Origin and evolution of circular waves and spirals in Dictyostelium discoideum territories.

Randomly distributed Dictyostelium discoideum cells form cooperative territories by signaling to each other with cAMP. Cells initiate the process by sending out pulsatile signals, which propagate as waves. With time, circular and spiral patterns form. We show that by adding spatial and temporal noise to the levels of an important regulator of external cAMP levels, the cAMP phosphodiesterase inhibitor, we can explain the natural progression of the system from randomly firing cells to circular waves whose symmetries break to form double- and single- or multi-armed spirals. When phosphodiesterase inhibitor is increased with time, mimicking experimental data, the wavelength of the spirals shortens, and a proportion of them evolve into pairs of connected spirals. We compare these results to recent experiments, finding that the temporal and spatial correspondence between experiment and model is very close.

A mechanism for the differential regulation of gonadotropin subunit gene expression by gonadotropin-releasing hormone.

The hypothalamic hormone gonadotropin-releasing hormone (GnRH) is released in a pulsatile fashion, with its frequency varying throughout the reproductive cycle. Varying pulse frequencies and amplitudes differentially regulate the biosynthesis and secretion of luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH) by pituitary gonadotropes. The mechanism by which this occurs remains a major question in reproductive physiology. Previous studies have been limited by lack of available cell lines that express the LH and FSH subunit genes and respond to GnRH. We have overcome this limitation by transfecting the rat pituitary GH3 cell line with rat GnRH receptor (GnRHR) cDNA driven by a heterologous promoter. These cells, when cotransfected with regulatory regions of the common alpha, LH beta, or FSH beta subunit gene fused to a luciferase reporter gene, respond to GnRH with an increase in luciferase activity. Using this model, we demonstrate that different cell surface densities of the GnRHR result in the differential regulation of LH and FSH subunit gene expression by GnRH. This suggests that the differential regulation of gonadotropin subunit gene expression by GnRH observed in vivo in rats may, in turn, be mediated by varying gonadotrope cell surface GnRHR concentrations. This provides a physiologic mechanism by which a single ligand can act through a single receptor to regulate differentially the production of two hormones in the same cell.

Nitric oxide inhibits the release of norepinephrine and dopamine from the medial basal hypothalamus of the rat.

Previous research indicates that norepinephrine and dopamine stimulate release of luteinizing hormone (LH)-releasing hormone (LHRH), which then reaches the adenohypophysis via the hypophyseal portal vessels to release LH. Norepinephrine exerts its effect via alpha 1-adrenergic receptors, which stimulate the release of nitric oxide (NO) from nitricoxidergic (NOergic) neurons in the medial basal hypothalamus (MBH). The NO activates guanylate cyclase and cyclooxygenase, thereby inducing release of LHRH into the hypophyseal portal vessels. We tested the hypothesis that these two catecholamines modulate NO release by local feedback. MBH explants were incubated in the presence of sodium nitroprusside (NP), a releaser of NO, and the effect on release of catecholamines was determined. NP inhibited release of norepinephrine. Basal release was increased by incubation of the tissue with the NO scavenger hemoglobin (20 micrograms/ml). Hemoglobin also blocked the inhibitory effect of NP. In the presence of high-potassium (40 mM) medium to depolarize cell membranes, norepinephrine release was increased by a factor of 3, and this was significantly inhibited by NP. Hemoglobin again produced a further increase in norepinephrine release and also blocked the action of NP. When constitutive NO synthase was inhibited by the competitive inhibitor NG-monomethyl-L-arginine (NMMA) at 300 microM, basal release of norepinephrine was increased, as was potassium-evoked release, and this was associated in the latter instance with a decrease in tissue concentration, presumably because synthesis did not keep up with the increased release in the presence of NMMA. The results were very similar with dopamine, except that reduction of potassium-evoked dopamine release by NP was not significant. However, the increase following incubation with hemoglobin was significant, and hemoglobin, when incubated with NP, caused a significant elevation in dopamine release above that with NP alone. In this case, NP increased tissue concentration of dopamine along with inhibiting release, suggesting that synthesis continued, thereby raising the tissue concentration in the face of diminished release. When the tissue was incubated with NP plus hemoglobin, which caused an increase in release above that obtained with NP alone, the tissue concentration decreased significantly compared with that in the absence of hemoglobin, indicating that, with increased release, release exceeded synthesis, causing a fall in tissue concentration. When NO synthase was blocked by NMMA, the release of dopamine, under either basal or potassium-evoked conditions, was increased. Again, in the latter instance the tissue concentration declined significantly, presumably because synthesis did not match release. Therefore, the results were very similar with both catecholamines and indicate that NO acts to suppress release of both amines. Since both catecholamines activate the release of LHRH, the inhibition of their release by NO serves as an ultra-short-loop negative feedback by which NO inhibits the release of the catecholamines, thereby reducing the activation of the NOergic neurons and decreasing the release of LHRH. This may be an important means for terminating the pulses of release of LHRH, which generate the pulsatile release of LH that stimulates gonadal function in both male and female mammals.

