Metabolic engineering with multi-objective optimization of kinetic models

Kinetic models have a great potential for metabolic engineering applications. They can be used for testing which genetic and regulatory modifications can increase the production of metabolites of interest, while simultaneously monitoring other key functions of the host organism. This work presents a methodology for increasing productivity in biotechnological processes exploiting dynamic models. It uses multi-objective dynamic optimization to identify the combination of targets (enzymatic modifications) and the degree of up- or down-regulation that must be performed in order to optimize a set of pre-defined performance metrics subject to process constraints. The capabilities of the approach are demonstrated on a realistic and computationally challenging application: a large-scale metabolic model of Chinese Hamster Ovary cells (CHO), which are used for antibody production in a fed-batch process. The proposed methodology manages to provide a sustained and robust growth in CHO cells, increasing productivity while simultaneously increasing biomass production, product titer, and keeping the concentrations of lactate and ammonia at low values. The approach presented here can be used for optimizing metabolic models by finding the best combination of targets and their optimal level of up/down-regulation. Furthermore, it can accommodate additional trade-offs and constraints with great flexibility.

Synthetic biology approaches to engineer new pathways for the production of plant secondary metabolites

Secondary metabolites from plants are important sources of high-value chemicals, many of them being pharmacologically active. These metabolites are commonly isolated through inefficient extractions from natural biological sources and are often difficult to synthesize chemically. Therefore, their production using engineered organisms has lately attracted an increased attention. Curcuminoids, an example of such metabolites, are produced in Curcuma longa and exhibit anti-cancer and anti-inflammatory activities. Herein we report the construction of an artificial biosynthetic pathway for the curcuminoids production in Escherichia coli. Different 4-coumaroyl-CoA ligases (4CL) and polyketide synthases (diketide-CoA synthase (DCS), curcumin synthase (CURS) and curcuminoid synthase) were tested. The highest curcumin production (70 mg/L) was obtained by feeding ferulic acid and with the Arabidopsis thaliana 4CL1 and C. longa DCS and CURS enzymes. Other curcuminoids (bisdemethoxy- and demethoxycurcumin) were also produced by feeding coumaric acid or a mixture of coumaric and ferulic acids, respectively. Curcuminoids, including curcumin, were also produced from tyrosine through the caffeic acid pathway. To produce caffeic acid, tyrosine ammonia lyase and 4-coumarate 3-hydroxylase were used. Caffeoyl-CoA O-methyltransferase was used to convert caffeoyl-CoA to feruloyl-CoA. This pathway represents an improvement of the curcuminoids heterologous production. The construction of this pathway in another model organism is being considered, as well as the introduction of alternative enzymes.

Comparative genomics reveals adaptations of a halotolerant thaumarchaeon in the interfaces of brine pools in the Red Sea

The bottom of the Red Sea harbors over 25 deep hypersaline anoxic basins that are geochemically distinct and characterized by vertical gradients of extreme physicochemical conditions. Because of strong changes in density, particulate and microbial debris get entrapped in the brine-seawater interface (BSI), resulting in increased dissolved organic carbon, reduced dissolved oxygen toward the brines and enhanced microbial activities in the BSI. These features coupled with the deep-sea prevalence of ammonia-oxidizing archaea (AOA) in the global ocean make the BSI a suitable environment for studying the osmotic adaptations and ecology of these important players in the marine nitrogen cycle. Using phylogenomic-based approaches, we show that the local archaeal community of five different BSI habitats (with up to 18.2% salinity) is composed mostly of a single, highly abundant Nitrosopumilus-like phylotype that is phylogenetically distinct from the bathypelagic thaumarchaea; ammonia-oxidizing bacteria were absent. The composite genome of this novel Nitrosopumilus-like subpopulation (RSA3) co-assembled from multiple single-cell amplified genomes (SAGs) from one such BSI habitat further revealed that it shares [sim]54% of its predicted genomic inventory with sequenced Nitrosopumilus species. RSA3 also carries several, albeit variable gene sets that further illuminate the phylogenetic diversity and metabolic plasticity of this genus. Specifically, it encodes for a putative proline-glutamate 'switch' with a potential role in osmotolerance and indirect impact on carbon and energy flows. Metagenomic fragment recruitment analyses against the composite RSA3 genome, Nitrosopumilus maritimus, and SAGs of mesopelagic thaumarchaea also reiterate the divergence of the BSI genotypes from other AOA.

