Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Pathogenèse de l’oedème cérébral dans l’encéphalopathie hépatique minimale : rôles du stress oxydatif et du lactate

L’encéphalopathie hépatique (EH) est un syndrome neuropsychiatrique découlant des complications de l'insuffisance hépatique. Les patients souffrant d'une insuffisance hépatique chronique (IHC) présentent fréquemment une EH minimale (EHM) caractérisée par des dysfonctions cognitives subtiles qui affectent leur qualité de vie. L'insuffisance hépatique entraîne une hyperammoniémie, le facteur central dans la pathogenèse de l'EH. Pourtant, les taux d'ammoniaque sérique ne sont pas corrélés avec la sévérité de l'EH lors d'une IHC, suggérant que d'autres facteurs y contribuent. L'oedème cérébral est une caractéristique neuropathologique décrite chez les patients souffrant d'une EHM et plusieurs facteurs dont le stress oxydatif, les altérations du métabolisme énergétique et l'augmentation de la glutamine cérébrale pourraient contribuer à la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. Les mécanismes sous-jacents exacts ainsi que les relations entre ces facteurs et l'ammoniaque ne sont pas connus. Présentement, le seul traitement efficace de l'IHC est la transplantation hépatique, une option thérapeutique très limitée. Le but de cette thèse est de contribuer à l'avancement des connaissances sur les mécanismes sous-jacents liés au rôle du stress oxydatif, de la glutamine et du lactate dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC afin d'envisager de nouvelles options thérapeutiques. Les objectifs précis étaient: 1. Établir le rôle de l’ammoniaque et sa relation avec le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC. 2. Établir le rôle du stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral, sa relation avec l'ammoniaque et l'effet du traitement avec des antioxydants. 3. Confirmer l'effet synergique entre l'ammoniaque et le stress oxydatif dans la pathogenèse de l'oedème cérébral. 4. Établir le rôle du lactate et de la glutamine dans la pathogenèse de l'oedème cérébral et leur relation avec l’ammoniaque. Pour atteindre ces objectifs, 2 modèles animaux d'EHM obtenus par microchirurgie chez le rat ont été utilisés: 1) la ligature de voie biliaire, un modèle d'IHC et 2) l'anastomose porto-cave, un modèle d'hyperammoniémie induite par la dérivation portosystémique. Nos résultats démontrent que l'ammoniaque et le stress oxydatif indépendamment n'induisent pas l'oedème cérébral lors d'une EHM. Pourtant, lorsque les 2 facteurs agissent ensemble ils présentent ii un effet synergique qui entraîne le développement de l'oedème cérébral, le stress oxydatif étant une première insulte, qui est suivie par l'hyperammoniémie comme deuxième insulte. En plus, le stress oxydatif a été mis en évidence seulement au niveau systémique, et non au niveau central dans notre modèle d'IHC en association avec l'oedème cérébral, suggérant que le stress oxydatif systémique est une conséquence de la dysfonction hépatique et que l'hyperammoniémie n’induit pas le stress oxydatif ni systémique ni central. Nous avons démontré qu’une augmentation du lactate cérébral est une conséquence directe de l'hyperammoniémie et joue un rôle important dans la pathogenèse de l'oedème cérébral lors d'une EHM induite par une IHC, tandis qu’une augmentation de la glutamine au niveau cérébral n'est pas un facteur clé. La compréhension de ces mécanismes a entraîné la proposition de 3 nouvelles stratégies thérapeutiques potentielles pour l'EHM. Elles ciblent la diminution de l'ammoniaque sérique, la réduction du stress oxydatif et l'inhibition de la synthèse du lactate.

Dynamique saisonnière des communautés nitrifiantes dans un petit lac oligotrophe

Depuis la découverte d’archées capables d’oxyder l’ammoniac en milieu aérobie, de nombreuses études ont mesuré en simultané les taux de nitrification et la diversité des organismes oxydant l’ammoniac dans la colonne d’eau des milieux marins. Malgré l’importance globale des lacs d’eau douce, beaucoup moins d’études ont fait la même chose dans ces milieux. Dans cette étude, nous avons évalué l’importance de la nitrification et caractérisé la communauté microbienne responsable de la première étape limitante de la nitrification dans un lac tempéré durant une année entière. L’utilisation de traceur isotopique 15NH4 nous a permis de mesurer des taux d’oxydation d’ammoniac à deux profondeurs dans la zone photique tout au long de l’année. Les taux d’oxydation d’ammoniac varient de non détectable à 333 nmol L-1 j-1 avec un pic d’activité sous la glace. De toutes les variables environnementales mesurées, la concentration d’ammonium dans la colonne d’eau semble avoir le plus grand contrôle sur les taux d’oxydation d’ammoniac. Nous avons détecté la présence d’archées (AOA) et de bactéries oxydante d’ammoniac (BOA) à l’aide de tests par réaction en chaîne de la polymérase (PCR) ciblant une partie du gène ammoniac monoxygénase (amoA). Les AOA et les BOA ont été détectées dans la zone photique du lac, cependant seules les AOA étaient omniprésentes durant l’année. Le séquençage du gène amoA des archées révèle que la majorité des AOA dans le lac sont membres du groupe phylogénétique Nitrosotalea (également appelé SAGMGC-1 ou groupe I.1a associé), ce qui confirme la pertinence écologique de ce groupe dans les eaux douces oligotrophes. Globalement, nos résultats indiquent l’hiver comme étant un moment propice pour l’oxydation de l’ammoniac dans les lacs tempérés. Cette étude fournit un point de référence pour la compréhension du processus d’oxydation de l’ammoniac dans les petits lacs oligotrophes.