Estradiol and the inhibition of hypothalamic gonadotropin-releasing hormone pulse generator activity in the rhesus monkey.

In mammals, gonadal function is controlled by a hypothalamic signal generator that directs the pulsatile release of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) and the consequent pulsatile secretion of luteinizing hormone. In female rhesus monkeys, the electrophysiological correlates of GnRH pulse generator activity are abrupt, rhythmic increases in hypothalamic multiunit activity (MUA volleys), which represent the simultaneous increase in firing rate of individual neurons. MUA volleys are arrested by estradiol, either spontaneously at midcycle or after the administration of the steroid. Multiunit recordings, however, provide only a measure of total neuronal activity, leaving the behavior of the individual cells obscure. This study was conducted to determine the mode of action of estradiol at the level of single neurons associated with the GnRH pulse generator. Twenty-three such single units were identified by cluster analysis of multiunit recordings obtained from a total of six electrodes implanted in the mediobasal hypothalamus of three ovariectomized rhesus monkeys, and their activity was monitored before and after estradiol administration. The bursting of all 23 units was arrested within 4 h of estradiol administration although their baseline activity was maintained. The bursts of most units reappeared at the same time as the MUA volleys, the recovery of some was delayed, and one remained inhibited for the duration of the study (43 days). The results indicate that estradiol does not desynchronize the bursting of single units associated with the GnRH pulse generator but that it inhibits this phenomenon. The site and mechanism of action of estradiol in this regard remain to be determined.

Produção de biohidrogênio a partir de soro de leite em AnSBBR com recirculação da fase líquida

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis.

Produção de hidrogênio por fermentação por um novo isolado de Clostridium beijerinckii

