The rate-limiting step for glucose transport into the hypothalamus is across the blood-hypothalamus interface.

Specialized glucosensing neurons are present in the hypothalamus, some of which neighbor the median eminence, where the blood-brain barrier has been reported leaky. A leaky blood-brain barrier implies high tissue glucose levels and obviates a role for endothelial glucose transporters in the control of hypothalamic glucose concentration, important in understanding the mechanisms of glucose sensing We therefore addressed the question of blood-brain barrier integrity at the hypothalamus for glucose transport by examining the brain tissue-to-plasma glucose ratio in the hypothalamus relative to other brain regions. We also examined glycogenolysis in hypothalamus because its occurrence is unlikely in the potential absence of a hypothalamus-blood interface. Across all regions the concentration of glucose was comparable at a given plasma glucose concentration and was a near linear function of plasma glucose. At steady-state, hypothalamic glucose concentration was similar to the extracellular hypothalamic glucose concentration reported by others. Hypothalamic glycogen fell at a rate of approximately 1.5 micromol/g/h and remained present in substantial amounts. We conclude for the hypothalamus, a putative primary site of brain glucose sensing that: the rate-limiting step for glucose transport into brain cells is at the blood-hypothalamus interface, and that glycogenolysis is consistent with a substantial blood -to- intracellular glucose concentration gradient.

Glucose transporters in the regulation of intestinal, renal, and liver glucose fluxes.

Five functional mammalian facilitated hexose carriers (GLUTs) have been characterized by molecular cloning. By functional expression in heterologous systems, their specificity and affinity for different hexoses have been defined. There are three high-affinity transporters (GLUT-1, GLUT-3 and GLUT-4) and one low-affinity transporter (GLUT-2), and GLUT-5 is primarily a fructose carrier. Because their Michaelis constants (Km) are below the normal blood glucose concentration, the high-affinity transporters function at rates close to maximal velocity. Thus their level of cell surface expression greatly influences the rate of glucose uptake into the cells. In contrast, the rate of glucose uptake by GLUT-2 (Km = 17 mM) increases in parallel with the rise in blood glucose over the physiological concentration range. High-affinity transporters are found in almost every tissue, but their expression is higher in cells with high glycolytic activity. Glut-2, however, is found in tissues carrying large glucose fluxes, such as intestine, kidney, and liver. As an adaptive response to variations in metabolic conditions, the expression of these transporters is regulated by glucose and different hormones. Thus, because of their specific characteristics and regulated expression, the facilitated glucose transporters control fundamental aspects of glucose homeostasis. I review data pertaining to the structure and regulated expression of the glucose carriers present in intestine, kidney, and liver and discuss their role in the control of glucose flux into or out of these different tissues.

Glucose represses connexin36 in insulin-secreting cells.

The gap-junction protein connexin36 (Cx36) contributes to control the functions of insulin-producing cells. In this study, we investigated whether the expression of Cx36 is regulated by glucose in insulin-producing cells. Glucose caused a significant reduction of Cx36 in insulin-secreting cell lines and freshly isolated pancreatic rat islets. This decrease appeared at the mRNA and the protein levels in a dose- and time-dependent manner. 2-Deoxyglucose partially reproduced the effect of glucose, whereas glucosamine, 3-O-methyl-D-glucose and leucine were ineffective. Moreover, KCl-induced depolarization of beta-cells had no effect on Cx36 expression, indicating that glucose metabolism and ATP production are not mandatory for glucose-induced Cx36 downregulation. Forskolin mimicked the repression of Cx36 by glucose. Glucose or forskolin effects on Cx36 expression were not suppressed by the L-type Ca(2+)-channel blocker nifedipine but were fully blunted by the cAMP-dependent protein kinase (PKA) inhibitor H89. A 4 kb fragment of the human Cx36 promoter was identified and sequenced. Reporter-gene activity driven by various Cx36 promoter fragments indicated that Cx36 repression requires the presence of a highly conserved cAMP responsive element (CRE). Electrophoretic-mobility-shift assays revealed that, in the presence of a high glucose concentration, the binding activity of the repressor CRE-modulator 1 (CREM-1) is enhanced. Taken together, these data provide evidence that glucose represses the expression of Cx36 through the cAMP-PKA pathway, which activates a member of the CRE binding protein family.

Autophagy defect is associated with low glucose-induced apoptosis in 661W photoreceptor cells.

