effectors, such as hormones (glucocorticoids, angiotensin II, estrogen), which in turn modulate central nervous system responsiveness to systemic challenges. Therefore, in this review, we shall evaluate in an integrated manner the physiological control of body fluid homeostasis from the molecular aspects to the systemic and integrated responses.

Global microRNA profiles and signaling pathways in the development of cardiac hypertrophy

Hypertrophy is a major predictor of progressive heart disease and has an adverse prognosis. MicroRNAs (miRNAs) that accumulate during the course of cardiac hypertrophy may participate in the process. However, the nature of any interaction between a hypertrophy-specific signaling pathway and aberrant expression of miRNAs remains unclear. In this study, Spague Dawley male rats were treated with transverse aortic constriction (TAC) surgery to mimic pathological hypertrophy. Hearts were isolated from TAC and sham operated rats (n=5 for each group at 5, 10, 15, and 20 days after surgery) for miRNA microarray assay. The miRNAs dysexpressed during hypertrophy were further analyzed using a combination of bioinformatics algorithms in order to predict possible targets. Increased expression of the target genes identified in diverse signaling pathways was also analyzed. Two sets of miRNAs were identified, showing different expression patterns during hypertrophy. Bioinformatics analysis suggested the miRNAs may regulate multiple hypertrophy-specific signaling pathways by targeting the member genes and the interaction of miRNA and mRNA might form a network that leads to cardiac hypertrophy. In addition, the multifold changes in several miRNAs suggested that upregulation of rno-miR-331*, rno-miR-3596b, rno-miR-3557-5p and downregulation of rno-miR-10a, miR-221, miR-190, miR-451 could be seen as biomarkers of prognosis in clinical therapy of heart failure. This study described, for the first time, a potential mechanism of cardiac hypertrophy involving multiple signaling pathways that control up- and downregulation of miRNAs. It represents a first step in the systematic discovery of miRNA function in cardiovascular hypertrophy.

ERKs and mitochondria-related pathways are essential for glycyrrhizic acid-mediated neuroprotection against glutamate-induced toxicity in differentiated PC12 cells

The present study focuses on the neuroprotective effect of glycyrrhizic acid (GA, a major compound separated from Glycyrrhiza Radix, which is a crude Chinese traditional drug) against glutamate-induced cytotoxicity in differentiated PC12 (DPC12) cells. The results showed that GA treatment improved cell viability and ameliorated abnormal glutamate-induced alterations in mitochondria in DPC12 cells. GA reversed glutamate-suppressed B-cell lymphoma 2 levels, inhibited glutamate-enhanced expressions of Bax and cleaved caspase 3, and reduced cytochrome C (Cyto C) release. Exposure to glutamate strongly inhibited phosphorylation of AKT (protein kinase B) and extracellular signal-regulated kinases (ERKs); however, GA pretreatment enhanced activation of ERKs but not AKT. The presence of PD98059 (a mitogen-activated protein/extracellular signal-regulated kinase kinase [MEK] inhibitor) but not LY294002 (a phosphoinositide 3-kinase [PI3K] inhibitor) diminished the potency of GA for improving viability of glutamate-exposed DPC12 cells. These results indicated that ERKs and mitochondria-related pathways are essential for the neuroprotective effect of GA against glutamate-induced toxicity in DPC12 cells. The present study provides experimental evidence supporting GA as a potential therapeutic agent for use in the treatment of neurodegenerative diseases.

Morphometric analysis of feedforward pathways from the primary somatosensory area (S1) of rats

We used biotinylated dextran amine (BDA) to anterogradely label individual axons projecting from primary somatosensory cortex (S1) to four different cortical areas in rats. A major goal was to determine whether axon terminals in these target areas shared morphometric similarities based on the shape of individual terminal arbors and the density of two bouton types: en passant (Bp) and terminaux (Bt). Evidence from tridimensional reconstructions of isolated axon terminal fragments (n=111) did support a degree of morphological heterogeneity establishing two broad groups of axon terminals. Morphological parameters associated with the complexity of terminal arbors and the proportion of beaded Bp vs stalked Bt were found to differ significantly in these two groups following a discriminant function statistical analysis across axon fragments. Interestingly, both groups occurred in all four target areas, possibly consistent with a commonality of presynaptic processing of tactile information. These findings lay the ground for additional work aiming to investigate synaptic function at the single bouton level and see how this might be associated with emerging properties in postsynaptic targets.

On the edge : exploring homeless women's social networks

This thesis aims to uncover the ways that previously homeless women in the Niagara region are able (or unable) to rely on friends, family and service providers in times of crisis (homelessness and poverty). Eleven women were interviewed and their experiences indicate that social networks cannot take the place of comprehensive and inclusive social policy. Time and time again, their stories showed that they were left negotiating the detritus of neo-liberal policies.