Chemical functionalization in bionanoparticles

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

Síntese e atividade de novos compostos com potencial atividade no cancro do cólon

Dissertação de Mestrado em Química Medicinal

The production of vermicompost from dairy sludge and its value as a plant growth medium

Dairy sludge generated at Glanbia Ingredients Ltd., Kilkenny has up until now been landspread. This study investigated the feasibility of using earthworms to vermicompost the sludge as an alternative method of treatment. It was found that high levels of ammonia in the sludge led to earthworm fatality but that by manually aerating the sludge the ammonia could be volatilised or by adding zeolite the ammonia could be absorbed, thus solving the problem. In a medium scale trial, the earthworm species Dendrobaena veneta and Eisenia fetida dominated the polyculture. Earthworms grew and generated cocoons during vermicomposting. During vermicomposting no leachate was generated. Nutrient changes took place during vermicomposting. There were high levels of nitrate, increased calcium and sulphate in the vermicomposted dairy sludge. The amount of magnesium, potassium and chloride did not change, while phosphate was undetectable after vermicomposting. The levels of nitrate and phosphate were good indicators of the extent of vermicomposting. The vermicomposted dairy sludge provided improved growth and yields of radishes and barley compared to the dairy sludge and control. Compared to the vermicompost, the dairy sludge provided heavier ryegrass yields and more marigolds with larger flower diameters. Generally, it is the amount of phosphate in dairy sludge that dictates how much can be applied as a fertiliser on land. Vermicomposting reduced the amount of phosphate to an undetectable level but on the other hand created a problem of high nitrate levels. In a pot trial with grass grown in vermicompost the nitrate leached from the vermicompost. In field conditions the leaching of nitrate might occur and could cause an increased risk of contamination of groundwater and watercourses.

Solare Klimakälteerzeugung : Technologie, Erprobung und Simulation

Solar cooling, absorption chiller, latent heat storage, TRNSYS, simulation, ammonia, water

Occurrence of Hirudinea species in a post urban reach of a Patagonian mountain stream

Temporal (May 2005 to February 2006) and habitat distribution (pools and riffles) of Hirudinea species was analyzed at a post urban reach from Esquel stream (Chubut province, Patagonia, Argentina). Site was located 5.7 km downstream a Waste Treatment Plant. Mean values of nutrients: ammonia, nitrates and soluble reactive phosphate, as well water conductivity, turbidity and total suspended solids indicated physical and organic pollution. Leeches assemblage was composed by the glossiphonids: Helobdella scutifera Blanchard, 1900, H. michaelseni (Blanchard, 1900), H. simplex (Moore, 1911), Helobdella sp., H. hyalina Ringuelet, 1942, H. obscura Ringuelet, 1942 and the semiscolecid Patagoniobdella variabilis (Blanchard, 1900). From these H. hyalina and H. obscura are new records for Chubut province. Helobdella hyalina (810 ind.m-2) and H. simplex (465 ind. m-2) clearly dominated the assemblage at the reach. Only H. simplex displayed a spatial preference being significantly more abundant in pools than in riffle habitats (p<0.001). Species recruitment occurred mostly at September, December and March when juveniles were very abundant. Although several species of Helobdella were able to live in the disturbed section of the stream, only H. simplex and H. hyalina sustained large populations at the site and can be considered as tolerant to organic enrichment. This information is valuable to future studies on stream condition assessment in mountainous areas in Patagonia, and in other areas in which these species are present.

