Studi ed approfondimenti sulla composizione in acidi grassi del latte bovino di razza Reggiana con diverso fenotipo per k-caseina e Beta-lactoglobulina

The aim of the present study was to examine the association between milk protein polymorphism and fatty acids profiles of bovine milk. Milk samples were collected from each of 55 Reggiana cows during early, mid and late lactation, respectively, in two farms within the production area of Parmigiano Reggiano cheese. Identification and quantification of fatty acids were performed by gas chromatography. Milk fatty acid composition using cows of differing κ-casein (κ-Cn) and β-lactoglobulin (β-Lg) phenotypes was investigated. Statistically significant results regarding the associations between milk fatty acid composition and κ-Cn phenotype were found, in particular, κ-Cn BB seems to influence de novo fatty acid synthesis in the mammary gland. Also κ-Cn AB seems to have the same effect. Proportions of C10:0 (2,29a AA; 2,53b AB; 2,59b BB), C12:0 (2,77a AA; 3,17b AB; 3,20b BB) and C14:0 (9,22a AA; 10,25b AB; 10,27b BB) were higher in the milk from cows with κ-Cn phenotype AB and BB vs κ-Cn phenotype AA (p<0,05). Conversely C18:0 (7,84b AA; 7,20a,b AB; 6,94a BB) and C18:1 (19,19b AA; 16,81a AB; 16,79a BB) were lower in the milk from cows with κ-Cn phenotype AB and BB vs κ-Cn phenotype AA. The association between milk fatty acid composition and β-Lg phenotype was not statistically significant, except for some fatty acids. In particular, C12:0 (3,05a AA; 3,04a AB; 3,33b BB) was higher in the milk from cows with β-Lg phenotype BB vs β-Lg phenotype AA and AB (p<0,05). Concentrations of C18:0 (6,93a AA; 7,86b AB; 6,59a BB) and C18:1 (16,74a,b AA; 18,24b AB; 16,07a BB) were lower in the milk from cows with β-Lg phenotype AA and BB vs β-Lg phenotype AB (p<0,05). Moreover this research, carried out in farms within the Parmigiano Reggiano cheese district, analysed also the size distribution of fat globules in bulk milk of Reggiana and Frisona breed cows. In particular, the size distribution of individual milk fat globules of Reggiana cows with differing κ-Cn phenotypes was considered. From first observations, no statistically significant differences were observed.

Untersuchungen zur Regulation der Basenfehlpaarungsreparatur und zur Zytostatikaresistenz in Säugerzellen

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, daß eine Behandlung von Säugerzellen mit O6-Methylguanin generierenden Substanzen zu einer Zunahme der GT-Bindungsaktivität und zu einer Translokation der MMR-Proteine MSH2, MSH6 und PMS2 aus dem Cytoplasma in den Zellkern führt. Versuche mit MSH6-defizienten DLD1-Zellen und Coimmunpräzipitationsversuche zeigten, daß der MutSalpha-Komplex (MSH2+MSH6) bereits im Cytoplasma gebildet wird und daß die Translokation von MSH2 nur im Komplex mit MSH6 erfolgt. Durch die Untersuchung von Zellinien mit unterschiedlichem MGMT-Status konnte gezeigt werden, daß der DNA-Alkylierungsschaden O6-Methylguanin (O6-MeG) in Form des O6-MeGC oder O6-MeGT-Basenpaars das initiale Signal für die nukleäre Translokation von MutSalpha darstellt. Untersuchungen zur post-translationalen Modifikation der MMR-Proteine zeigten, daß MSH2 und MSH6 sowohl in vivo als auch in vitro durch die Proteinkinase C (PKC) und die Casein Kinase II (CKII) phosphoryliert werden. Es konnte gezeigt werden, daß die Phosphorylierung von MutSalpha die Effektivität der Bindung an Basenfehlpaarungen beeinflußt, da unphosphoryliertes MutSalpha in vitro nicht effektiv an GT-Fehlpaarungen binden kann. Bei der Untersuchung der Resistenzentwicklung von Melanomzellen gegenüber Zytostatika konnte gezeigt werden daß die Resistenz gegenüber Fotemustin auf einer Erhöhung der Menge des Reparaturproteins O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) beruht. Die Reaktivierung des MGMT-Gens beruht seinerseits auf einer CpG-Hypermethylierung im kodierenden Bereichs des Gens.