Entering Youthwork Through Love's Many Pathways: A Poetic Rendition

Entering Youth work Through Love's Many Pathways is a text that wanders and digresses to places where, through poetic inquiry and a Spinozist and Sufi framework, the concepts of immanence, love and becoming can be explored. This thesis is framed as a walk through which the researcher / youth worker along with the reader, traverses through five pathways that she considers necessary in cultivating a meaningful relationship with the youth: opening, strength, listening, trust and unconditional compassion. By means of engaging the “self”, this thesis approaches youth work as a field that is relational and socially interconnected. In this sense, this poetic inquiry seeks to rupture predictable patterns of behaviour. One of the ways I do this is through found poetry. Through this specific form of poetic inquiry, I bring together various voices, an assemblage – Rumi, Rilke, Whitman, Lalla, Mirabai and Song of Songs – in order to find my voice and by extension, to help the youth find their voice through a human connection that goes beyond colour, race, gender etc. In other words, my aim is to actualize the experiences of becoming youth worker while being in a field of immanence where similarities are understood and differences respected. My hope is that this project may offer an example of understanding, celebration, and engagement of our mutual differences, while still being able to relate to one another through the many pathways of love.

"Staying Alive" while "Living the Life" : conceptualizations of risk among homeless youth

Résumé Le but de cette thèse est de comprendre les représentations du risque chez les jeunes de la rue. Plus précisément, elle s’intéresse à appréhender les constructions du risque que font les jeunes de la rue eux-mêmes, d’autant plus que ces jeunes sont définis comme un groupe à risque. Si le risque est plus souvent défini de manière stricte comme le mal éventuel, dans cette étude, il est défini plus largement intégrant l’idée des opportunités et prises de risque. Ancrée dans une perspective double du constructionnisme social et de l’interactionnisme symbolique, cette recherche a exploré les savoirs des jeunes sur les risques qu’ils vivaient dans les contextes observés et la manière dont ils les appréhendaient. Pour y parvenir, cette recherche s’inscrit dans une approche ethnographique pour mieux comprendre le monde des jeunes de la rue, utilisant des méthodes d'observation participante et dévoilée et des entrevues informelles variées. Cette approche globale permet de saisir comment les jeunes définissent leur capacité à estimer, gérer, éviter ou prendre des risques. L’utilisation d’une perspective longitudinale (de un à deux ans) et les relations de confiance bâties avec ces jeunes, ont permis de suivre comment la construction identitaire des jeunes observés a influencé leurs perception du risque et leurs pratiques de débrouillardise. En outre, les liens établis ont permis de révéler les points de vue singuliers des jeunes mais aussi leurs savoirs expérientiels relatifs aux risques. Il s’agit dans cette étude de montrer à partir des théories générales qui définissent nos sociétés comme des sociétés du risque, comment des individus, identifiés comme appartenant à un groupe à risque, définissent et gèrent leurs risques à partir de leur propre expérience et point de vue afin de révéler la diversité et la complexité des expériences et savoirs des jeunes de la rue à l’endroit du risque. En effet, cette thèse montre qu’un ancrage dans une sociologie du risque permet de sortir de l’image de victime ou de déviance associée généralement aux jeunes de la rue mais qu’elle demeure marquée par la promotion de la sécurité légitimant intervention et régulation de la situation des jeunes de la rue tout en ignorant l’expérience même des jeunes. Les discours sur les risques associés à la rue sont alors inscrits dans une logique d’expertise. Cette étude vise à sortir de ces préconceptions des risques pris par les jeunes de la rue pour au contraire s’attarder à comprendre comment se définit le risque à partir du sens que les jeunes accordent et les expériences qu’ils en ont. Mots clés: jeunes itinérants, jeunes de la rue, le risque, à risque, victimisation, déviance, identité.

Growth factor activation of ErbB2/ErbB3 signaling pathways regulate the activity of Estrogen Receptors (ER)