Impact de l'hypotension chez le rat avec encéphalopathie hépatique due à la maladie de foie chronique : implication pour les complications neurologiques suivant la transplantation hépatique

L’encéphalopathie hépatique (EH) est une complication neuropsychiatrique de la maladie de foie telle que la cirrhose, caractérisée par des dysfonctions cognitives et motrices. Le seul traitement curatif est la transplantation hépatique (TH). Historiquement, l’EH est considérée comme un désordre métabolique réversible et il est attendu qu’il soit résolu suivant la TH. Cependant, il a été démontré que des complications neurologiques persistent chez 47% des patients transplantés. La TH est une opération chirurgicale complexe accompagnée de stress péri-opératoire telle que la perte sanguine et l’hypotension. L’hypothèse de ce projet d’étude est que l’EH minimale (EHm) rend le cerveau plus susceptible à une perte neuronale suite à une insulte hypotensive. Nous avons donc caractérisé un modèle d’hypotension chez des rats cirrhotiques avec ligation de la voie biliaire (BDL) dans lequel une hypovolémie de l’artère fémorale a été faite. Avec ce modèle, nous avons étudié l’impact de différentes pressions sanguines de 120 minutes sur le compte neuronal. Nos résultats démontrent que les BDL hypotendus à une pression artérielle moyenne de 60 mmHg et 30 mmHg ont une diminution du compte neuronal et que les neurones mourraient par apoptose (observée par la présence de caspase-3 clivée). Nous avons également déterminé que le flot sanguin cérébral était altéré chez les rats cirrhotiques BDL. Le second objectif était d’évaluer si le traitement de l’EHm par l’ornithine phénylacétate (OP) permettait d’éviter la perte neuronale chez les BDL hypotendus. Nos résultats ont démontrés que l’OP permettait de partiellement rétablir les fonctions cognitives chez les rats BDL. De plus, les rats BDL traités avec l’OP peuvent éviter la mort neuronale. Cependant, le processus apoptotique est toujours enclenché. Ce résultat suggère la possibilité de mort cellulaire retardée par l’OP. Ces résultats suggèrent que les patients cirrhotiques avec EHm sont plus susceptibles à une mort neuronale induite par hypotension. La combinaison de l’EHm et l’hypotension permet d’expliquer les complications neurologiques rencontrées chez certains patients. Le diagnostic et le traitement de ce syndrome doit donc être fait chez les patients cirrhotiques pour éviter ces complications post-TH.

Studies on Catalysis by Vanadia Supported On Metal Oxides

Catalysis is an essential technology in manufacturing industries. The investigation based on supported vanadia catalysts and it’s sulfated analogues. Vanadia is a transition metal oxide and is used in oxidation reactions in chemical industry. It is more active and selective catalysts on suitable supports. The work deals with preparation of vanadia incorporated tin oxide and zirconia systems by wet impregnation. Physico-chemical characterization using instrumental techniques like BET etc. The surface acidic properties were determined by the ammonia TPD studies, Perylene absorption studies and Cumene conversion reaction. The catalytic activities of the prepared systems are tested by Friedel-Crafts benzylation of arenes and Bechmann rearrangement of Cyclohexanol oxime. Here the rector reactions are relatively rare. So to test the application of the catalyst systems for the selective oxidation of cyclohexanol to cyclohexanone and finally evaluate the catalytic activity of the systems for the vapour phase oxidative dehydrogenation of Ethylbenzene, which leads to the formation of Industrially important compound ‘styrene’ is another objective of this work

Chemical Oceanographic Studies of the Coastal Waters of Cochin

The present study is an attempt to understand some of the chemical oceanographic processes of the coastal water and the backwaters of Cochin. The importance of this study lies in the fact that there has been an increasing concern on the environmental degradation of Cochin backwaters with respect to water and sediments due to various anthropogenic activities. The study comprises the results and discussion of the hydro chemical parameters of coastal waters of Cochin during different seasons with statistical analysis. The parameters dealt with are salinity, temperature, pH, dissolved oxygen, nitrite-N, nitrate-N, ammonia-N, Silicate-Si, phosphate-P, chlorophyll ‘a’ and suspended solids, dissolved trace metals and sediment characteristics including sediment metals

Intervariability of Phosphorus Speciation in Selected Mangrove Ecosystems Around the Greater Cochin

Mangrove forests are best developed on tropical shorelines where there is an extensive intertidal zone, with an abundant supply of fine-grained sediment. It receives a mixture of liable and refractory organic and inorganic phosphorus compounds from the overlying water and the surrounding landmasses. Organic phosphorus is not available for mangrove plant nutrition. While inorganic phosphate represents the largest potential pool of plant-available and which are bound in the form of Ca, Fe and Al phosphate. It deals with the scientific investigations on mangrove systems in the Kerala coastline and to investigate nutrient distribution of mangrove ecosystems of greater Cochin area. It discusses the description of study areas such as Murikkumpadam-Vypeen Island and Aroor. Then it deals with the spatial and seasonal distribution of dissolved ammonia, nitrite, nitrate, inorganic phosphate, organic phosphate and the total phosphorus in surface waters of mangrove fringed creeks. Then it discusses the geochemical compositions of mangrove-fringed sediments and also the chemical speciation of phosphorus in sediment cores.

