Characterization of glutaraldehyde-immobilized chymotrypsin and an in-situ immobilized enzyme reactor using capillary electrophoresis-based peptide mapping

La digestion enzymatique des protéines est une méthode de base pour les études protéomiques ainsi que pour le séquençage en mode « bottom-up ». Les enzymes sont ajoutées soit en solution (phase homogène), soit directement sur le gel polyacrylamide selon la méthode déjà utilisée pour l’isolation de la protéine. Les enzymes protéolytiques immobilisées, c’est-à-dire insolubles, offrent plusieurs avantages tels que la réutilisation de l’enzyme, un rapport élevé d’enzyme-sur-substrat, et une intégration facile avec les systèmes fluidiques. Dans cette étude, la chymotrypsine (CT) a été immobilisée par réticulation avec le glutaraldehyde (GA), ce qui crée des particules insolubles. L’efficacité d’immobilisation, déterminée par spectrophotométrie d’absorbance, était de 96% de la masse totale de la CT ajouté. Plusieurs différentes conditions d’immobilisation (i.e., réticulation) tels que la composition/pH du tampon et la masse de CT durant la réticulation ainsi que les différentes conditions d’entreposage tels que la température, durée et humidité pour les particules GA-CT ont été évaluées par comparaison des cartes peptidiques en électrophorèse capillaire (CE) des protéines standards digérées par les particules. Les particules de GA-CT ont été utilisés pour digérer la BSA comme exemple d’une protéine repliée large qui requit une dénaturation préalable à la digestion, et pour digérer la caséine marquée avec de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC) comme exemple d’un substrat dérivé afin de vérifier l’activité enzymatique du GA-CT dans la présence des groupements fluorescents liés au substrat. La cartographie peptidique des digestions par les particules GA-CT a été réalisée par CE avec la détection par absorbance ultraviolet (UV) ou fluorescence induite par laser. La caséine-FITC a été, en effet, digérée par GA-CT au même degré que par la CT libre (i.e., soluble). Un microréacteur enzymatique (IMER) a été fabriqué par immobilisation de la CT dans un capillaire de silice fondu du diamètre interne de 250 µm prétraité avec du 3-aminopropyltriéthoxysilane afin de fonctionnaliser la paroi interne avec les groupements amines. Le GA a été réagit avec les groupements amine puis la CT a été immobilisée par réticulation avec le GA. Les IMERs à base de GA-CT étaient préparé à l’aide d’un système CE automatisé puis utilisé pour digérer la BSA, la myoglobine, un peptide ayant 9 résidus et un dipeptide comme exemples des substrats ayant taille large, moyenne et petite, respectivement. La comparaison des cartes peptidiques des digestats obtenues par CE-UV ou CE-spectrométrie de masse nous permettent d’étudier les conditions d’immobilisation en fonction de la composition et le pH du tampon et le temps de réaction de la réticulation. Une étude par microscopie de fluorescence, un outil utilisé pour examiner l’étendue et les endroits d’immobilisation GA-CT dans l’IMER, ont montré que l’immobilisation a eu lieu majoritairement sur la paroi et que la réticulation ne s’est étendue pas si loin au centre du capillaire qu’anticipée.

Polyphenolic Compounds Liberated during Coir Retting in a Bio-reactor: Separation, Characterisation and Possible Applications

School of environmental studies, Cochin University of Science and Technology

Fixed bed reactor performance of invertase immobilized on montmorillonite

Invertase was immobilized on acid activated montmorillonite via two independent procedures, adsorption and covalent binding. The immobilized enzymes were characterized by XRD, NMR and N2 adsorption measurements and their activity was tested in a fixed bed reactor. XRD revealed that the enzyme was situated on the periphery of the clay and the side chains of different amino acid residues were involved in intercalation with the clay matrix. NMR demonstrated that tetrahedral Al was linked to the enzyme during adsorption and the octahedral Al was involved during covalent binding. Secondary interaction of the enzyme with Al was also observed. N2 adsorption studies showed that covalent binding of enzymes caused pore blockage since the highly polymeric species were located at the pore entrance. The fixed bed reactor proved to be efficient for the immobilized invertase. The optimum pH and pH stability improved upon immobilization. The kinetic parameters calculated also showed an enhanced efficiency of the immobilized systems. They could be used continuously for long period. Covalently bound invertase demonstrated greater operational stability.