Glucose is an important metabolic substrate of the retina and diabetic patients have to maintain a strict normoglycemia to avoid diabetes secondary effects, including cardiovascular disease, nephropathy, neuropathy and retinopathy. Others and we recently demonstrated the potential role of hypoglycemia in diabetic retinopathy. We showed acute hypoglycemia to induce retinal cell death both in vivo during an hyperinsulinemic/hypoglycemic clamp and in vitro in 661W photoreceptor cells cultured at low glucose concentration. In the present study, we showed low glucose to induce a decrease of BCL2 and BCL-XL anti-apoptotic proteins expression, leading to an increase of free pro-apoptotic BAX. In parallel, we showed that, in retinal cells, low glucose-induced apoptosis is involved in the process of autophagosomes formation through the AMPK/RAPTOR/mTOR pathway. Moreover, the decrease of LAMP2a expression led to a defect in the autophagosome/lysosome fusion process. Specific inhibition of autophagy, either by 3-methyladenine or by down-regulation of ATG5 or ATG7 proteins expression, increased caspase 3 activation and 661W cell death. We show that low glucose modifies the delicate equilibrium between apoptosis and autophagy. Cells struggled against low nutrient condition-induced apoptosis by starting an autophagic process, which led to cell death when inhibited. We conclude that autophagy defect is associated with low glucose-induced 661W cells death that could play a role in diabetic retinopathy. These results could modify the way of addressing negative effects of hypoglycemia. Short-term modulation of autophagy could be envisioned to treat diabetic patients in order to avoid secondary complications of the disease.

Effects of fructose on hepatic glucose metabolism in humans.

Hepatic and extrahepatic insulin sensitivity was assessed in six healthy humans from the insulin infusion required to maintain an 8 mmol/l glucose concentration during hyperglycemic pancreatic clamp with or without infusion of 16.7 micromol. kg(-1). min(-1) fructose. Glucose rate of disappearance (GR(d)), net endogenous glucose production (NEGP), total glucose output (TGO), and glucose cycling (GC) were measured with [6,6-(2)H(2)]- and [2-(2)H(1)]glucose. Hepatic glycogen synthesis was estimated from uridine diphosphoglucose (UDPG) kinetics as assessed with [1-(13)C]galactose and acetaminophen. Fructose infusion increased insulin requirements 2.3-fold to maintain blood glucose. Fructose infusion doubled UDPG turnover, but there was no effect on TGO, GC, NEGP, or GR(d) under hyperglycemic pancreatic clamp protocol conditions. When insulin concentrations were matched during a second hyperglycemic pancreatic clamp protocol, fructose administration was associated with an 11.1 micromol. kg(-1). min(-1) increase in TGO, a 7.8 micromol. kg(-1). min(-1) increase in NEGP, a 2.2 micromol. kg(-1). min(-1) increase in GC, and a 7.2 micromol. kg(-1). min(-1) decrease in GR(d) (P < 0. 05). These results indicate that fructose infusion induces hepatic and extrahepatic insulin resistance in humans.

Stimulation of thermogenesis in men after combined glucose-long-chain triglyceride infusion.

The effect of combined long-chain triglyceride infusion (Intralipid 20%) with graded doses of insulin/glucose on energy expenditure was examined in 17 healthy young male volunteers by using the euglycemic insulin clamp technique in combination with indirect calorimetry. Intralipid was infused for 90 min at a constant rate of 0.23 g/min; plasma free fatty acids increased from base-line values of 380 +/- 8 mumol/l to steady state levels of 650 +/- 12 mumol/l. After 90 min the Intralipid was continued and insulin was infused at three rates (0.5, 2, and 4 mU/kg . min) to achieve steady state hyperinsulinemic plateaus of 63 +/- 4, 167 +/- 10, and 410 +/- 15 microU/ml. Plasma glucose concentration was maintained constant at basal euglycemic levels (insulin clamp technique) by infusing glucose at 0.24, 0.48, and 0.59 g/min, respectively. Glucose storage during the insulin clamp (ie, glucose uptake minus glucose oxidation) was 0.13, 0.33, and 0.40 g/min for each group and exogenous lipid storage was 0.17, 0.18, and 0.19 g/min, respectively. The net increment in energy expenditure was 0.15, 0.24, and 0.26 kcal/min, respectively, which represents 8.5% of the energy content of the total amount of glucose and lipid stored. The experimentally determined value (approximately 9%) for the cost of storing both glucose and lipid was found to be significantly greater than predicted by stoichiometric calculations. However, the experimental value for the combined infusion was less than that observed for glucose storage alone (12%). This finding provides support for the use of combined glucose/fat infusions in parenteral nutrition as it is used more economically than when glucose is infused alone.

