Rôle des protéines PII dans la régulation de l'activité et de l'état de modification de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

A prokaryotic origin for light-dependent chlorophyll biosynthesis of plants.

Flowering plants require light for chlorophyll synthesis. Early studies indicated that the dependence on light for greening stemmed in part from the light-dependent reduction of the chlorophyll intermediate protochlorophyllide to the product chlorophyllide. Light-dependent reduction of protochlorophyllide by flowering plants is contrasted by the ability of nonflowering plants, algae, and photosynthetic bacteria to reduce protochlorophyllide and, hence, synthesize (bacterio) chlorophyll in the dark. In this report, we functionally complemented a light-independent protochlorophyllide reductase mutant of the eubacterium Rhodobacter capsulatus with an expression library composed of genomic DNA from the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. The complemented R. capsulatus strain is capable of synthesizing bacteriochlorophyll in the light, thereby indicating that a chlorophyll biosynthesis enzyme can function in the bacteriochlorophyll biosynthetic pathway. However, under dark growth conditions the complemented R. capsulatus strain fails to synthesize bacteriochlorophyll and instead accumulates protochlorophyllide. Sequence analysis demonstrates that the complementing Synechocystis genomic DNA fragment exhibits a high degree of sequence identity (53-56%) with light-dependent protochlorophyllide reductase enzymes found in plants. The observation that a plant-type, light-dependent protochlorophyllide reductase enzyme exists in a cyanobacterium indicates that light-dependent protochlorophyllide reductase evolved before the advent of eukaryotic photosynthesis. As such, this enzyme did not arise to fulfill a function necessitated either by the endosymbiotic evolution of the chloroplast or by multicellularity; rather, it evolved to fulfill a fundamentally cell-autonomous role.

A recombinant diheme SoxAX cytochrome - Implications for the relationship between EPR signals and modified heme-ligands

The multiheme SoxAX proteins are notable for their unusual heme ligation (His/Cys-persulfide in the SoxA subunit) and the complexity of their EPR spectra. The diheme SoxAX protein from Starkeya novella has been expressed using Rhodobacter capsulatus as a host expression system. rSoxAX was correctly formed in the periplasm of the host and contained heme c in similar amounts as the native SoxAX. ESI-MS showed that the full length rSoxA, in spite of never having undergone catalytic turnover, existed in several forms, with the two major forms having masses of 28 687 +/- 4 and 28 718 +/- 4 Da. The latter form exceeds the expected mass of rSoxA by 31 4 Da, a mass close to that of a sulfur atom and indicating that a fraction of the recombinant protein contains a cysteine persulfide modification. EPR spectra of rSoxAX contained all four heme-dependent EPR signals (LS1a, LS1b, LS2, LS3) found in the native SoxAX proteins isolated from bacteria grown under sulfur chemolithotrophic conditions. Exposure of the recombinant SoxAX to different sulfur compounds lead to changes in the SoxA mass profile as determined by ESI while maintaining a fully oxidized SoxAX visible spectrum. Thiosulfate, the proposed SoxAX substrate, did not cause any mass changes while after exposure to dimethylsulfoxide a + 112 +/- 4 Da form of SoxA became dominant in the mass spectrum. (c) 2005 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Direct electrochemically driven catalysis of bovine milk xanthine oxidase

The complex molybdoenzyme xanthine oxidase (XO) catalyses the oxidation of xanthine to uric acid. Here we report the first direct (unmediated) catalytic electrochemistry of the enzyme in the presence of xanthine. The only non-turnover response (without substrate present) is a sharp two-electron wave from the FAD cofactor at -242 mV vs. NHE (pH 8.0). Upon addition of xanthine to the electrochemical cell a pronounced electrocatalytic anodic current appears at ca. +300 mV vs. NHE, but the FAD peak remains. This is unusual as the onset of catalysis should occur at the potential of the FAD cofactor (the site at which oxygen or NAD+ binds to the enzyme in solution). The observed electrochemical catalysis is prevented by the addition of known XO inhibitors allopurinol or cyanide. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Lasers - An effective artificial source of radiation for the cultivation of anoxygenic photosynthetic bacteria