Glucoamylase immobilized on montmorillonite: Synthesis, characterization and starch hydrolysis activity in a fixed bed reactor

Glucoamylase from Aspergillus Niger was immobilized on montmorillonite clay (K-10) by two procedures, adsorption and covalent binding. The immobilized enzymes were characterized using XRD, surface area measurements and 27Al MAS NMR and the activity of the immobilized enzymes for starch hydrolysis was tested in a fixed bed reactor (FBR). XRD shows that enzyme intercalates into the inter-lamellar space of the clay matrix with a layer expansion up to 2.25 nm. Covalently bound glucoamylase demonstrates a sharp decrease in surface area and pore volume that suggests binding of the enzyme at the pore entrance. NMR studies reveal the involvement of octahedral and tetrahedral Al during immobilization. The performance characteristics in FBR were evaluated. Effectiveness factor (η) for FBR is greater than unity demonstrating that activity of enzyme is more than that of the free enzyme. The Michaelis constant (Km) for covalently bound glucoamylase was lower than that for free enzyme, i.e., the affinity for substrate improves upon immobilization. This shows that diffusional effects are completely eliminated in the FBR. Both immobilized systems showed almost 100% initial activity after 96 h of continuous operation. Covalent binding demonstrated better operational stability.

Anaerobic Reactor Development for Complex Organic Wastewater

Faculty of Engineering. Cochin University of Science and Technology

Nitrifying Bioreactors Integrated into Shrimp and Prawn Hatchery Systems: Molecular Characterization of the Nitrifying Consortia,Reactor Kinetics, Modeling and Validation

National Centre for Aquatic Animal Health, Cochin University of Science and Technology

Continuous production of L-glutaminase by an immobilized marine Pseudomonas sp BTMS-51 in a packed bed reactor

A marine Pseudomonas sp BTMS-51, immobilized by Ca-alginate gel entrapment was used for the production of extracellular Lglutaminase under repeated batch process and continuous process employing a packed bed reactor (PBR). Immobilized cells could produce an average of 25 U/ml of enzyme over 20 cycles of repeated batch operation and did not show any decline in production upon reuse. The enzyme yield correlated well with the biomass content in the beads. Continuous production of the enzyme in PBR was studied at different substrate concentrations and dilution rates. In general, the volumetric productivity increased with increased dilution rate and substrate concentrations and the substrate conversion efficiency declined. The PBR operated under conditions giving maximal substrate conversion efficiency gave an average yield of 21.07 U/ml and an average productivity of 13.49 U/ml/h. The system could be operated for 120 h without any decline in productivity

Biofilm Forming Multi Drug Resistant Staphylococcus spp. Among Patients with Conjunctivitis

Biofilm forming multidrug resistant Staphylococcus spp. are major reservoirs for transmission of ophthalmic infections. They were isolated from ocular patients suffering from conjunctivitis. In this study we analyzed biofilm forming ability, antibiotic resistance profile of the Staphylococcus spp. isolated from clinical ocular patients, and their phylogenetic relationship with other community MRSA. Sixty Staphylococcus spp. strains isolated from clinical subjects were evaluated for their ability to form biofilm and express biofilm encoding ica gene. Among them 93% were slime producers and 87% were slime positive. Staphylococcus aureus and S. epidermidis were dominant strains among the isolates obtained from ocular patients. The strains also exhibited a differential biofilm formation quantitatively. Antibiotic susceptibility of the strains tested with Penicillin G, Ciprofloxacin, Ofloxacin, Methicillin, Amikacin, and Gentamicin indicated that they were resistant to more than one antibiotic. The amplicon of ica gene of strong biofilm producing S. aureus strains, obtained by polymerase chain reaction, was sequenced and their close genetic relationship with community acquired MRSA was analyzed based on phylogenetic tree. Our results indicate that they are genetically close to other community acquired MRSA

Continuous Production of Extracellular L-Glutaminase by Ca-Alginate-Immobilized Marine Beauveria bassiana BTMF S-10 in Packed-Bed Reactor