Constituição da alexina e mechanismo da hemolyse especifica

Os autores observam que após a inactivação de sôro de cobaya a 54° durante 30 minutos permanecem no sôro as fracções thermolabeis em quantidade apreciavel; um tal sôro conservado na temperatura de 6°, por espaço de 18 horas, regenera parte da sua actividade alexica perdida. 2° Confirma-se a existencia de 4 componentes do complemento. 3° O chamado terceiro componente de Ritz e Coca é na verdade constituidos por dois elementos, pelos menos, differentes: um destructivel pelo formol e outro destructivel pelo hydrosulphito de sodio. 4° A ammonia, o formol e o hydrosulpito de sodio são capazes de destruir os constituintes thermoresistentes da alexina do sôro inactivado a 56° 30 minutos, ao passo que as emulsões de levedos, de orgãos ou de gelose não o são. 5° As emulsões de levedo addicionadas a uma mistura em partes eguaes de sôro fresco de cobaya e de sôro aquecido a 56°, 30 m., são capazes de retirar não só o terceiro componente contido no sôro fresco da mistura, mas tambem o terceiro componente contido no sôro inactivado pelo calor. 6° Sem excluir a hypothese de uma floculação em que o sôro aquecido exerça o papel de um colloide protector, os autores admittem que a inactivação do complemento pelas emulsões de levedo ou pela gelose seja devida a substancias thermolabeis, do sôro, depois de adsorpção por essas emulsões, de substancias anti-tripticas. 7° Os diversos elementos que constituem a alexina são adsorvidos pelos globulos sensibilizados na seguinte ordem: Globulos-sensibilizadora-Fracção thermo-resistente sensivel á ammonia-Fracção thermolabil Globulina-Fracção thermolabil albumina-Fracção thermoresistente sensivel ao formol-Fracção thermoresistente sensivel ao hydrosulphito de sodio. 8° Na reacção de Bordet-Wassermann fortemente positiva é fixada sobretudo a fracção globulina thermolabil do complemento e não sómente o terceiro componente como seria licito esperar; a fracção thermolabil albumina permanece de regra livre e activa no liquido. 9° Os autores acham que se deve considerar como demonstrada a origem hepatica da alexina. Segundo experiencias procedidas em cães intoxicados pelo chloroformio não só baixa consideravelmente o titulo alexico global do sôro mas tambem os titulos, de todos os constituintes da alexina separadamente, soffrem, com a excepção da fracção thermolabil globulina, uma reducção muito accentuada.

Sabbatical stay at CREVER, University Rovira i Virgili

A three-year research proposal of international impact and quality was developed between the author and CREVER researchers, taking into account the infrastructure and research lines already being carried out at CREVER. The project is related to the study of new mixtures in thermal activated systems, by the addition of a third component to help the heat transfer processes. The project proposes the use of water and lithium nitrate as absorbents in ternary ammonia mixtures, varying the concentration with the objective of optimising the mixture for solar air conditioning purposes. Also, the research proposal will promote an intensive collaboration in the following years between CREVER and The Centro de Investigación en Energía-UNAM, Mexico.

Resting metabolic rate and protein turnover in apparently healthy elderly Gambian men.

Body composition, resting energy expenditure (REE), and whole body protein metabolism were studied in 26 young and 28 elderly Gambian men matched for body mass index during the dry season in a rural village in The Gambia. REE was measured by indirect calorimetry (hood system) in the fasting state and after five successive meals. Rates of whole body nitrogen flux, protein synthesis, and protein breakdown were determined in the fed state from the level of isotopic enrichment of urinary ammonia over a period of 12 h after a single oral dose of [15N]glycine. Expressed in absolute value, REE was significantly lower in the elderly compared with the young group (3.21 +/- 0.07 vs. 4.04 +/- 0.07 kJ/min, P < 0.001) and when adjusted to body weight (3.29 +/- 0.05 vs. 3.96 +/- 0.05 kJ/min, P < 0.0001) and fat-free mass (FFM; 3.38 +/- 0.01 vs. 3.87 +/- 0.01 kJ/min, P < 0.0001). The rate of protein synthesis averaged 207 +/- 13 g protein/day in the elderly and 230 +/- 13 g protein/day in the young group, whereas protein breakdown averaged 184 +/- 13 g protein/day in the elderly and 203 +/- 13 g protein/day in the young group (nonsignificant). When values were adjusted for body weight or FFM, they did not reveal any difference between the two groups. It is concluded that the reduced REE adjusted for body composition observed in elderly Gambian men is not explained by a decrease in protein turnover.

Developmental expression of glial fibrillary acidic protein and glutamine synthetase in serum-free aggregating cell cultures of fetal rat telencephalon.