Entwicklung eines immunologischen Testsystems zur Detektion des marinen Biotoxins Domoinsäure

Domoinsäure ist ein von mehreren Arten mariner Kieselalgen der Gattung Pseudonitzschia produziertes Toxin, welches während einer Algenblüte in Molluscen wie z.B. der Miesmuschel Mytilus sp. akkumuliert werden kann. Beim Verzehr solch kontaminierter Muscheln können sowohl beim Menschen als auch bei Tieren erhebliche Vergiftungserscheinungen auftreten, die von Übelkeit, Kopfschmerzen und Orientierungsstörungen bis hin zum Verlust des Kurzzeitgedächtnisses (daher auch als amnesic shellfish poisoning bekannt) reichen und in einigen Fällen tödlich enden. rnDie heute gängigen Methoden zur Detektion von Domoinsäure in Muschelgewebe wie Flüssigkeitschromatographie und Maus-Bioassay sind zeit- und kostenintensiv bzw. in Anbetracht einer Verbesserung des Tierschutzes aus ethischer Sicht nicht zu vertreten. Immunologische Testsysteme stellen eine erstrebenswerte Alternative dar, da sie sich durch eine vergleichsweise einfache Handhabung, hohe Selektivität und Reproduzierbarkeit auszeichnen.rnDas Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein solches immunologisches Testsystem zur Detektion von Domoinsäure zu entwickeln. Hierfür wurden zunächst Antikörper gegen Domoinsäure gewonnen, wofür das Toxin wiederum als erstes über die Carbodiimid-Methode an das Trägerprotein keyhole limpet hemocyanin (KLH) gekoppelt wurde, um eine Immunantwort auslösen zu können. Kaninchen und Mäuse wurden mit KLH-DO-Konjugaten nach vorgegebenen Immunisierungsschemata immunisiert. Nach vier Blutabnahmen zeigte das polyklonale Kaninchenantiserum eine ausreichend hohe Sensitivität zum Antigen; das nachfolgende Detektionssystem wurde mit Hilfe dieses polyklonalen Antikörpers aufgebaut. Zwar ist es gegen Ende der Arbeit auch gelungen, einen spezifischen monoklonalen Antikörper aus der Maus zu gewinnen, jedoch konnte dieser aus zeitlichen Gründen nicht mehr im Detektionssystem etabliert werden, was durchaus wünschenswert gewesen wäre. rnWeiterhin wurde Domoinsäure im Zuge der Entwicklung eines neuartigen Testsystems an die Trägerproteine Ovalbumin, Trypsininhibitor und Casein sowie an Biotin konjugiert. Die Kopplungserfolge wurden im ELISA, Western Blot bzw. Dot Blot nachgewiesen. Die Ovalbumin-gekoppelte sowie die biotinylierte Domoinsäure dienten im Folgenden als die zu messenden Größen in den Detektionsassays- die in einer zu untersuchenden Probe vorhandende, kompetitierende Domoinsäure wurde somit indirekt nachgewiesen. rnDer zulässige Höchstwert für Domoinsäure liegt bei 20 µg/g Muschelgewebe. Sowohl mit Biotin-DO als auch mit OVA-DO als den zu messenden Größen waren Domoinsäurekonzentrationen unterhalb dieses Grenzwertes nachweisbar; allerdings erwies sich der Aufbau mit Biotin-DO um das ca. 20-fache empfindlicher als jener mit OVA-DO. rnDie in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse könnten als Grundlage zur Etablierung eines kommerzialisierbaren immunologischen Testsystems zur Detektion von Domoinsäure und anderen Biotoxinen dienen. Nach erfolgreicher Validierung wäre ein solches Testsystem in seiner Handhabung einfacher als die gängige Flüssigkeitschromatographie und besser reproduzierbar als der Maus-Bioassay.rn