L-Glutamine amidohydrolase (L-glutaminase, EC 3.5.1.2) is a therapeutically and industrially important enzyme. Because it is a potent antileukemic agent and a flavor-enhancing agent used in the food industry, many researchers have focused their attention on L-glutaminase. In this article, we report the continuous production of extracellular L-glutaminase by the marine fungus Beauveria bassiana BTMF S-10 in a packed-bed reactor. Parameters influencing bead production and performance under batch mode were optimized in the order-support (Na-alginate) concentration, concentration of CaCl2 for bead preparation, curing time of beads, spore inoculum concentration, activation time, initial pH of enzyme production medium, temperature of incubation, and retention time. Parameters optimized under batch mode for L-glutaminase production were incorporated into the continuous production studies. Beads with 12 × 108 spores/g of beads were activated in a solution of 1% glutamine in seawater for 15 h, and the activated beads were packed into a packed-bed reactor. Enzyme production medium (pH 9.0) was pumped through the bed, and the effluent was collected from the top of the column. The effect of flow rate of the medium, substrate concentration, aeration, and bed height on continuous production of L-glutaminase was studied. Production was monitored for 5 h in each case, and the volumetric productivity was calculated. Under the optimized conditions for continuous production, the reactor gave a volumetric productivity of 4.048 U/(mL·h), which indicates that continuous production of the enzyme by Ca-alginate-immobilizedspores is well suited for B. bassiana and results in a higher yield of enzyme within a shorter time. The results indicate the scope of utilizing immobilized B. bassiana for continuous commercial production of L-glutaminase

Untersuchungen zum Vorkommen und molekularen Mechanismus der Biofilm-Bildung bei Enterokokken aus verschiedenen klinischen Bereichen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine größere Anzahl an E. faecalis Isolaten aus Vaginalabstrichen, erstmals insbesondere von Patientinnen, die an Bakterieller Vaginose litten, untersucht und mit E. faecalis Stämme aus verschiedenen anderen klinischen Bereichen auf das Vorkommen von Virulenzfaktoren verglichen. Weiterhin wurden Korrelationen zwischen bestimmten Faktoren und der Menge an produziertem Biofilm erstellt, um mögliche Zusammenhänge zum Mechanismus der Biofilm-Bildung zu erfassen. Mittels statistischer Analysen konnte hinsichtlich der 150 untersuchten E. faecalis Isolate nachgewiesen werden, dass keine signifikanten Unterschiede der Inzidenzen von Virulenzfaktoren (esp, asa1, gelE, GelE, cylA, β-Hämolyse) zwischen den Stämmen der verschiedenen Herkunftsbereiche bestanden. In Bezug auf das Auftreten von Biofilm-Bildung zeigte sich ein erhöhtes Vorkommen bei Stämmen aus Urin sowie invasiver Herkunft (insgesamt jeweils ca. 70 % mäßige und starke Biofilm-Bildner) im Vergleich zu E. faecalis Isolaten aus Wunden oder Faeces (je ca. 40 %). Statistische Auswertungen bzgl. des Zusammenhangs eines oder einer Kombination von Virulenzfaktoren mit der Menge an gebildetem Biofilm wiesen darauf hin, dass Isolate, die das esp Gen besaßen, in erhöhtem Maße zur Biofilm-Bildung befähigt waren. Dies zeigte einen gewissen Einfluss des Zellwandproteins auf die Fähigkeit zur Biofilm-Bildung bei E. faecalis. Allerdings wurden stets auch Stämme identifiziert, die die Fähigkeit zur Biofilm-Bildung trotz des Fehlens der jeweils untersuchten genetischen Determinante bzw. der Determinanten aufwiesen, so dass auf das Vorhandensein weiterer, unbekannter Einflussfaktoren auf den Mechanismus der Biofilm-Bildung bei E. faecalis geschlossen werden konnte. Unter 78 untersuchten E. faecium Isolaten aus verschiedenen klinischen Bereichen konnte lediglich ein Stamm (1,3 %) als mäßiger Biofilm-Bildner charakterisiert werden, so dass die Fähigkeit bei dieser Spezies in der hier untersuchten Region unter diesen Bedingungen kaum nachgewiesen werden konnte. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die Untersuchung zum Vorkommen von Virulenzfaktoren und Biofilm-Bildung bei E. faecalis Isolaten aus Vaginalabstrichen. Bzgl. des Auftretens von Virulenzfaktoren und Biofilm-Produktion konnte kein Unterschied zwischen Stämmen assoziiert mit Bakterieller Vaginose und Isolaten einer Vergleichsgruppe festgestellt werden. Allerdings zeigte eine Gegenüberstellung mit den untersuchten E. faecalis Stämmen aus anderen klinischen Bereichen, dass die 80 Isolate aus Vaginalabstrichen eine ähnlich hohe Inzidenz bestimmter Virulenzfaktoren wie Stämme aus Faeces, Urin, Wunden oder invasiver Herkunft sowie eine mit den Isolaten aus Urin und invasiver Herkunft vergleichbar hohe Fähigkeit zur Biofilm-Bildung aufwiesen (ca. 75 % mäßige und starke Biofilm-Bildner). Dies deutete auf eine Verbreitung der Biofilm-Bildungsfähigkeit bei E. faecalis Stämmen der Vaginalflora und somit auf eine große Bedeutung der Eigenschaft für Isolate dieser Herkunft hin. Die statistische Auswertung der Korrelationen von Virulenzfaktoren mit der Menge an gebildetem Biofilm lieferte ähnliche Ergebnisse wie die Analysen bzgl. der 150 E. faecalis Isolate aus anderen klinischen Bereichen und untermauerte die Annahme, dass zusätzliche Faktoren zu den hier untersuchten Determinanten bei E. faecalis vorhanden sein müssen, die Einfluss auf den Mechanismus der Biofilm-Bildung nehmen. Deshalb konzentrierte sich ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit auf die Herstellung und Charakterisierung von E. faecalis Biofilm-Spontanmutanten, um bisher noch ungeklärte Mechanismen oder neue Faktoren zu erkennen, die Einfluss auf die Biofilm-Bildung bei E. faecalis nehmen. Die Untersuchung einer Mutante (1.10.16) und ihres Wildtypstamms lieferte erstmals den phänotypischen Nachweis des HMW-Komplexes der drei Bee-Proteine sowie die Identifizierung konservierter Pili-Motive dieser Proteine. Des Weiteren schien die in diesem Cluster ebenfalls codierte Sortase-1 dasjenige Enzym zu sein, das höchstwahrscheinlich die Bindung des Proteins Bee-2 innerhalb dieses HMW-Komplexes katalysiert. Insofern lieferten diese Untersuchungen neue, konkrete Hinweise zur Rolle des bee Genclusters bei der Pili-Biogenese und Biofilm-Bildung von E. faecalis. Darüber hinaus stellen Erkenntnisse aus der Charakterisierung von zwei weiteren hergestellten Biofilm-Spontanmutanten viel versprechende Ausgangspunkte für zukünftige Untersuchungen dar, die ein weitergehendes Verständnis der molekularen Mechanismen der Biofilm-Bildung bei E. faecalis erzielen könnten.