Impact of tight glycemic control on cerebral glucose metabolism after severe brain injury: a microdialysis study.

OBJECTIVES: To analyze the effect of tight glycemic control with the use of intensive insulin therapy on cerebral glucose metabolism in patients with severe brain injury. DESIGN: Retrospective analysis of a prospective observational cohort. SETTING: University hospital neurologic intensive care unit. PATIENTS: Twenty patients (median age 59 yrs) monitored with cerebral microdialysis as part of their clinical care. INTERVENTIONS: Intensive insulin therapy (systemic glucose target: 4.4-6.7 mmol/L [80-120 mg/dL]). MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS: Brain tissue markers of glucose metabolism (cerebral microdialysis glucose and lactate/pyruvate ratio) and systemic glucose were collected hourly. Systemic glucose levels were categorized as within the target "tight" (4.4-6.7 mmol/L [80-120 mg/dL]) vs. "intermediate" (6.8-10.0 mmol/L [121-180 mg/dL]) range. Brain energy crisis was defined as a cerebral microdialysis glucose <0.7 mmol/L with a lactate/pyruvate ratio >40. We analyzed 2131 cerebral microdialysis samples: tight systemic glucose levels were associated with a greater prevalence of low cerebral microdialysis glucose (65% vs. 36%, p < 0.01) and brain energy crisis (25% vs.17%, p < 0.01) than intermediate levels. Using multivariable analysis, and adjusting for intracranial pressure and cerebral perfusion pressure, systemic glucose concentration (adjusted odds ratio 1.23, 95% confidence interval [CI] 1.10-1.37, for each 1 mmol/L decrease, p < 0.001) and insulin dose (adjusted odds ratio 1.10, 95% CI 1.04-1.17, for each 1 U/hr increase, p = 0.02) independently predicted brain energy crisis. Cerebral microdialysis glucose was lower in nonsurvivors than in survivors (0.46 +/- 0.23 vs. 1.04 +/- 0.56 mmol/L, p < 0.05). Brain energy crisis was associated with increased mortality at hospital discharge (adjusted odds ratio 7.36, 95% CI 1.37-39.51, p = 0.02). CONCLUSIONS: In patients with severe brain injury, tight systemic glucose control is associated with reduced cerebral extracellular glucose availability and increased prevalence of brain energy crisis, which in turn correlates with increased mortality. Intensive insulin therapy may impair cerebral glucose metabolism after severe brain injury.

Measurement Problems and Problem-Solving in Kraft Pulping

Tämän työn tarkoituksena on koota yhteen selluprosessin mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat ongelmien ratkaisemiseksi. Pääpaino on online-mittaustekniikoissa. Työ koostuu kolmesta osasta. Ensimmäinen osa on kirjallisuustyö, jossa esitellään nykyaikaisen selluprosessin perusmittaukset ja säätötarpeet. Mukana on koko kuitulinja puunkäsittelystä valkaisuun ja kemikaalikierto: haihduttamo, soodakattila, kaustistamo ja meesauuni. Toisessa osassa mittausongelmat ja mahdolliset mittaustekniikat on koottu yhteen ”tiekartaksi”. Tiedot on koottu vierailemalla kolmella suomalaisella sellutehtaalla ja haastattelemalla laitetekniikka- ja mittaustekniikka-asiantuntijoita. Prosessikemian paremmalle ymmärtämiselle näyttää haastattelun perusteella olevan tarvetta, minkä vuoksi konsentraatiomittaukset on valittu jatkotutkimuskohteeksi. Viimeisessä osassa esitellään mahdollisia mittaustekniikoita konsentraatiomittausten ratkaisemiseksi. Valitut tekniikat ovat lähi-infrapunatekniikka (NIR), fourier-muunnosinfrapunatekniikka (FTIR), online-kapillaarielektroforeesi (CE) ja laserindusoitu plasmaemissiospektroskopia (LIPS). Kaikkia tekniikoita voi käyttää online-kytkettyinä prosessikehitystyökaluina. Kehityskustannukset on arvioitu säätöön kytketylle online-laitteelle. Kehityskustannukset vaihtelevat nollasta miestyövuodesta FTIR-tekniikalle viiteen miestyövuoteen CE-laitteelle; kehityskustannukset riippuvat tekniikan kehitysasteesta ja valmiusasteesta tietyn ongelman ratkaisuun. Työn viimeisessä osassa arvioidaan myös yhden mittausongelman – pesuhäviömittauksen – ratkaisemisen teknis-taloudellista kannattavuutta. Ligniinipitoisuus kuvaisi nykyisiä mittauksia paremmin todellista pesuhäviötä. Nykyään mitataan joko natrium- tai COD-pesuhäviötä. Ligniinipitoisuutta voidaan mitata UV-absorptiotekniikalla. Myös CE-laitetta voitaisiin käyttää pesuhäviön mittauksessa ainakin prosessikehitysvaiheessa. Taloudellinen tarkastelu pohjautuu moniin yksinkertaistuksiin ja se ei sovellu suoraan investointipäätösten tueksi. Parempi mittaus- ja säätöjärjestelmä voisi vakauttaa pesemön ajoa. Investointi ajoa vakauttavaan järjestelmään on kannattavaa, jos todellinen ajotilanne on tarpeeksi kaukana kustannusminimistä tai jos pesurin ajo heilahtelee eli pesuhäviön keskihajonta on suuri. 50 000 € maksavalle mittaus- ja säätöjärjestelmälle saadaan alle 0,5 vuoden takaisinmaksuaika epävakaassa ajossa, jos COD-pesuhäviön vaihteluväli on 5,2 – 11,6 kg/odt asetusarvon ollessa 8,4 kg/odt. Laimennuskerroin vaihtelee tällöin välillä 1,7 – 3,6 m3/odt asetusarvon ollessa 2,5 m3/odt.