Die Rolle von LRP1 in der Funktion des NMDA-Rezeptors

Ein funktionelles Zusammenspiel von LRP1, einem Mitglied der LDL-Rezeptorfamilie, mit dem NMDA-Rezeptor, einem Glutamat Rezeptor, wurde durch die Interaktion beider Proteine sowie eine tPa-vermittelte, LRP1-abhängige Signalübertragung durch den NMDA-Rezeptor belegt. Darüber hinaus zeigen Mäuse mit einem konditionellen neuronalen knock-out des Lrp1 Gens Verhaltensänderungen, die mit einer beeinträchtigten Signalübertragung durch NMDA-Rezeptoren assoziiert werden könnten. Die genaue Rolle von LRP1 in der NMDA-Rezeptor-Funktion bleibt allerdings noch unklar. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von LRP1 bei der Expression der NR2B-Untereinheit des NMDA-Rezeptors an der Zelloberfläche primärer kortikaler Neurone untersucht. Zu diesem Zweck wurde die knock-in Mauslinie LRP1ΔNPxY2, die sich durch eine Alanin Substitution im NPxY2 Motiv des LRP1 auszeichnet, eingesetzt. rnEs konnte gezeigt werden, dass diese knock-in Mutation in einer erhöhten Expression von LRP1 und der NMDA-Rezeptoruntereinheiten NR1 und NR2B an der Zelloberfläche primärer kortikaler Neurone resultiert. Der Effekt konnte durch eine reduzierte Endozytoserate von LRP1 und der NR1-und NR2B-Untereinheiten in primären LRP1ΔNPxY2 Neuronen erklärt werden. Darüber hinaus wurde ein verändertes Phosphorylierungsmuster der Internalisierungssignale der NR2B-Rezeptoruntereinheit Serin S1480 und Tyrosin Y1472 an der Zelloberfläche primärer LRP1ΔNPxY2 Neurone detektiert. Die verantwortlichen Kinasen Fyn und Kasein-Kinase II sind allerdings in LRP1ΔNPxY2 Neuronen im Vergleich zu den Wildtyp-Kontrollen nicht abweichend reguliert. In den Co-Immunopräzipitationsexperimenten wurde gezeigt, dass die Bindung von LRP1 mit NR2B durch die Phosphorylierung reguliert wird und dieser Regulationsmechanismus in LRP1ΔNPxY2 Neuronen beeinträchtigt ist. Dies resultiert in einer stärkeren Bindung von NR2B-Rezeptoruntereinheit an LRP1. Aufgrund reduzierter Internalisierungsraten von LRP1 in LRP1ΔNPxY2 Neuronen führt dieser Umstand zu einer Akkumulation beider Rezeptorproteine an der Zelloberfläche. Schließlich wurden die NMDA-Rezeptor-assoziierten Verhaltensänderungen wie die Hyperaktivität und die Defizite im direkten und umgekehrten räumlichen Lernvermögen in den LRP1ΔNPxY2 Tieren nachgewiesen. Zusammengefasst, demonstrieren diese Ergebnisse, dass LRP1 eine kritische Rolle in der Regulierung der NR2B-Expression an der Zelloberfläche spielt.

Entwicklung eines Thermodruckhydrolyse-Verfahrens zur Vorbehandlung von Weizenstroh ohne vorherige mechanische Zerkleinerung für die Produktion von Polyhydroxybuttersäure

In der vorliegenden Arbeit wurde der nachwachsende Rohstoff Weizenstroh für die Produktion des Biopolymers Polyhydroxybuttersäure genutzt. Als Lignocellulose enthält Weizenstroh einen hohen Anteil an Glucose und Xylose in Form von Cellulose und Hemicellulose. Eine Gewinnung ist aufgrund der komplexen Struktur mit Lignin als dritte Hauptkomponente nur durch eine Vorbehandlung möglich. Hierzu wurde ein thermochemisches Vorbehandlungsverfahren im halbtechnischen (125 l Reaktor) und technisch (425 l Reaktor) Maßstab mit verdünnter Salpetersäure (bis 1 % v/v) etabliert und hinsichtlich verschiedener Versuchsparameter (Behandlungstemperatur, Säure-Konzentration, etc.) optimiert. Auf eine mechanische Vorbehandlung wurde verzichtet. Danach erfolgte eine enzymatische Hydrolyse der vorbehandelten Biomasse. Der PHB-Produzent Cupriavidus necator DSM 545 wurde eingesetzt, um aus den freigesetzten Zuckern PHB zu synthetisieren. rnDurch die Optimierung der Vorbehandlung konnten bis zu 90 % der Glucose und 82 % der Xylose nach der enzymatischen Hydrolyse aus dem Stroh als Monomere und Oligomere freigesetzt werden. Außerdem wurde eine erfolgreiche Überführung des Vorbehandlungsprozesses in den 425 l Reaktor demonstriert. In den gewonnenen Zucker-Hydrolysaten konnten hohe Zelldichten und PHB-Gehalte mit bis zu 38 % erreicht werden. Eine vorherige kostenintensive Reinigung der Hydrolysate war nicht nötig. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Reststoffe nach der enzymatischen Hydrolyse, Zellkultur und PHB-Extraktion ausreichendes Potential für eine Biogas-Produktion besitzen. rn

Funktionelle Charakterisierung der Protein-Kinase CK2 in der Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch regulatorische T-Zellen