Vom Biofilm zur planktonischen Lebensform

Im ersten Teil dieser Dissertation stand die Analyse der Motilitätsentwicklung bei Vertretern der Gattung Methylobacterium im Vordergrund. Diese zu den pink pigmentierten fakultativ methylotrophen Mikroorganismen (PPFMs) gehörenden Prokaryoten sind in der Umwelt weit verbreitet. Besonders häufig besiedeln die Mikroben pflanzliche Oberflächen und können als so genannte Phytosymbionten in einer wechselseitigen Beziehung zu pflanzlichen Organismen stehen. In aquatischer Umgebung können Methylobakterien Flagellen aufweisen. Hierbei handelt es sich um spezielle Fortbewegungsorganellen, die den Mikroben eine aktive Beweglichkeit ermöglichen. Die Ausbildung polarer Einzelflagellen bei Methylobacterium-Zellen in planktonischer Lebensweise konnte unter Anwendung verschiedener mikroskopischer Techniken dokumentiert werden. Quantitative Beweglichkeitsstudien zeigten einen charakteristischen Entwicklungsverlauf, korreliert mit den Wachstumsphasen der Bakterienkulturen und machten deutlich, dass die Motilitätsrate durch Umweltfaktoren, wie z. B. die Nährstoffversorgung, beeinflusst werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Pflanzen-assoziierten PPFMs in der Lage sind, zwischen einer sessilen und planktonischen Lebensweise zu wechseln und dass sowohl die zelluläre Beweglichkeit als auch die Biofilm-Bildung der Prokaryoten ein reversibles, reaktivierbares Verhalten darstellt. Weiterhin konnte belegt werden, dass die Motilität der epiphytischen Mikroben bezüglich der Besiedelung von Pflanzen, z. B. bei der Ausbreitung auf Keimblatt-Oberflächen von Sonnenblumen (Helianthus annuus), keine zentrale Rolle spielt und eine endophytische Lebensweise unwahrscheinlich ist. Ziel der Arbeit war weiterhin die Charakterisierung und Identifizierung eines aus der Phyllosphäre der Echten Feige (Ficus carica, Standort Griechenland) isolierten Bakterien-Stammes (Mtb. sp. Fc1). Die fakultativ methylotrophe Stoffwechseleigenschaft, sowie die auffällige rötliche Pigmentierung belegen, dass es sich um einen Vertreter der PPFMs handelt. Die Analyse morphologischer, physiologischer und biochemischer Eigenschaften bestätigte in Übereinstimmung mit molekularphylogenetischen Untersuchungen zur Klassifizierung und taxonomischen Einordnung, dass es sich um Pflanzen-assoziierte Mikroben der Gattung Methylobacterium handelt. Analysen der 16S rDNA sowie partieller Sequenzen der für Methylobakterien etablierten Marker-Gene mxaF und gyrB verdeutlichten die phylogenetische Stellung und die evolutionären Beziehungen des Ficus-Isolates. Obwohl enge Verwandtschaftsverhältnisse zu anderen Methylobacterium-Arten ermittelt werden konnten, war eine Identifizierung als valide beschriebene Spezies nicht möglich. Die Resultate legen den Schluss nahe, dass es sich um eine neue, unbeschriebene Spezies der epiphytisch lebenden Methylobakterien handelt.

Biofilm formation as a novel phenotypic feature of adherent-invasive Escherichia coli (AIEC)

Crohn's disease (CD) is a high morbidity chronic inflammatory disorder of unknown aetiology. Adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) has been recently implicated in the origin and perpetuation of CD. Because bacterial biofilms in the gut mucosa are suspected to play a role in CD and biofilm formation is a feature of certain pathogenic E. coli strains, we compared the biofilmformation capacity of 27 AIEC and 38 non-AIEC strains isolated from the intestinal mucosa. Biofilmformation capacity was then contrasted with the AIEC phenotype, the serotype, the phylotype, andthe presence of virulence genes. Results: Specific biofilm formation (SBF) indices were higher amongst AIEC than non-AIEC strains(P = 0.012). In addition, 65.4% of moderate to strong biofilms producers were AIEC, whereas74.4% of weak biofilm producers were non-AIEC (P = 0.002). These data indicate that AIEC strainswere more efficient biofilm producers than non-AIEC strains. Moreover, adhesion (P = 0.009) andinvasion (P = 0.003) indices correlated positively with higher SBF indices. Additionally, motility(100%, P < 0.001), H1 type flagellin (53.8%, P < 0.001), serogroups O83 (19.2%, P = 0.008) and O22(26.9%, P = 0.001), the presence of virulence genes such as sfa/focDE (38.5%, P = 0.003) and ibeA(26.9%, P = 0.017), and B2 phylotype (80.8%, P < 0.001) were frequent characteristics amongstbiofilm producers.Conclusion: The principal contribution of the present work is the finding that biofilm formationcapacity is a novel, complementary pathogenic feature of the recently described AIEC pathovar. Characterization of AIEC specific genetic determinants, and the regulatory pathways, involved in biofilm formation will likely bring new insights into AIEC pathogenesis

Aplicació en línia d'un sistema variable de control multivariable en un Reactor ..

L’objecte del present treball és la realització d’una aplicació que permeti portar a terme el control estadístic multivariable en línia d’una planta SBR. Aquesta eina ha de permetre realitzar un anàlisi estadístic multivariable complet del lot en procés, de l’últim lot finalitzat i de la resta de lots processats a la planta. L’aplicació s’ha de realitzar en l’entorn LabVIEW. L’elecció d’aquest programa ve condicionada per l’actualització del mòdul de monitorització de la planta que s’està desenvolupant en aquest mateix entorn

Partial nitritation of landfill leachate in a SBR prior to an anammox reactor : operation and modelling

Els lixiviats d'abocadors urbans són aigües residuals altament contaminades, que es caracteritzen per les elevades concentracions d'amoni i el baix contingut de matèria orgànica biodegradable. El tractament dels lixiviats a través dels processos de nitrificació-desnitrificació convencionals és costós a causa de la seva elevada demanda d'oxigen i la necessitat d'addició d'una font de carboni externa. En els darrers anys, la viabilitat del tractament d'aquest tipus d'afluents per un procés combinat de nitritació parcial-anammox ha estat demostrada. Aquesta tesi es centra en el tractament de lixiviats d'abocador a través d'un procés de nitritació parcial en SBR, com un pas preparatori per a un reactor anammox. Els resultats de l'estudi han demostrat la viabilitat d'aquesta tecnologia per al tractament de lixiviats d'abocador. El treball va evolucionar des d'una escala inicial de laboratori, on el procés va ser testat inicialment, a uns exitosos experiments d'operació a llarg termini a escala pilot. Finalment, la tesi també inclou el desenvolupament, calibració i validació d'un model matemàtic del procés, que té com a objectiu augmentar el coneixement del procés.