O hidrogênio (H2) tem sido considerado uma fonte de energia limpa bastante promissora, pois sua combustão origina apenas moléculas de água, sendo uma alternativa ao uso de combustíveis fósseis. Entretanto, os métodos atuais de produção de H2 demandam matérias-primas finitas e uma grande quantidade de energia, tornando a sua obtenção não sustentável. Mais recentemente, a via fermentativa tem sido considerada para a produção de H2, utilizando como matérias-primas efluentes industriais, materiais lignocelulósicos e biomassa de algas, denominado de bio-hidrogênio de primeira, segunda e terceira geração, respectivamente. Neste trabalho foi isolada uma bactéria anaeróbia a partir de uma cultura mista (lodo) de um sistema de tratamento de vinhaça, após pré-tratamento do lodo a pH 3 por 12 horas. Este microrganismo foi identificado com 99% de similaridade como Clostridium beijerinckii com base na sequência do gene RNAr 16S denominado de C. beijerinckii Br21. A temperatura e o pH mais adequados para o crescimento e produção de H2 por esta cultura foi 35 °C e pH inicial 7,0. A bactéria possui a capacidade de utilizar ampla variedade de fontes de carbono para a produção de H2 por fermentação, especialmente, monossacarídeos resultantes da hidrólise de biomassa de algas, tais como glicose, galactose e manose. Foram realizados ensaios em batelada para a produção de H2 com a bactéria isolada empregando diferentes concentrações de glicose e galactose, visando a sua futura utilização em hidrolisados de alga. Os parâmetros cinéticos dos ensaios de fermentação estimados pelo modelo de Gompertz modificado, como a velocidade máxima de produção (Rm), a quantidade máxima de hidrogênio produzido (Hmáx) e o tempo necessário para o início da produção de hidrogênio (fase lag) para a glicose (15 g/L) foram de: 58,27 mL de H2/h, 57,68 mmol de H2 e 8,29 h, respectivamente. Para a galactose (15 g/L), a Rm, Hmáx e foram de 67,64 mL de H2/h, 47,61 mmol de H2 e 17,22 horas, respectivamente. O principal metabólito detectado ao final dos ensaios de fermentação, foi o ácido butírico, seguido pelo ácido acético e o etanol, tanto para os ensaios com glicose, como com galactose. C. beijerinckii é um candidato bastante promissor para a produção de H2 por fermentação a partir de glicose e galactose e, consequentemente, a partir de biomassa de algas como substratos.

Fisiologia e formação de partículas lipídicas durante o crescimento da levedura Yarrowia lipolytica IMUFRJ 50682.

A levedura Yarrowia lipolytica tem sido muito investigada, especialmente por ser um microrganismo oleaginoso, ou seja, capaz de acumular grandes quantidades de lipídios, o que ocorre majoritariamente em organelas denominadas partículas lipídicas. Estes lipídios apresentam várias potenciais aplicações biotecnológicas, como por exemplo na produção de óleo microbiano (single cell oil) e na produção de biodiesel. Durante este projeto de mestrado, objetivou-se estudar a fisiologia de duas linhagens da levedura Y. lipolytica, sendo uma tradicionalmente estudada pela comunidade científica internacional (linhagem w29) e outra isolada da Baía da Guanabara, no Rio de Janeiro (linhagem IMUFRJ 50682). Foram realizados cultivos em frascos agitados tipo Erlenmeyer com defletores tampados com algodão (volume total 500 mL, volume de meio 100 mL, 28 oC e 200 rotações por minuto), durante os quais foi possível: 1) escolher um meio de cultivo de composição totalmente definida, com tiamina como único fator de crescimento, adequado a estudos de fisiologia quantitativa com esta levedura; 2) verificar que Y. lipolytica não é capaz de crescer com sacarose ou xilose como única fonte de carbono; 3) verificar que Y. lipolytica cresce com velocidade específica de crescimento máxima (Máx) de 0,49 h-1 num meio complexo contendo glicose, extrato de levedura e peptona (meio YPD), 0,31 h-1 em meio definido com glicose como única fonte de carbono e 0,35 h-1 no mesmo meio, mas com glicerol como única fonte de carbono, sem excreção de metabólitos para o meio de cultivo; 4) verificar que ocorreu limitação por oxigênio nos cultivos em frasco agitado, sendo este o motivo pelo qual as células deixaram de crescer exponencialmente; 5) verificar que o uso de ureia, em vez de sulfato de amônio, como fonte de nitrogênio, contribui para uma variação menor do pH durante os cultivos, sem prejuízo ao crescimento da levedura; 6) observar que, ao se restringir a oferta de nitrogênio à levedura (aumento da relação C/N inicial no meio de 12,6 para 126), as células têm sua morfologia alterada e apresentam maior quantidade de partículas lipídicas; 7) determinar uma composição elementar para a biomassa de Y. lipolytica (CH1,98O0,58N0,13), em que os átomos de carbono encontram-se em média mais reduzidos do que na biomassa de leveduras como Saccharomyces cerevisiae e Dekkera bruxellensis. Foram também realizados cultivos em biorreator em batelada (1 L de volume útil, 28 oC, aerobiose plena e pH controlado em 5,0), durante os quais foi possível: a) estabelecer um protocolo de cultivo para Y. lipolytica em biorreator (que envolvem agitação mecânica, aeração e uso de anti-espumante, entre outras diferenças em relação aos cultivos em frasco); b) confirmar os valores dos principais parâmetros fisiológicos apresentados por esta levedura, anteriormente obtidos a partir de cultivos em frasco; c) confirmar que o fator de conversão de substrato a células (Yx/s) é maior para cultivos realizados com glicerol como fonte única de carbono (0,53 g/g para a linhagem IMUFRJ 50682), do que com glicose (0,48 g/g para a mesma linhagem). Finalmente, cultivos realizados em quimiostato com glicerol como fonte de carbono e energia, limitados por amônio (fonte de nitrogênio, relação C/N 126), às vazões específicas de 0,25 h-1 e 0,15 h-1, permitiram observar que o número de partículas lipídicas por célula de Y. lipolytica permaneceu em torno de 2 em ambas as situações e houve uma diminuição no teor de nitrogênio nas células quando a velocidade específica de crescimento diminuiu de 0,25 para 0,15 h-1.

Estudo da cinética de crescimento de células de inseto Sf21 e infecção por baculovírus Anticarsia gemmatalis (AgMNPV) para a produção de bioinseticida.

O interesse em estudar o cultivo das células de inseto está relacionado entre outros usos a sua utilização na produção de biopesticidas. Há muitos anos os pesticidas químicos vêm contribuindo no controle de pragas na agricultura. Entretanto, o uso desses compostos prolongadamente tem resultado na seleção de insetos resistentes e em poluição ambiental. Diante disso, torna-se necessário o desenvolvimento e aprimoramento dos bioinseticidas. No Brasil, o baculovírus Anticarsia gemmatalis multiple nucleopolyhedrovirus (AgMNPV) foi o principal agente de controle biológico da praga da soja Anticarsia gemmatalis. Assim, estudos que viabilizem a produção desses vírus in vitro possibilitariam uma produção mais controlada e de melhor qualidade desses biopesticidas. Neste trabalho, investigou-se a suscetibilidade à infecção por AgMNPV de diferentes linhagens celulares de Sf21 e o crescimento dessas células em diferentes sistemas: cultivos em schotts, em spinner e em biorreator, variando-se a idade do inóculo (IA) e a concentração celular inicial (X0). Constatou-se variação no perfil de infecção das linhagens, sendo as linhagens mais adequadas para a produção de bioinseticida as linhagens de Sf21 denominadas EMBRAPA, UFRN e GibcoG, uma vez que estas apresentaram mais do que 40 % das células com poliedros em cultivos em suspensão, enquanto a linhagem denominada GibcoSF teve menos de 2 % das células infectadas com poliedros. Ao se estudar o efeito do número de subcultivos na morfologia e crescimento celular, foi averiguado um aumento no diâmetro de 10 % e no volume de 26 % das células UFRN em relação às células GibcoSF. Além disso, o crescimento das células UFRN foi 49% menor do que das células GibcoSF. Quando realizado o Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) para se analisar o efeito da IA e a X0 na taxa de crescimento específica máxima (?max) e na concentração celular máxima (Xvmax) em cultivos em schott com células UFRN, obteve-se um modelo empírico. Quando analisadas as variáveis IA e X0 separadamente, não foram encontradas diferenças significativas para as respostas Xvmax e ?max em relação a X0. Para a IA, entretanto, obteve-se os resultados mais satisfatórios para os inóculos com IA de 72 e 96 horas: Xvmax de 5,97.106 cel/mL e 5,99.106 cel/mL, e ?max de 0,70 dia-1 e 0,63 dia-1, respectivamente. Nos cultivos em spinner com células UFRN, foi observada a formação de grumos, o que levou a Xvmax de 2,00.106 cel/mL. No cultivo em biorreator com células UFRN, foi obtido um Xvmax de 6,21.106 cel/mL, ?max de 0,70 dia-1, Qo2 na fase exponencial de 67,3 ± 3,6 .10-18 molO2/cel/s, rendimento de glicose em célula igual a 1,0.109 cel/g de glicose e um rendimento de glutamina em células de 3,0.109 cel/mL. Comprovou-se, portanto, a existência de alterações na infecção entre diferentes linhagens de Sf21; a importância do estado fisiológico da célula nos subcultivos, a ocorrência de mudanças no crescimento celular de acordo com os sistemas de cultivo e o efeito do número de subcultivos na morfologia e crescimento de células Sf21.

Hybrid simulation-optimization based approach for the optimal design of single-product biotechnological processes

In this work, we present a systematic method for the optimal development of bioprocesses that relies on the combined use of simulation packages and optimization tools. One of the main advantages of our method is that it allows for the simultaneous optimization of all the individual components of a bioprocess, including the main upstream and downstream units. The design task is mathematically formulated as a mixed-integer dynamic optimization (MIDO) problem, which is solved by a decomposition method that iterates between primal and master sub-problems. The primal dynamic optimization problem optimizes the operating conditions, bioreactor kinetics and equipment sizes, whereas the master levels entails the solution of a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model that decides on the values of the integer variables (i.e., number of equipments in parallel and topological decisions). The dynamic optimization primal sub-problems are solved via a sequential approach that integrates the process simulator SuperPro Designer® with an external NLP solver implemented in Matlab®. The capabilities of the proposed methodology are illustrated through its application to a typical fermentation process and to the production of the amino acid L-lysine.

Characterization of soluble and bound EPS obtained from 2 submerged membrane bioreactors by 3D-EEM and HPSEC

This research study deals with the quantification and characterization of the EPS obtained from two 25 L bench scale membrane bioreactors (MBRs) with micro-(MF-MBR) and ultrafiltration (UF-MBR) submerged membranes. Both reactors were fed with synthetic water and operated for 168 days without sludge extraction, increasing their mixed liquor suspended solid (MLSS) concentration during the experimentation time. The characterization of soluble EPS (EPSs) was achieved by the centrifugation of mixed liquor and bound EPS (EPSb) by extraction using a cationic resin exchange (CER). EPS characterization was carried out by applying the 3-dimensional excitation–emission matrix fluorescence spectroscopy (3D-EEM) and high-performance size exclusion chromatography (HPSEC) with the aim of obtaining structural and functional information thereof. With regard to the 3D-EEM analysis, fluorescence spectra of EPSb and EPSs showed 2 peaks in both MBRs at all the MLSS concentrations studied. The peaks obtained for EPSb were associated to soluble microbial by-product-like (predominantly protein-derived compounds) and to aromatic protein. For EPSs, the peaks were associated with humic and fulvic acids. In both MBRs, the fluorescence intensity (FI) of the peaks increased as MLSS and protein concentrations increased. The FI of the EPSs peaks was much lower than for EPSb. It was verified that the evolution of the FI clearly depends on the concentration of protein and humic acids for EPSb and EPSs, respectively. Chromatographic analysis showed that the intensity of the EPSb peak increased while the concentrations of MLSS did. Additionally, the mean MW calculated was always higher the higher the MLSS concentrations in the reactors. MW was higher for the MF-MBR than for the UF-MBR for the same MLSS concentrations demonstrating that the filtration carried out with a UF membrane lead to retentions of lower MW particles.

Reduction of emerging micropollutants, organic matter, nutrients and salinity from real wastewater by combined MBR–NF/RO treatment

To study the possibility of producing better water quality from municipal wastewater, a membrane bioreactor (MBR) pilot plant with flat sheet (FS) and hollow fiber (HF) membranes coupled with another pilot plant equipped with nanofiltration (NF)/reverse osmosis (RO) membranes were operated to treat municipal wastewater from the wastewater treatment plant (WWTP) Rincón de León, Alicante (Spain). This study was focused on improving the quality of the permeate obtained from the MBR process when complemented by NF or RO stages with respect to salinity, organic matter and nutrients. Furthermore, the removal efficiencies of 10 EMPs were evaluated, comparing the reductions achieved between the wastewater treatment by MBR (adsorption to sludge and biodegradation) and the later treatment using NF or RO (mainly size exclusion). The results showed that the high quality of water was obtained which is appropriate for reuse with salinity removal efficiencies higher than 97%, 96% for total organic carbon (TOC), 91% for nitrates View the MathML sourceNO3- and 99% for total phosphorous (TP). High removal efficiencies were obtained for the majority of the analyzed EMP compounds.

Tratamiento de lixiviados de residuos de origen urbano mediante MBR

Se ha utilizado una planta de tratamiento a escala laboratorio consiste en un biorreactor de membrana (MBR). Esta planta está compuesta por un reactor biológico de 25 L de capacidad. Se utilizó una membrana plana de micro filtración marca Kubota de polietileno clorado, tamaño de poro 0,1 μm y área de filtración 0.116 m2. Se utilizaron como condiciones de operación: tiempo de residencia hidráulico 3 días, caudal de permeado 0.35 L/h y LMH 3 L/m2h. Se ha podido comprobar que es posible adaptar una población microbiológica a las particulares características químicas del lixiviado procedente de la planta y tratar estos lixiviados en un reactor biológico de membrana sumergida operando en condiciones habituales de sólidos en suspensión en el reactor entre 8-12 g/L durante un periodo de 6 meses. El proceso utilizado permite reducir la materia orgánica (97% DBO5 y 40% DQO) presente en estas corrientes residuales, agotando prácticamente toda la materia biodegradable. Respecto a los contenidos de nutrientes, el tratamiento MBR ensayado permite reducir de 35-40% el nitrógeno total, 45-50% el nitrógeno amoniacal y un 65-70% el fósforo total. Los sólidos en suspensión se han reducido en el efluente tratado en más de un 99%.

Evolution of extracellular polymeric substances produced in two submerged membrane bioreactors working at high sludge age

This research paper deals with the evolution of the extracellular polymeric substances (EPS) produced in the mixed liquor of two 25 L bench-scale membrane bioreactors (MBRs), with micro (MF-MBR) and ultrafiltration (UF-MBR) submerged membranes. The conclusion focuses on the relationship between the operation and how EPS respond, demonstrating that significant changes in EPS concentration were commonly observed when abrupt changes in the operational conditions took place. Bound EPS (EPSb) showed moderate positive statistical correlations with sludge age and MLSS for the two MBRs. Soluble EPS (EPSs), on the other hand, showed a moderate negative statistical correlation between EPSs with the two parameters analyzed for MF-MBR and no correlation with the UF-MBR was found. With respect to the composition of EPS, EPSb were mostly made up of proteins (44–46%) whereas in EPSs, the three components (proteins, carbohydrates, and humic substances) appeared in approximately the same proportion. The statistical analysis exhibited strong positive correlations between EPSb and their constituents, however for EPSs, the correlation was strong only with carbohydrates and moderate with humic substances.

Genetically engineered silk and genipin-enhanced fibrin hydrogel for annulus fibrosus repair

INTRODUCTION: Around 80% of people are affected by low back pain at least once in their life, often caused by trauma provoking intervertebral disc (IVD) herniation and/or IVD degeneration. Apart from some promising approaches for nucleus pulposus repair, so far no treatment or repair is available for the outer fibrous tissue, annulus fibrosus (AF). We aimed for sealing and repairing an AF injury in a bovine IVD organ culture model in vitro over 14 days under different loading conditions. For this purpose, a silk fleece composite from Bombyx mori silk was combined with genipin-enhanced fibrin hydrogel [1]. METHODS: Bovine IVDs of 12-17 months old animals were isolated by first removing all surrounding tissue, followed by cutting out the IVDs [2]. Culturing of discs occurred in high glucose Dulbecco's Modified Eagle Medium (HG-DMEM) supplemented with 5% serum as previously described. On the next day, injury was induced using a 2mm biopsy punch (Polymed, Switzerland). The formed cavity was filled with (0.4%) genipin-enhanced human based fibrin hydrogel (35- 55mg/mL human fibrinogen, Baxter, Austria) and sealed with a silk fleece-membrane composite (Spintec Engineering, Germany). Different culture conditions were applied: free swelling, static diurnal load of 0.2MPa for 8h/d and complex loading at 0.2MPa compression combined with ± 2° torsion at 0.2Hz for 8h/d. Complex loading was applied by a custom built 2 degree of freedom bioreactor [3]. After 14 days of culture cell activity was determined with resazurin assay. Additionally, glycosaminoglycan (dimethyl-methylene blue), DNA (Hoechst) and collagen content (hydroxy-proline) were determined. Finally, real-time qPCR of major IVD marker genes was performed. RESULTS: The silk seal closing the injury site could successfully withstand the forces of all three loading conditions with no misplacement over the two weeks’ culture. Nevertheless, disc height of the repaired discs did not significantly differ from the injured group. The disc phenotype could be maintained as demonstrated by biochemical analysis of gene expression, cell activity, DNA-, collagen- and GAG content. The silk itself was evaluated to be highly biocompatible for hMSC, as revealed by cytotoxicity assays. DISCUSSION & CONCLUSIONS: The silk can be considered a highly-elastic and biocompatible material for AF closure and the genipin-enhanced fibrin hydrogel has also good biomechanical properties. However, the cyto-compatibility of genipin seems rather poor and other hydrogels and/or cross-linkers should be looked into. REFERENCES: 1 C.C. Guterl et al. (2014) Characterization of Mechanics and Cytocompatibility of Fibrin Genipin Annulus Fibrosus Sealant with the Addition of Cell Adhesion Molecules, Tissue Eng Part A 2 S.C. Chan, B. Gantenbein-Ritter (2012) Preparation of intact bovine tail intervertebral discs for organ culture, J Vis Exp 3 B Gantenbein et al. (2015) Organ Culture Bioreactors - Platforms to Study Human Intervertebral Disc Degeneration and Regenerative Therapy, Curr Stem Cell Res Ther [epub ahead of print] ACKNOWLEDGEMENTS: This project is supported by the Gebert Rüf Stiftung project # GRS-028/13.

Time-Resolved Micro PIV in the Pivoting Area of the Triflo Mechanical Heart Valve

The Lapeyre-Triflo FURTIVA valve aims at combining the favorable hemodynamics of bioprosthetic heart valves with the durability of mechanical heart valves (MHVs). The pivoting region of MHVs is hemodynamically of special interest as it may be a region of high shear stresses, combined with areas of flow stagnation. Here, platelets can be activated and may form a thrombus which in the most severe case can compromise leaflet mobility. In this study we set up an experiment to replicate the pulsatile flow in the aortic root and to study the flow in the pivoting region under physiological hemodynamic conditions (CO = 4.5 L/min / CO = 3.0 L/min, f = 60 BPM). It was found that the flow velocity in the pivoting region could reach values close to that of the bulk flow during systole. At the onset of diastole the three valve leaflets closed in a very synchronous manner within an average closing time of 55 ms which is much slower than what has been measured for traditional bileaflet MHVs. Hot spots for elevated viscous shear stresses were found at the flanges of the housing and the tips of the leaflet ears. Systolic VSS was maximal during mid-systole and reached levels of up to 40 Pa.