The laser diode (LD) is a unique light source that can efficiently produce all radiant energy within the narrow wavelength range used most effectively by a photosynthetic microorganism. We have investigated the use of a single type of LID for the cultivation of the well-studied anoxygenic photosynthetic bacterium, Rhodobacter capsulatus (Rb. capsulatus). An array of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) was driven with a current of 25 mA, and delivered radiation at 860 nm with 0.4 nm linewidth. The emitted light was found to be a suitable source of radiant energy for the cultivation of Rb. capsulatus. The dependence of growth rate on incident irradiance was quantified. Despite the unusual nearly monochromatic light source used in these experiments, no significant changes in the pigment composition and in the distribution of bacteriochlorophyll between LHII and LHI-RC were detected in bacterial cells transferred from incandescent light to laser light. We were also able to show that to achieve a given growth rate in a light-limited culture, the VCSEL required only 30% of the electricity needed by an incandescent bulb, which is of great significance for the potential use of laser-devices in biotechnological applications and photobioreactor construction. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

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.

Succinate:ubiquinone oxidoreductase from Paracoccus denitrificans and particulate methane monooxygenase from Methylococcus capsulatus (Bath): experimental and theoretical EPR studies of the metal cofactors

This thesis summarizes the application of conventional and modern electron paramagnetic resonance (EPR) techniques to establish proximity relationships between paramagnetic metal centers in metalloproteins and between metal centers and magnetic ligand nuclei in two important and timely membrane proteins: succinate:ubiquinone oxidoreductase (SQR) from Paracoccus denitrificans and particulate methane monooxygenase (pMMO) from Methylococcus capsulatus. Such proximity relationships are thought to be critical to the biological function and the associated biochemistry mediated by the metal centers in these proteins. A mechanistic understanding of biological function relies heavily on structure-function relationships and the knowledge of how molecular structure and electronic properties of the metal centers influence the reactivity in metalloenzymes. EPR spectroscopy has proven to be one of the most powerful techniques towards obtaining information about interactions between metal centers as well as defining ligand structures. SQR is an electron transport enzyme wherein the substrates, organic and metallic cofactors are held relatively far apart. Here, the proximity relationships of the metallic cofactors were studied through their weak spin-spin interactions by means of EPR power saturation and electron spin-lattice (T_1) measurements, when the enzyme was poised at designated reduction levels. Analysis of the electron T_1 measurements for the S-3 center when the b-heme is paramagnetic led to a detailed analysis of the dipolar interactions and distance determination between two interacting metal centers. Studies of ligand environment of the metal centers by electron spin echo envelope modulation (ESEEM) spectroscopy resulted in the identication of peptide nitrogens as coupled nuclei in the environment of the S-1 and S-3 centers.

Finally, an EPR model was developed to describe the ferromagnetically coupled trinuclear copper clusters in pMMO when the enzyme is oxidized. The Cu(II) ions in these clusters appear to be strongly exchange coupled, and the EPR is consistent with equilateral triangular arrangements of type 2 copper ions. These results offer the first glimpse of the magneto-structural correlations for a trinuclear copper cluster of this type, which, until the work on pMMO, has had no precedent in the metalloprotein literature. Such trinuclear copper clusters are even rare in synthetic models.

A chimeric N-terminal Escherichia coli C-terminal Rhodobacter sphaeroides FliG rotor protein supports bidirectional E coli flagellar rotation and chemotaxis

Flagellate bacteria such as Escherichia coli and Salmonella enterica serovar Typhimurium typically express 5 to 12 flagellar filaments over their cell surface that rotate in clockwise (CW) and counterclockwise directions. These bacteria modulate their swimming direction towards favorable environments by biasing the direction of flagellar rotation in response to various stimuli. In contrast, Rhodobacter sphaeroides expresses a single subpolar flagellum that rotates only CW and responds tactically by a series of biased stops and starts. Rotor protein FliG transiently links the MotAB stators to the rotor, to power rotation and also has an essential function in flagellar export. In this study, we sought to determine whether the FliG protein confers directionality on flagellar motors by testing the functional properties of R. sphaeroides FliG and a chimeric FliG protein, EcRsFliG (N-terminal and central domains of E. coli FliG fused to an R. sphaeroides FliG C terminus), in an E. coli FliG null background. The EcRsFliG chimera supported flagellar synthesis and bidirectional rotation; bacteria swam and tumbled in a manner qualitatively similar to that of the wild type and showed chemotaxis to amino acids. Thus, the FliG C terminus alone does not confer the unidirectional stop-start character of the R. sphaeroides flagellar motor, and its conformation continues to support tactic, switch-protein interactions in a bidirectional motor, despite its evolutionary history in a bacterium with a unidirectional motor.