Regulatorische T-Zellen (Tregs) leisten durch ihre suppressiven Eigenschaften einen essenziellen Beitrag zur Aufrechterhaltung der immunologischen Toleranz. Sie verhindern schädliche Immunreaktionen gegen Autoantigene, kommensale Bakterien, sowie harmlose Nahrungsmittel-bestandteile. Gleichzeitig gewährleisten sie die Entwicklung effektiver Immunantworten gegen eindringende Pathogene, wie z.B. Parasiten, Bakterien und Viren. Damit haben Tregs direkten Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Immunität und Toleranz. Fehler in der suppressiven Funktionsweise von Tregs begünstigen daher auf der einen Seite die Entstehung zahlreicher autoimmuner Erkrankungen und Allergien. Auf der anderen Seite können Tregs Immunreaktionen bei chronischen Infektionen reduzieren, sowie die Entstehung effektiver Immunantworten gegen Tumore hemmen. Ihre Beteiligung an der Ätiologie all dieser Krankheiten macht Tregs zu einem bedeutenden potenziellen Zielobjekt, um diese Krankheiten effektiv zu therapieren. Die Erweiterung des Grundwissens um die molekularen Mechanismen der Treg-vermittelten Suppression ist daher ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung Treg-basierter Theraphieansätze. 2003 konnte mit Foxp3 ein Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der maßgeblich die suppressiven Funktionen von Tregs steuert. Um weiteren Einblick in die der Suppression zugrundeliegenden Signalwege zu erhalten, wurde im Institut für Immunologie ein komparativer Kinomarray durchgeführt, anhand dessen die Casein Kinase 2 (CK2) als eine der aktivsten Kinasen in Tregs identifiziert wurde (Daten freundlicherweise von Prof. Dr. Tobias Bopp bereitgestellt). rnBasierend auf den Ergebnissen des Kinomarrays wurde in dieser Arbeit die Funktion der CK2 in Tregs untersucht. Dabei konnte in in vitro Experimenten die Treg-vermittelte Suppression durch den pharmakologische CK2 Inhibitor DMAT aufgehoben werden. Weil derartige Inhibitoren jedoch nicht absolut spezifisch die Aktivität nur einer Kinase supprimieren, wurden außerdem Mäuse mit konditionalem „knockout“ der CK2β Untereinheit spezifisch in Tregs gekreuzt (CK2βTreg-/- Mäuse). Die Analyse dieser Tiere offenbarte eine essenzielle Beteiligung der CK2 an den suppressiven Funktionen von Tregs. So entwickeln CK2βTreg-/- Mäuse mit zunehmendem Alter Splenomegalien und Lymphadenopathien, von denen in besonderem Maße die Mukosa-assoziierten Lymphknoten betroffen sind. Eine Analyse des Aktivierungsstatus der T-Zellen in den Tieren konnte zudem einen erhöhten Anteil sogenannter Effektor-Gedächtnis T-Zellen aufdecken, die charakteristische Merkmale eines Th2 Phänotyps zeigten. Erhöhte Titer des Antikörperisotyps IgE in den Seren von CK2βTreg-/- Mäusen suggerieren zusätzlich eine fehlerhafte Suppression speziell Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs. In Th2-vermittelten Asthma Experimenten in vivo konnte der Verdacht der fehlerhaften Kontrolle von Th2-Antwort bestätigt werden, wobei zusätzlich aufgedeckt wurde, dass bereits unbehandelte CK2βTreg-/- Mäuse Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Lunge aufweisen. Bei der Suche nach den molekularen Ursachen der fehlerhaften Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs konnten zwei mögliche Erklärungsansätze gefunden werden. Zum einen zeigen CK2β-defiziente Tregs eine verringerte Expression von Foxp3, was, in Analogie zu Ergebnissen der Gruppe von R. Flavell (Wang Y.Y. Nature. 445, 766-770 (2007)), zu einer Konversion von Tregs zu Th2 Zellen und damit zur Entstehung eines Th2-basierten, autoimmunen Phänotyps führt. Des Weiteren weisen CK2β-defiziente Tregs eine reduzierte Expression des Transkriptionsfaktors IRF4 auf, der in Tregs entscheidend für die Kontrolle Th2-basierter Immunreaktionen ist (Zheng Y. Nature. 19; 351-356 (2009)). Die dargelegten Ergebnisse identifizieren die CK2 damit als Kinase, die entscheidend an der Treg-vermittelten Suppression speziell Th2-basierter Immunantworten beteiligt ist. Demnach könnten pharmakologische CK2 Inhibitoren beispielsweise dazu eingesetzt werden, um die Treg-vermittelte Suppression im Rahmen chronischer Parasiten-Infektionen aufzuheben. Die in CK2βTreg-/- Mäusen beobachtete Prävalenz der Funktion der CK2 für Mukosa-assoziierte Organe stellt dabei einen zusätzlichen Vorteil dar, weil systemische Nebenwirkungen, die durch die Blockade der Treg-vermittelte Suppression entstehen, zumindest in nicht-Mukosa-assoziierten Geweben nicht zu erwarten sind.rn

Impact of acquired enamel pellicle modification on initial dental erosion

The acquired enamel pellicle that forms on the tooth surface serves as a natural protective barrier against dental erosion. Numerous proteins composing the pellicle serve different functions within this thin layer. Our study examined the effect of incorporated mucin and casein on the erosion-inhibiting potential of the acquired enamel pellicle. Cyclic acidic conditions were applied to mimic the erosive environment present at the human enamel interface during the consumption of soft drinks. One hundred enamel specimens were prepared for microhardness tests and distributed randomly into 5 groups (n = 20) that received the following treatment: deionized water, humidity chamber, mucin, casein, or a combination of mucin and casein. Each group was exposed to 3 cycles of a 2-hour incubation in human saliva, followed by a 2-hour treatment in the testing solution and a 1-min exposure to citric acid. The microhardness analysis demonstrated that the mixture of casein and mucin significantly improved the erosion-inhibiting properties of the human pellicle layer. The addition of individual proteins did not statistically impact the function of the pellicle. These data suggest that protein-protein interactions may play an important role in the effectiveness of the pellicle to prevent erosion.

Effects of nutrient restriction on mammary cell turnover and mammary gland remodeling in lactating dairy cows

The aim of this study was to investigate the effects of a severe nutrient restriction on mammary tissue morphology and remodeling, mammary epithelial cell (MEC) turnover and activity, and hormonal status in lactating dairy cows. We used 16 Holstein x Normande crossbred dairy cows, divided into 2 groups submitted to different feeding levels (basal and restricted) from 2 wk before calving to wk 11 postpartum. Restricted-diet cows had lower 11-wk average daily milk yield from calving to slaughter than did basal-diet cows (20.5 vs. 33.5 kg/d). Feed restriction decreased milk fat, protein, and lactose yields. Restriction also led to lower plasma insulin-like growth factor 1 and higher growth hormone concentrations. Restricted-diet cows had lighter mammary glands than did basal-diet cows. The total amount of DNA in the mammary gland and the size of the mammary acini were smaller in the restricted-diet group. Feed restriction had no significant effect on MEC proliferation at the time of slaughter but led to a higher level of apoptosis in the mammary gland. Gelatin zymography highlighted remodeling of the mammary extracellular matrix in restricted-diet cows. Udders from restricted-diet cows showed lower transcript expression of alpha-lactalbumin and kappa-casein. In conclusion, nutrient restriction resulted in lower milk yield in lactating dairy cows, partly due to modulation of MEC activity and a lower number of mammary cells. An association was found between feed restriction-induced changes in the growth hormone-insulin-like growth factor-1 axis and mammary epithelial cell dynamics.

Proteomic and peptidomic study of proteolysis in quarter milk after infusion with lipoteichoic acid from Staphylococcus aureus

Mastitic milk is associated with increased bovine protease activity, such as that from plasmin and somatic cell enzymes, which cause proteolysis of the caseins and may reduce cheese yield and quality. The aim of this work was to characterize the peptide profile resulting from proteolysis in a model mastitis system and to identify the proteases responsible. One quarter of each of 2 cows (A and B) was infused with lipoteichoic acid from Staphylococcus aureus. The somatic cell counts of the infused quarters reached a peak 6h after infusion, whereas plasmin activity of those quarters also increased, reaching a peak after 48 and 12h for cow A and B, respectively. Urea-polyacrylamide gel electrophoretograms of milk samples of cow A and B obtained at different time points after infusion and incubated for up to 7 d showed almost full hydrolysis of beta- and alpha(S1)-casein during incubation of milk samples at peak somatic cell counts, with that of beta-casein being faster than that of alpha(S1)-casein. Two-dimensional gel electrophoretograms of milk 6h after infusion with the toxin confirmed hydrolysis of beta- and alpha(S1)-casein and the appearance of lower-molecular-weight products. Peptides were subsequently separated by reversed-phase HPLC and handmade nanoscale C(18) columns, and identified by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight tandem mass spectrometry. Twenty different peptides were identified and shown to originate from alpha(s1)- and beta-casein. Plasmin, cathepsin B and D, elastase, and amino- and carboxypeptidases were suggested as possible responsible proteases based on the peptide cleavage sites. The presumptive activity of amino- and carboxypeptidases is surprising and may indicate the activity of cathepsin H, which has not been reported in milk previously.

Effects of various forms of calcium added to chewing gum on initial enamel carious lesions in situ

The purpose of this randomized, cross-over in situ study was to determine the effects of 4 chewing gums on artificial caries-like subsurface lesions. Two chewing gums (1 with zinc citrate and 1 without) contained dicalcium phosphate (3.9%), calcium gluconate (1.8%) and calcium lactate (0.45%), 1 chewing gum contained casein phosphopeptide-amorphous calcium phosphate nanocomplexes (0.7%), and another one contained no calcium. Fifteen subjects without current caries activity (7 male, 8 female; mean age: 27.5 +/- 2.5 years) wore removable buccal appliances in the lower jaw with 4 bovine enamel slabs with subsurface lesions. The appliances were inserted immediately before gum chewing for 20 min and then retained for an additional 20 min. This was performed 4 times per day. Every subject chewed 4 different chewing gums over 4 periods of 14 days each. During a fifth period (control) the subjects only wore the appliances without chewing gum. At completion of each period the enamel slabs were embedded, sectioned and subjected to transversal microradiography. With regard to change of mineral loss and of lesion depth no significant differences could be found between chewing gums containing calcium and calcium-free chewing gums. Moreover, the chewing gum groups and the control group did not differ significantly if adjustments were made for baseline values (p > 0.05; ANCOVA). Under the conditions of the present study it may be concluded that the use of chewing gum offers no additional remineralizing benefit to buccal tooth surfaces, even if the chewing gum contains calcium compounds.

Activation of the epidermal growth factor receptor (EGFR) by a novel metalloprotease pathway

Neutrophil Elastase (NE) is a pro-inflammatory protease present at higher than normal levels in the lung during inflammatory disease. NE regulates IL-8 production from airway epithelial cells and can activate both EGFR and TLR4. TACE/ADAM17 has been reported to trans-activate EGFR in response to NE. Here, using 16HBE14o-human bronchial epithelial cells we demonstrate a new mechanism by which NE regulates both of these events. A high molecular weight soluble metalloprotease activity detectable only in supernatants from NE-treated cells by gelatin and casein zymography was confirmed to be meprin alpha by Western immunoblotting. In vitro studies demonstrated the ability of NE to activate meprin alpha, which in turn could release soluble TGFalpha and induce IL-8 production from 16HBE14o- cells. These effects were abrogated by actinonin, a specific meprin inhibitor. NE-induced IL-8 expression was also inhibited by meprin alpha siRNA. Immunoprecipitation studies detected EGFR/TLR4 complexes in NE-stimulated cells overexpressing these receptors. Confocal studies confirmed colocalization of EGFR and TLR4 in 16HBE14o- cells stimulated with meprin alpha. NFkappaB was also activated via MyD88 in these cells by meprin alpha. In bronchoalveolar lavage fluid from NE knock-out mice infected intra-tracheally with Pseudomonas aeruginosa meprin alpha was significantly decreased compared with control mice, and was significantly increased and correlated with NE activity, in bronchoalveolar lavage fluid from individuals with cystic fibrosis but not healthy controls. The data describe a previously unidentified lung metalloprotease meprin alpha, and its role in NE-induced EGFR and TLR4 activation and IL-8 production.

Optimization of ethanol production by yeasts from lignocellulosic feedstocks

Ethanol from lignocellulosic feedstocks is not currently competitive with corn-based ethanol in terms of yields and commercial feasibility. Through optimization of the pretreatment and fermentation steps this could change. The overall goal of this study was to evaluate, characterize, and optimize ethanol production from lignocellulosic feedstocks by the yeasts Saccharomyces cerevisiae (strain Ethanol Red, ER) and Pichia stipitis CBS 6054. Through a series of fermentations and growth studies, P. stipitis CBS 6054 and S. cerevisiae (ER) were evaluated on their ability to produce ethanol from both single substrate (xylose and glucose) and mixed substrate (five sugars present in hemicellulose) fermentations. The yeasts were also evaluated on their ability to produce ethanol from dilute acid pretreated hydrolysate and enzymatic hydrolysate. Hardwood (aspen), softwood (balsam), and herbaceous (switchgrass) hydrolysates were also tested to determine the effect of the source of the feedstock. P. stipitis produced ethanol from 66-98% of the theoretical yield throughout the fermentation studies completed over the course of this work. S. cerevisiae (ER) was determined to not be ideal for dilute acid pretreated lignocellulose because it was not able to utilize all the sugars found in hemicellulose. S. cerevisiae (ER) was instead used to optimize enzymatic pretreated lignocellulose that contained only glucose monomers. It was able to produce ethanol from enzymatically pretreated hydrolysate but the sugar level was so low (>3 g/L) that it would not be commercially feasible. Two lignocellulosic degradation products, furfural and acetic acid, were evaluated for whether or not they had an inhibitory effect on biomass production, substrate utilization, and ethanol production by P. stipitis and S. cerevisiae (ER). It was determined that inhibition is directly related to the concentration of the inhibitor and the organism. The final phase for this thesis focused on adapting P. stipitis CBS 6054 to toxic compounds present in dilute acid pretreated hydrolysate through directed evolution. Cultures were transferred to increasing concentrations of dilute acid pretreated hydrolysate in the fermentation media. The adapted strains’ fermentation capabilities were tested against the unadapted parent strain at each hydrolysate concentration. The fermentation capabilities of the adapted strain were significantly improved over the unadapted parentstrain. On media containing 60% hydrolysate the adapted strain yielded 0.30 g_ethanol/g_sugar ± 0.033 (g/g) and the unadapted parent strain yielded 0.11 g/g ±0.028. The culture has been successfully adapted to growth on media containing 65%, 70%, 75%, and 80% hydrolysate but with below optimal ethanol yields (0.14-0.19 g/g). Cell recycle could be a viable option for improving ethanol yields in these cases. A study was conducted to determine the optimal media for production of ethanol from xylose and mixed substrate fermentations by P. stipitis. Growth, substrate utilization, and ethanol production were the three factors used to evaluate the media. The three media tested were Yeast Peptone (YP), Yeast Nitrogen Base (YNB), and Corn Steep Liquor (CSL). The ethanol yields (g/g) for each medium are as follows: YP - 0.40-0.42, YNB -0.28-.030, and CSL - 0.44-.051. The results show that media containing CSL result in slightly higher ethanol yields then other fermentation media. P. stipitis was successfully adapted to dilute acid pretreated aspen hydrolysate in increasing concentrations in order to produce higher ethanol yields compared to the unadapted parent strain. S. cerevisiae (ER) produced ethanol from enzymatic pretreated cellulose containing low concentrations of glucose (1-3g/L). These results show that fermentations of lignocellulosic feedstocks can be optimized based on the substrate and organism for increased ethanol yields.

SFRP-4 abrogates Wnt-3a-induced beta-catenin and Akt/PKB signalling and reverses a Wnt-3a-imposed inhibition of in vitro mammary differentiation

ABSTRACT: BACKGROUND: Conserved Wnt ligands are critical for signalling during development; however, various factors modulate their activity. Among these factors are the Secreted Frizzled-Related Proteins (SFRP). We previously isolated the SFRP-4 gene from an involuting rat mammary gland and later showed that transgenic mice inappropriately expressing SFRP-4 during lactation exhibited a high level of apoptosis with reduced survival of progeny. RESULTS: In order to address the questions related to the mechanism of Wnt signalling and its inhibition by SFRP-4 which we report here, we employed partially-purified Wnt-3a in a co-culture model system. Ectopic expression of SFRP-4 was accomplished by infection with a pBabepuro construct. The co-cultures comprised Line 31E mouse mammary secretory epithelial cells and Line 30F, undifferentiated, fibroblast-like mouse mammary cells. In vitro differentiation of such co-cultures can be demonstrated by induction of the beta-casein gene in response to lactogenic hormones.We show here that treatment of cells with partially-purified Wnt-3a initiates Dvl-3, Akt/PKB and GSK-3beta hyperphosphorylation and beta-catenin activation. Furthermore, while up-regulating the cyclin D1 and connexin-43 genes and elevating transepithelial resistance of Line 31E cell monolayers, Wnt-3a treatment abrogates differentiation of co-cultures in response to the lactogenic hormones prolactin, insulin and glucocorticoid. Cells which express SFRP-4, however, are largely unaffected by Wnt-3a stimulation. Since a physical association between Wnt-3a and SFRP-4 could be demonstrated with immunoprecipitation/Western blotting experiments, this interaction, presumably owing to the Frizzled homology region typical of all SFRPs, explains the refractory response to Wnt-3a which was observed. CONCLUSION: This study demonstrates that Wnt-3a treatment activates the Wnt signalling pathway and interferes with in vitro differentiation of mammary co-cultures to beta-casein production in response to lactogenic hormones. Similarly, in another measure of differentiation, following Wnt-3a treatment mammary epithelial cells could be shown to up-regulate the cyclin D1 and connexin-43 genes while phenotypically they show increased transepithelial resistance across the cell monolayer. All these behavioural changes can be blocked in mammary epithelial cells expressing SFRP-4. Thus, our data illustrate in an in vitro model a mechanism by which SFRP-4 can modulate a differentiation response to Wnt-3a.

Ethanol Production from Hardboard Manufacturing Process Wastewater: Methods for Improving Product Yields from Hemicellulose Hydrolysates

Waste effluents from the forest products industry are sources of lignocellulosic biomass that can be converted to ethanol by yeast after pretreatment. However, the challenge of improving ethanol yields from a mixed pentose and hexose fermentation of a potentially inhibitory hydrolysate still remains. Hardboard manufacturing process wastewater (HPW) was evaluated at a potential feedstream for lignocellulosic ethanol production by native xylose-fermenting yeast. After screening of xylose-fermenting yeasts, Scheffersomyces stipitis CBS 6054 was selected as the ideal organism for conversion of the HPW hydrolysate material. The individual and synergistic effects of inhibitory compounds present in the hydrolysate were evaluated using response surface methodology. It was concluded that organic acids have an additive negative effect on fermentations. Fermentation conditions were also optimized in terms of aeration and pH. Methods for improving productivity and achieving higher ethanol yields were investigated. Adaptation to the conditions present in the hydrolysate through repeated cell sub-culturing was used. The objectives of this present study were to adapt S. stipitis CBS6054 to a dilute-acid pretreated lignocellulosic containing waste stream; compare the physiological, metabolic, and proteomic profiles of the adapted strain to its parent; quantify changes in protein expression/regulation, metabolite abundance, and enzyme activity; and determine the biochemical and molecular mechanism of adaptation. The adapted culture showed improvement in both substrate utilization and ethanol yields compared to the unadapted parent strain. The adapted strain also represented a growth phenotype compared to its unadapted parent based on its physiological and proteomic profiles. Several potential targets that could be responsible for strain improvement were identified. These targets could have implications for metabolic engineering of strains for improved ethanol production from lignocellulosic feedstocks. Although this work focuses specifically on the conversion of HPW to ethanol, the methods developed can be used for any feedstock/product systems that employ a microbial conversion step. The benefit of this research is that the organisms will the optimized for a company's specific system.