La signalisation par l’estrogène a longtemps été considérée comme jouant un rôle critique dans le développement et la progression des cancers hormono-dépendants tel que le cancer du sein. Deux tiers des cancers du sein expriment le récepteur des estrogènes (ER) qui constitue un élément indiscutable dans cette pathologie. L’acquisition d’une résistance endocrinienne est cependant un obstacle majeur au traitement de cette forme de cancer. L’émergence de cancers hormono-indépendants peut est produite par l’activation de ER en absence d’estrogène, l’hypersensibilité du récepteur aux faibles concentrations plasmique d’estrogène ainsi que l’activation de ER par des modulateurs sélectifs. L’activité du ER est fortement influencée par l’environnement cellulaire tel que l’activation de voie de signalisation des facteurs de croissances, la disponibilité de protéines co-régulatrices et des séquences promotrices ciblées. Présentement, les études ont principalement considérées le rôle de ERα, cependant avec la découverte de ERβ, notre compréhension de la diversité des mécanismes potentiels impliquant des réponses ER-dépendantes s’est améliorée. L’activation des voies des kinases par les facteurs de croissance entraîne le développement d’un phénotype tumoral résistant aux traitements actuels. Nos connaissances des voies impliquées dans l’activation de ER sont restreintes. ERα est considéré comme le sous-type dominant et corrèle avec la plupart des facteurs de pronostic dans le cancer du sein. Le rôle de ERβ reste imprécis. Les résultats présentés dans cette thèse ont pour objectif de mieux comprendre l’implication de ERβ dans la prolifération cellulaire par l’étude du comportement de ERβ et ERα suite à l’activation des voies de signalisation par les facteurs de croissance. Nous démontrons que l’activation des récepteurs de surfaces de la famille ErbB, spécifiquement ErbB2/ErbB3, inhibe l’activité transcriptionnelle de ERβ, malgré la présence du coactivateur CBP, tout en activant ERα. De plus, l’inhibition de ERβ est attribuée à un résidu sérine (Ser-255) situé dans la région charnière, absente dans ERα. Des études supplémentaires de ErbB2/ErbB3 ont révélé qu’ils activent la voie PI3K/Akt ciblant à son tour la Ser-255. En effet, cette phosphorylation de ERβ par PI3K/Akt induit une augmentation de l’ubiquitination du récepteur qui promeut sa dégradation par le système ubiquitine-protéasome. Cette dégradation est spécifique pour ERβ. De façon intéressante, la dégradation par le protéasome requiert la présence du coactivateur CBP normalement requis pour l’activité transcriptionnelle des récepteurs nucléaires. Malgré le fait que l’activation de la voie PI3K/Akt corrèle avec une diminution de l’expression des gènes sous le contrôle de ERβ, on observe une augmentation de la prolifération des cellules cancéreuses. L’inhibition de la dégradation de ERβ réduit cette prolifération excessive causée par le traitement avec Hrgβ1, un ligand de ErbB3. Un nombre croissant d’évidences indique que les voies de signalisations des facteurs de croissance peuvent sélectivement réguler l’activité transcriptionnelle de sous-types de ER. De plus, le ratio ERα/ERβ dans les cancers du sein devient un outil de diagnostique populaire afin de déterminer la sévérité d’une tumeur. En conclusion, la caractérisation moléculaire du couplage entre la signalisation des facteurs de croissance et la fonction des ERs permettra le développement de nouveaux traitements afin de limiter l’apparition de cellules tumorales résistantes aux thérapies endocriniennes actuelles.

The left atrial ganglionated plexus : its function and pathways relative to atrial fibrillation surgery

Le système nerveux autonome cardiaque est devenu une cible dans les thérapies ablatives de la fibrillation auriculaire. Nous avons étudié les voies de communication et la fonction des plexus ganglionnaires (PG) de l'oreillette gauche (PGOG) afin de clarifier la validité physiopathologique des méthodes de détection et des thérapies impliquant ces groupes de neuronnes. Méthodes: Vingt-deux chiens ont subi une double thoracotomie et ont été instrumentés avec des plaques auriculaires épidcardiques de multiélectrodes. Une stimulation électrique (2 mA, 15 Hz) des PGOG a été réalisée à l'état basal et successivement après: 1) une décentralisation vagale, 2) l'ablation par radiofréquence des plexus péri-aortiques et de la veine cave supérieure (Ao/VCS) et 3) l'ablation du PG de l'oreillette droite (PGOD). Ces procédures de dénervation ont été réalisées suivant une séquence antérograde (n = 17) ou rétrograde (n = 5). Résultats: Chez 17 des 22 animaux, la stimulation des PGOG a induit une bradycardie sinusale (149 ± 34 bpm vs 136 ± 28 bpm, p < 0.002) et des changements de repolarization (ΔREPOL) auriculaires isointégrales. Dans le groupe des ablations antérogrades, les réponses aux stimulations vagales ont été supprimées suite à la décentralisation vagale chez un seul animal, par l'ablation des plexus Ao/VCS dans 4 cas et par l'ablation du PGOG dans 5 autres animaux. Des changements ont persisté tout au long chez 2 chiens. La valeur de surface des ΔREPOL a diminué avec les dénervations séquentielles, passant de 365 ± 252 mm2 en basale à 53 ± 106 mm2 après l'ablation du PGOD (p < 0.03). Dans le groupe de dénervation rétrograde, les changements de repolarisation et chronotropiques ont été supprimés suite à l'ablation du PGOD chez deux chiens et suite à l'ablation Ao/VCS chez trois. La valeur de surface du ΔREPOL a aussi diminué après l'ablation du PGOD (269±144mm2 vs 124±158mm2, p<0.05). Conclusion: Les PGOD sont identifiables en préablation par la réponse bradycardique à la stimulation directe dans la plupart des cas. Le PGOD semble former la principale, mais non la seule, voie de communication avec le nœud sinusal. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le traitement de la FA par méthodes ablatives.

Functional organization of cutaneous reflex pathways during locomotion and reorganization following peripheral nerve and/or spinal cord lesions

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Biomethanation of syngas: identification of metabolic pathways from CO in a natural anaerobic consortium

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies.