Machinery and production engineering.

Latest issue consulted: Vol. 160, no. 4059 (20 Sept. 2002).

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Characterisation, cloning and production of industrially interesting enzymes: gluconolactone oxidase of Penicillium cyaneo-fulvum and gluconate 5-dehydrogenase of Gluconobacter suboxydans

The work covered in this thesis is focused on the development of technology for bioconversion of glucose into D-erythorbic acid (D-EA) and 5-ketogluconic acid (5-KGA). The task was to show on proof-of-concept level the functionality of the enzymatic conversion or one-step bioconversion of glucose to these acids. The feasibility of both studies to be further developed for production processes was also evaluated. The glucose - D-EA bioconversion study was based on the use of a cloned gene encoding a D-EA forming soluble flavoprotein, D-gluconolactone oxidase (GLO). GLO was purified from Penicillium cyaneo-fulvum and partially sequenced. The peptide sequences obtained were used to isolate a cDNA clone encoding the enzyme. The cloned gene (GenBank accession no. AY576053) is homologous to the other known eukaryotic lactone oxidases and also to some putative prokaryotic lactone oxidases. Analysis of the deduced protein sequence of GLO indicated the presence of a typical secretion signal sequence at the N-terminus of the enzyme. No other targeting/anchoring signals were found, suggesting that GLO is the first known lactone oxidase that is secreted rather than targeted to the membranes of the endoplasmic reticulum or mitochondria. Experimental evidence supports this analysis, as near complete secretion of GLO was observed in two different yeast expression systems. Highest expression levels of GLO were obtained using Pichia pastoris as an expression host. Recombinant GLO was characterised and the suitability of purified GLO for the production of D-EA was studied. Immobilised GLO was found to be rapidly inactivated during D-EA production. The feasibility of in vivo glucose - D-EA conversion using a P. pastoris strain co-expressing the genes of GLO and glucose oxidase (GOD, E.C. 1.1.3.4) of A. niger was demonstrated. The glucose - 5-KGA bioconversion study followed a similar strategy to that used in the D-EA production research. The rationale was based on the use of a cloned gene encoding a membrane-bound pyrroloquinoline quinone (PQQ)-dependent gluconate 5-dehydrogenase (GA 5-DH). GA 5-DH was purified to homogeneity from the only source of this enzyme known in literature, Gluconobacter suboxydans, and partially sequenced. Using the amino acid sequence information, the GA 5-DH gene was cloned from a genomic library of G. suboxydans. The cloned gene was sequenced (GenBank accession no. AJ577472) and found to be an operon of two adjacent genes encoding two subunits of GA 5-DH. It turned out that GA 5-DH is a rather close homologue of a sorbitol dehydrogenase from another G. suboxydans strain. It was also found that GA 5-DH has significant polyol dehydrogenase activity. The G. suboxydans GA 5-DH gene was poorly expressed in E. coli. Under optimised conditions maximum expression levels of GA 5-DH did not exceed the levels found in wild-type G. suboxydans. Attempts to increase expression levels resulted in repression of growth and extensive cell lysis. However, the expression levels were sufficient to demonstrate the possibility of bioconversion of glucose and gluconate into 5-KGA using recombinant strains of E. coli. An uncharacterised homologue of GA 5-DH was identified in Xanthomonas campestris using in silico screening. This enzyme encoded by chromosomal locus NP_636946 was found by a sequencing project of X. campestris and named as a hypothetical glucose dehydrogenase. The gene encoding this uncharacterised enzyme was cloned, expressed in E. coli and found to encode a gluconate/polyol dehydrogenase without glucose dehydrogenase activity. Moreover, the X. campestris GA 5-DH gene was expressed in E. coli at nearly 30 times higher levels than the G. suboxydans GA 5-DH gene. Good expressability of the X. campestris GA-5DH gene makes it a valuable tool not only for 5-KGA production in the tartaric acid (TA) bioprocess, but possibly also for other bioprocesses (e.g. oxidation of sorbitol into L-sorbose). In addition to glucose - 5-KGA bioconversion, a preliminary study of the feasibility of enzymatic conversion of 5-KGA into TA was carried out. Here, the efficacy of the first step of a prospective two-step conversion route including a transketolase and a dehydrogenase was confirmed. It was found that transketolase convert 5-KGA into TA semialdehyde. A candidate for the second step was suggested to be succinic dehydrogenase, but this was not tested. The analysis of the two subprojects indicated that bioconversion of glucose to TA using X. campestris GA 5-DH should be prioritised first and the process development efforts in future should be focused on development of more efficient GA 5-DH production strains by screening a more suitable production host and by protein engineering.

Forestry Impacts on Freshwater Habitat of Anadromous Salmonids in the Pacific Northwest and Alaska: requirements for protection and restoration

This synthesis presents a science overview of the major forest management Issues involved in the recovery of anadromous salmonids affected by timber harvest in the Pacific Northwest and Alaska. The issues involve the components of ecosystem-based watershed management and how best to implement them, including how to: Design buffer zones to protect fish habitat while enabling economic timber production; Implement effective Best Management Practices (BMPs) to prevent nonpoint-source pollution; Develop watershed-level procedures across property boundaries to prevent cumulative impacts; Develop restoration procedures to contribute to recovery of ecosystem processes; and Enlist support of private landowners in watershed planning, protection, and restoration. Buffer zones, BMPs, cumulative impact prevention, and restoration are essential elements of what must be a comprehensive approach to habitat protection and restoration applied at the watershed level within a larger context of resource concerns in the river basin, species status under the Endangered Species Act (ESA), and regional environmental and economic issues (Fig. ES. 1). This synthesis 1) reviews salmonid habitat requirements and potential effects of logging; 2) describes the technical foundation of forest practices and restoration; 3) analyzes current federal and non-federal forest practices; and 4) recommends required elements of comprehensive watershed management for recovery of anadromous salmonids.

An investigation into the information exchange between a consultant and client company: a case study

This report deals with collaborations of engineering consultants and clients in the automobile industry.

In these relationships three main challenges have been identified which have to be addressed by the consultancies. Therefore, the research takes the viewpoint of the consulting side. The challenges are

(i) the appropriate project goal definition;

(ii) achieving client satisfaction; and

(iii) dealing with international clients.

An investigation of such a relationship carried out on a case study shows that improvements can be achieved through communication support. The ways to do that are proposed.