THE POTENTIAL OF INDUSTRIAL WASTE AND AGRICULTURAL FEEDSTOCK TOWARDS SUSTAINABLE BIOFUELS PRODUCTION: TECHNO-ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL IMPACT PERSPECTIVES

This Ph.D. research is comprised of three major components; (i) Characterization study to analyze the composition of defatted corn syrup (DCS) from a dry corn mill facility (ii) Hydrolysis experiments to optimize the production of fermentable sugars and amino acid platform using DCS and (iii) Sustainability analyses. Analyses of DCS included total solids, ash content, total protein, amino acids, inorganic elements, starch, total carbohydrates, lignin, organic acids, glycerol, and presence of functional groups. Total solids content was 37.4% (± 0.4%) by weight, and the mass balance closure was 101%. Total carbohydrates [27% (± 5%) wt.] comprised of starch (5.6%), soluble monomer carbohydrates (12%) and non-starch carbohydrates (10%). Hemicellulose components (structural and non-structural) were; xylan (6%), xylose (1%), mannan (1%), mannose (0.4%), arabinan (1%), arabinose (0.4%), galatactan (3%) and galactose (0.4%). Based on the measured physical and chemical components, bio-chemical conversion route and subsequent fermentation to value added products was identified as promising. DCS has potential to serve as an important fermentation feedstock for bio-based chemicals production. In the sugar hydrolysis experiments, reaction parameters such as acid concentration and retention time were analyzed to determine the optimal conditions to maximize monomer sugar yields while keeping the inhibitors at minimum. Total fermentable sugars produced can reach approximately 86% of theoretical yield when subjected to dilute acid pretreatment (DAP). DAP followed by subsequent enzymatic hydrolysis was most effective for 0 wt% acid hydrolysate samples and least efficient towards 1 and 2 wt% acid hydrolysate samples. The best hydrolysis scheme DCS from an industry's point of view is standalone 60 minutes dilute acid hydrolysis at 2 wt% acid concentration. The combined effect of hydrolysis reaction time, temperature and ratio of enzyme to substrate ratio to develop hydrolysis process that optimizes the production of amino acids in DCS were studied. Four key hydrolysis pathways were investigated for the production of amino acids using DCS. The first hydrolysis pathway is the amino acid analysis using DAP. The second pathway is DAP of DCS followed by protein hydrolysis using proteases [Trypsin, Pronase E (Streptomyces griseus) and Protex 6L]. The third hydrolysis pathway investigated a standalone experiment using proteases (Trypsin, Pronase E, Protex 6L, and Alcalase) on the DCS without any pretreatment. The final pathway investigated the use of Accellerase 1500® and Protex 6L to simultaneously produce fermentable sugars and amino acids over a 24 hour hydrolysis reaction time. The 3 key objectives of the techno-economic analysis component of this PhD research included; (i) Development of a process design for the production of both the sugar and amino acid platforms with DAP using DCS (ii) A preliminary cost analysis to estimate the initial capital cost and operating cost of this facility (iii) A greenhouse gas analysis to understand the environmental impact of this facility. Using Aspen Plus®, a conceptual process design has been constructed. Finally, both Aspen Plus Economic Analyzer® and Simapro® sofware were employed to conduct the cost analysis as well as the carbon footprint emissions of this process facility respectively. Another section of my PhD research work focused on the life cycle assessment (LCA) of commonly used dairy feeds in the U.S. Greenhouse gas (GHG) emissions analysis was conducted for cultivation, harvesting, and production of common dairy feeds used for the production of dairy milk in the U.S. The goal was to determine the carbon footprint [grams CO2 equivalents (gCO2e)/kg of dry feed] in the U.S. on a regional basis, identify key inputs, and make recommendations for emissions reduction. The final section of my Ph.D. research work was an LCA of a single dairy feed mill located in Michigan, USA. The primary goal was to conduct a preliminary assessment of dairy feed mill operations and ultimately determine the GHG emissions for 1 kilogram of milled dairy feed.