Monosodium glutamate (MSG)-obese rats develop glucose intolerance and insulin resistance to peripheral glucose uptake

Different levels of insulin sensitivity have been described in several animal models of obesity as well as in humans. Monosodium glutamate (MSG)-obese mice were considered not to be insulin resistant from data obtained in oral glucose tolerance tests. To reevaluate insulin resistance by the intravenous glucose tolerance test (IVGTT) and by the clamp technique, newborn male Wistar rats (N = 20) were injected 5 times, every other day, with 4 g/kg MSG (N = 10) or saline (control; N = 10) during the first 10 days of age. At 3 months, the IVGTT was performed by injecting glucose (0.75 g/kg) through the jugular vein into freely moving rats. During euglycemic clamping plasma insulin levels were increased by infusing 3 mU . kg-1 . min-1 of regular insulin until a steady-state plateau was achieved. The basal blood glucose concentration did not differ between the two experimental groups. After the glucose load, increased values of glycemia (P<0.001) in MSG-obese rats occurred at minute 4 and from minute 16 to minute 32. These results indicate impaired glucose tolerance. Basal plasma insulin levels were 39.9 ± 4 µU/ml in control and 66.4 ± 5.3 µU/ml in MSG-obese rats. The mean post-glucose area increase of insulin was 111% higher in MSG-obese than in control rats. When insulinemia was clamped at 102 or 133 µU/ml in control and MSG rats, respectively, the corresponding glucose infusion rate necessary to maintain euglycemia was 17.3 ± 0.8 mg . kg-1 . min-1 for control rats while 2.1 ± 0.3 mg . kg-1 . min-1 was sufficient for MSG-obese rats. The 2-h integrated area for total glucose metabolized, in mg . min . dl-1, was 13.7 ± 2.3 vs 3.3 ± 0.5 for control and MSG rats, respectively. These data demonstrate that MSG-obese rats develop insulin resistance to peripheral glucose uptake

Bradykinin enhances membrane electrical activity of pancreatic beta cells in the presence of low glucose concentrations

In most of cells bradykinin (BK) induces intracellular calcium mobilization. In pancreatic beta cells intracellular calcium is a major signal for insulin secretion. In these cells, glucose metabolism yields intracellular ATP which blocks membrane potassium channels. The membrane depolarizes, voltage-dependent Ca2+ channels are activated and the intracellular calcium load allows insulin secretion. Repolarization occurs due to activation of the Ca2+-dependent K+ channel. The insulin secretion depends on the integrity of this oscillatory process (bursts). Therefore, we decided to determine whether BK (100 nM) induces bursts in the presence of a non-stimulatory glucose concentration (5.6 mM). During continuous membrane voltage recording, our results showed that bursts were obtained with 11 mM glucose, blocked with 5.6 mM glucose and recovered with 5.6 mM glucose plus 100 nM BK. Thus, the stimulatory process obtained in the presence of BK and of a non-stimulatory concentration of glucose in the present study suggests that BK may facilitate the action of glucose on beta cell secretion.