Purification and characterization of the flagellar basal body of Rhodobacter sphaeroides

Flagellar hook-basal body (HBB) complexes were purified from Rhodobacter sphaeroides. The HBB was more acid labile but more heat stable than that of Salmonella species, and protein identification revealed that HBB components were expressed only from one of the two sets of flagellar gene clusters on the R. sphaeroides genome, under the heterotrophic growth conditions tested here.

Response kinetics in the complex chemotaxis signalling pathway of Rhodobacter sphaeroides

Chemotaxis is one of the best characterised signalling systems in biology. It is the mechanism by which bacteria move towards optimal environments and is implicated in biofilm formation, pathogenesis and symbiosis. The properties of the bacterial chemosensory response have been described in detail for the single chemosensory pathway of Escherichia coli. We have characterised the properties of the chemosensory response of Rhodobacter sphaeroides, an -proteobacterium with multiple chemotaxis pathways, under two growth conditions allowing the effects of protein expression levels and cell architecture to be investigated. Using tethered cell assays we measured the responses of the system to step changes in concentration of the attractant propionate and show that, independently of the growth conditions, R. sphaeroides is chemotactic over at least five orders of magnitude and has a sensing profile following Weber’s law. Mathematical modelling also shows that, like E. coli, R. sphaeroides is capable of showing Fold-Change Detection (FCD). Our results indicate that general features of bacterial chemotaxis such as the range and sensitivity of detection, adaptation times, adherence to Weber’s law and the presence of FCD may be integral features of chemotaxis systems in general, regardless of network complexity, protein expression levels and cellular architecture across different species.

Singlet oxygen generation in the reaction centers of Rhodobacter sphaeroides

Singlet oxygen ((1)O(2)) generation in the reaction centers (RCs) of Rhodobacter sphaeroides wild type was characterized by luminescent emission in the near infrared region (time resolved transients and emission spectra) and quantified to have quantum yield of 0.03 +/- 0.005. (1)O(2) emission was measured as a function of temperature, ascorbate, urea and potassium ferricyanide concentrations and as a function of incubation time in H(2)O: D(2)O mixtures. (1)O(2) was shown to be affected by the RC dynamics and to originate from the reaction of molecular oxygen with two sources of triplets: photoactive dimer formed by singlet-triplet mixing and bacteriopheophytin formed by direct photoexcitation and intersystem crossing.

Emended description of Actinobacillus capsulatus Arseculeratne 1962, 38AL

The taxonomic position of Actinobacillus capsulatus, a member of the family Pasteurellaceae found in rabbits, hares and hamsters, has been challenged. 16S rRNA gene (rrs) sequence data show the species to be heterogeneous. Using a polyphasic approach, 23 strains that were identified previously as belonging, or closely related, to A. capsulatus were analysed. Eighty characters were included in the phenotypic analysis. Phylogenetic analysis was done based on rrs, rpoB, infB and recN sequences. In addition, the recN sequence similarities were used to calculate the whole-genome sequence relatedness of all strains investigated as well as that with other members of the family Pasteurellaceae. The phenotypic analysis allowed identification of five groups. The major group of 17 strains could be classified as A. capsulatus. Two hamster isolates were closely related to A. capsulatus but differed in a few characters. Single isolates from a rabbit and snowshoe-hare were phenotypically related to Actinobacillus suis. One rabbit isolate was related to the genus Mannheimia, while another isolate could not be classified phenotypically with known taxa. The phylogenetic analysis confirmed the phenotypic grouping. In contrast to the rrs-based tree, the A. capsulatus strains clustered unambiguously with the type species and related species of the genus Actinobacillus in the rpoB-, infB- and recN-based trees. Genome similarity comparison using recN finally confirmed the high genomic relationship of the A. capsulatus strains with the type species and related species of the genus Actinobacillus and allowed a clear assignment of the other unrelated strains to the phenotypic and phylogenetic clusters outlined. The present findings allow the description of A. capsulatus to be emended and separate it more clearly from other species, both phenotypically and genotypically. The type strain of A. capsulatus is CCUG 12396(T) (=Frederiksen 243(T)=ATCC 51571(T)=NCTC 11408(T)=CIP 103283(T)).