Serum-free aggregating cell cultures of fetal rat telencephalon were examined by a combined biochemical and double-labeling immunocytochemical study for the developmental expression of glial fibrillary acidic protein (GFAP) and glutamine synthetase (GS). It was found that these two astroglial markers are co-expressed at different developmental stages in vitro. During the phase of cellular maturation (i.e. between days 14 and 34), GFAP levels and GS activity increase rapidly and in parallel. At the same time, the number of immunoreactive cells increase while the long and thick processes staining in early cultures gradually disappear. The present results demonstrate that in this particular cell culture system only one type of astrocytes develops which expresses both GFAP and GS and which attains a relatively high degree of maturation.

Rapid high-performance liquid chromatographic determination with fluorescence detection of furosemide in human body fluids and its confirmation by gas chromatography-mass spectrometry.

Furosemide (FD: Lasix) is a loop diuretic which strongly increases both urine flow and electrolyte urinary excretion. Healthy volunteers were administered 40 mg orally (dissolved in water) and concentrations of FD were determined in serum and urine for up to 6 h for eight subjects, who absorbed water at a rate of 400 ml/h. Quantification was performed by HPLC with fluorescence detection (excitation at 233 nm, emission at 389 nm) with a limit of detection of 5 ng/ml for a 300-microliters sample. The elution of FD was completed within 4 min using a gradient of acetonitrile concentration rising from 30 to 50% in 0.08 M phosphoric acid. The delay to the peak serum concentration ranged from 60 to 120 min. FD was still easily measurable in the sera from all subjects 6 h after administration. In urine, the excretion rates reached their maximum between 1 and 3 h. The total amount of FD excreted in the urine averaged 11.2 mg (range 7.6-14.0 mg), with a mean urine volume of 3024 ml (range 2620-3596 ml). Moreover, the urine density was lower than 1.010 (recommended as an upper limit in doping analysis to screen diuretics) only for 2 h. An additional volunteer was administered 40 mg of FD and his urine was collected over a longer period. FD was still detectable 48 h after intake. Gas chromatography-mass spectrometry with different types of ionization was used to confirm the occurrence of FD after permethylation of the extract. Negative-ion chemical ionization, with ammonia as reactant gas, was found to be the most sensitive method of detection.

In vitro engineering of human stratified urothelium: analysis of its morphology and function.

PURPOSE: Gastric or intestinal patches, commonly used for reconstructive cystoplasty, may induce severe metabolic complications. The use of bladder tissues reconstructed in vitro could avoid these complications. We compared cellular differentiation and permeability characteristics of human native with in vitro cultured stratified urothelium. MATERIALS AND METHODS: Human stratified urothelium was induced in vitro. Morphology was studied with light and electron microscopy and expression of key cellular proteins was assessed using immunohistochemistry. Permeability coefficients were determined by measuring water, urea, ammonia and proton fluxes across the urothelium. RESULTS: As in native urothelium the stratified urothelial construct consisted of basal membrane and basal, intermediate and superficial cell layers. The apical membrane of superficial cells formed villi and glycocalices, and tight junctions and desmosomes were developed. Immunohistochemistry showed similarities and differences in the expression of cytokeratins, integrin and cellular adhesion proteins. In the cultured urothelium cytokeratin 20 and integrin subunits alpha6 and beta4 were absent, and symplekin was expressed diffusely in all layers. Uroplakins were clearly expressed in the superficial umbrella cells of the urothelial constructs, however, they were also present in intermediate and basal cells. Symplekin and uroplakins were expressed only in the superficial cells of native bladder tissue. The urothelial constructs showed excellent viability, and functionally their permeabilities for water, urea and ammonia were no different from those measured in native human urothelium. Proton permeability was even lower in the constructs compared to that of native urothelium. CONCLUSIONS: Although the in vitro cultured human stratified urothelium did not show complete terminal differentiation of its superficial cells, it retained the same barrier characteristics against the principal urine components. These results indicate that such in vitro cultured urothelium, after being grown on a compliant degradable support or in coculture with smooth muscle cells, is suitable for reconstructive cystoplasty.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.