Monoacylglycerol as a metabolic coupling factor in glucose-stimulated insulin secretion

Les cellules beta pancréatiques sécrètent l’insuline lors d’une augmentation post-prandiale du glucose dans le sang. Ce processus essentiel est contrôlé par des facteurs physiologiques, nutritionnels et pathologiques. D’autres sources d’énergie, comme les acides aminés (leucine et glutamine) ou les acides gras potentialisent la sécrétion d’insuline. Une sécrétion d’insuline insuffisante au besoin du corps déclanche le diabète. Le rôle que joue l’augmentation du calcium intracellulaire et les canaux K+/ATP dans la sécrétion d’insuline est bien connu. Bien que le mécanisme exact de la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les lipides est inconnu, le cycle Glycérolipides/Acides gras (GL/FFA) et son segment lipolytique ont été reconnu comme un composant essentiel de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline. Le diacylglycérol, provenant de la lipolyse, a été proposé comme un signal lipidique important d’amplification. Cependant, l’hydrolyse des triglycérides et des diacylglycérides a été démontrée essentielle pour la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, en suggérant un rôle du monoacylglycérol (MAG) dans ce processus. Dans cette étude, on démontre que la réduction de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, lors d’une inhibition de la lipolyse, est restaurée par l’addition de MAG. Dans les cellules beta pancréatiques, le niveau de MAG augmente en présence des concentrations élevées du glucose, et également lorsqu’on inhibe l’enzyme MAG hydrolase abhydrolase-6 (ABHD6) avec l’inhibiteur spécifique WWL70. L’analyse lipidomique a démontré qu’après la stimulation des cellules beta pancréatiques avec le glucose et aussi avec le WWL70, l’espèce la plus accumulée de MAG était le 1-stearoylglycérol (1-SG). L’addition de 1-SG, de 1-palmitoylglycérol (1-PG) ou de WWL70 augmente la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose, et cette augmentation est indépendante de la génération de acides gras à partir de MAG. Cela suggère que le MAG est un signal lipidique pour la potentialisation de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. De plus, la surexpression du gène d’ABHD6 dans les cellules INS832/13 cause une réduction de la sécrétion d’insuline, due probablement à la diminution des niveaux intracellulaire de MAG. Avec le but de comprendre le mécanisme moléculaire impliqué dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par le MAG, on a bloqué l’action du récepteur vanilloid-1 (TRPV1) liant le MAG par l’agent pharmacologiste, AMG9810. Le traitement des cellules beta pancréatique par AMG9810 entraîne une diminution de la potentialisation de la sécrétion de l’insuline induite par le MAG. Il est a noter que le MAG pourrait activer TRPV1 par une liaison physique dans la membrane cellulaire interne; ce qui entraînerai l’entrée du calcium dans la cellule, et ensuite la stimulation de l’exocytose des granules à insuline. En soutien de cette hypothèse, on a trouvé une diminution du calcium intracellulaire lorsqu’on traite au AMG9810 des cellules beta pancréatique de rat (provenant des îlots dispersés) stimulées au glucose et au WWL70. L’ensemble des résultats suggère que le MAG est un médiateur de la potentialisation lipidique de la sécrétion d’insuline stimulée par le glucose. Vu que l’inhibition pharmacologique d’ABHD6 augmente la sécrétion d’insuline, on pourra conclure que cette enzyme représente une cible thérapeutique potentielle dans le développement des médicaments anti-diabétiques, visant une augmentation de la sécrétion d’insuline.

Étude fonctionnelle du cotransporteur Na+/glucose (hSGLT1) : courant de fuite, vitesse de cotransport et modélisation cinétique

Les résultats présentés dans cette thèse précisent certains aspects de la fonction du cotransporteur Na+/glucose (SGLT1), une protéine transmembranaire qui utilise le gradient électrochimique favorable des ions Na+ afin d’accumuler le glucose à l’intérieur des cellules épithéliales de l’intestin grêle et du rein. Nous avons tout d’abord utilisé l’électrophysiologie à deux microélectrodes sur des ovocytes de xénope afin d’identifier les ions qui constituaient le courant de fuite de SGLT1, un courant mesuré en absence de glucose qui est découplé de la stoechiométrie stricte de 2 Na+/1 glucose caractérisant le cotransport. Nos résultats ont démontré que des cations comme le Li+, le K+ et le Cs+, qui n’interagissent que faiblement avec les sites de liaison de SGLT1 et ne permettent pas les conformations engendrées par la liaison du Na+, pouvaient néanmoins générer un courant de fuite d’amplitude comparable à celui mesuré en présence de Na+. Ceci suggère que le courant de fuite traverse SGLT1 en utilisant une voie de perméation différente de celle définie par les changements de conformation propres au cotransport Na+/glucose, possiblement similaire à celle empruntée par la perméabilité à l’eau passive. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à estimer la vitesse des cycles de cotransport de SGLT1 à l’aide de la technique de la trappe ionique, selon laquelle le large bout d’une électrode sélective (~100 μm) est pressé contre la membrane plasmique d’un ovocyte et circonscrit ainsi un petit volume de solution extracellulaire que l’on nomme la trappe. Les variations de concentration ionique se produisant dans la trappe en conséquence de l’activité de SGLT1 nous ont permis de déduire que le cotransport Na+/glucose s’effectuait à un rythme d’environ 13 s-1 lorsque le potentiel membranaire était fixé à -155 mV. Suite à cela, nous nous sommes intéressés au développement d’un modèle cinétique de SGLT1. En se servant de l’algorithme du recuit simulé, nous avons construit un schéma cinétique à 7 états reproduisant de façon précise les courants du cotransporteur en fonction du Na+ et du glucose extracellulaire. Notre modèle prédit qu’en présence d’une concentration saturante de glucose, la réorientation dans la membrane de SGLT1 suivant le relâchement intracellulaire de ses substrats est l’étape qui limite la vitesse de cotransport.

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.

Microwave activation of the electro-oxidation of glucose in alkaline media

The oxidation of glucose is a complex process usually requiring catalytically active electrode surfaces or enzyme modified electrodes. In this study the effect of high intensity microwave radiation on the oxidation of glucose in alkaline solution at Au, Cu, and Ni electrodes is reported. Calibration experiments with the Fe(CN)(6)(3-/4-) redox system in aqueous 0.1 M NaOH indicate that strong thermal effects occur at both 50 and 500 mu m diameter electrodes with temperatures reaching 380 K. Extreme mass transport effects with mass transport coefficients of k(mt) > 0.01 m s(-1) (or k(mt) > 1.0 cm s(-1)) are observed at 50 mu m diameter electrodes in the presence of microwaves. The electrocatalytic oxidation of glucose at 500 mu m diameter Au, Cu, or Ni electrodes immersed in 0.1 M NaOH and in the presence of microwave radiation is shown to be dominated by kinetic control. The magnitude of glucose oxidation currents at Cu electrodes is shown to depend on the thickness of a pre-formed oxide layer. At 50 mu m diameter Au, Cu, or Ni electrodes microwave enhanced current densities are generally higher, but only at Au electrodes is a significantly increased rate for the electrocatalytic oxidation of glucose to gluconolactone observed. This rate enhancement appears to be independent of temperature but microwave intensity dependent, and therefore non-thermal in nature. Voltammetric currents observed at Ni electrodes in the presence of microwaves show the best correlation with glucose concentration and are therefore analytically most useful.

Microwave activation of the electro-oxidation of glucose in alkaline media

The oxidation of glucose is a complex process usually requiring catalytically active electrode surfaces or enzyme-modified electrodes. In this study the effect of high intensity microwave radiation on the oxidation of glucose in alkaline solution at Au, Cu, and Ni electrodes is reported. Calibration experiments with the Fe(CN)63–/4– redox system in aqueous 0.1 M NaOH indicate that strong thermal effects occur at both 50 and 500 µm diameter electrodes with temperatures reaching 380 K. Extreme mass transport effects with mass transport coefficients of kmt > 0.01 m s–1(or kmt > 1.0 cm s–1) are observed at 50 µm diameter electrodes in the presence of microwaves. The electrocatalytic oxidation of glucose at 500 µm diameter Au, Cu, or Ni electrodes immersed in 0.1 M NaOH and in the presence of microwave radiation is shown to be dominated by kinetic control. The magnitude of glucose oxidation currents at Cu electrodes is shown to depend on the thickness of a pre-formed oxide layer. At 50 µm diameter Au, Cu, or Ni electrodes microwave enhanced current densities are generally higher, but only at Au electrodes is a significantly increased rate for the electrocatalytic oxidation of glucose to gluconolactone observed. This rate enhancement appears to be independent of temperature but microwave intensity dependent, and therefore non-thermal in nature. Voltammetric currents observed at Ni electrodes in the presence of microwaves show the best correlation with glucose concentration and are therefore analytically most useful.