Development of Bioreactors for Nitrifying Water In Closed System Hatcheries Of Penaeid And Non-Penaeid Prawns

In the present study the development of bioreactors for nitrifying water in closed system hatcheries of penaeid and non-penaeid prawns. This work is an attempt in this direction to cater to the needs of aquaculture industry for treatment and remediation of ammonia and nitrate in penaeid and non-penaeid hatcheries, by developing nitrifying bacteria allochthonous to the particular environment under consideration, and immobilizing them on an appropriately designed support materials configured as reactors. Ammonia toxicity is the major limiting factors in penaeid and non-penaeid hatchery systems causing lethal and sublethal effects on larvae depending on the pH values. Pressing need of the aquaculture industry to have a user friendly and economically viable technology for the removal of ammonia, which can be easily integrated to the existing hatchery designs without any major changes or modifications. Only option available now is to have biological filters through which water can be circulated for the oxidation of ammonia to nitrate through nitrite by a group of chemolithotrophs known as nitrifying bacteria. Two types of bioreactors have been designed and developed. The first category named as in situ stringed bed suspended bioreactor(SBSBR) was designed for use in the larval rearing tanks to remove ammonia and nitrite during larval rearing on a continuous basis, and the other to be used for nitrifying freshly collected seawater and spent water named as ex situ packed bed bioreactior(PBBR). On employing the two reactors together , both penaeid and non-penaeid larval rearing systems can be made a closed recirculating system at least for a season. A survey of literature revealed that the in situ stringed bed suspended reactor developed here is unique in its design, fabrication and mode of application.

STUDIES ON HAEMOLYMPH CONSTITUENTS OF PILA VIRENS (LAMARCK) AND THE EFFECTS OF PESTICIDES ON THE ACTIVITY PATTERN OF SELECTED ENZYMES

The present study is an attempt to understand the physiological responses of a freshwater gastropod, in terms of haematological parameters, in normal conditions as well as in various natural and man made altered conditions of the environment.Pila virens, a freshwater prosobranch,commonly found in paddy fields, ponds, and streams of Kerala is selected as the test animal for the present investigation. Various haemolymph constituents such as total carbohydrate, glycogen, total protein, total lipid, urea,ammonia,sodium,potasium, calcium, and chloride which are directly involved in the control and maintenance of different physiological systems, were analysed in the present study. Selected haematological parameters like total haemocyte number, and packed cell volume were also determined. Besides , the activity pattern of selected haemolymph enzymes such as acid phosphatase (ACP), alkaline phosphatase (ALP),Glutamate-oxaloacetate transaminase (GOT), and glutamate-pyruvate transaminase (GPT), all having diagnostic value in terms of internal defence system and metabolism of the organism, were also studied.

Studies on the Survival of Sunetta Scripta in Different Salinities

Division of Marine Biology, Microbiology and Biochemistry, School of Marine Sciences, Cochin University of Science and Technology

Metabolic Efficiency of Penaeus Indicus H.Milne Edwards Under Different Salinity Stress Conditions

The investigation was aimed at establishing the effect of salinity on the culture performance of Peneus Indicus in pokkali fields and also to find out the growth performance of the shrimp at varying salinities. The experiments were laid out at Rice Research Station, Vyttila of Kerala Agriculture University in three fields of area 1000 m2 each. The results of the experiment clearly establish that shrimps when stocked at higher salinity (20-25 ppt) for 45 days has given higher growth, survival and production than those stocked at lower salinity (10-15 ppt) in all the above parameters even when the culture experiment was maintained for longer periods in lower salinity. In the prolonged culture experiments conducted for 120 days in 10-25 ppt salinity, the results were poorer than the short period culture in higher salinity and the production values similar to lower saline culture. This clearly establishes the importance of salinity as an ecological factor which will have profound influence in shrimp farming operations.

Effect of vanadia on physico-chemical and catalytic characteristics of dysprosia

Physico-chemical characterization of DY203/V2O5 systems prepared through wet impregnation method has been carried out using various techniques like EDX, XRD, FTIR. thermal studies, BET surface area, pore volume and pore size distribution analysis. The amount of vanadia incorporated has been found to influence the surface properties of dysprosia. The spectroscopic results combining with X-ray analysis reveal that vanadia species exist predominantly as isolated amorphous vanadyl units along with crystalline dysprosium orthovanadate. Basicity studies have been conducted by adsorption of electron acceptors and acidity and acid strength distribution by temperature programmed desorption of ammonia. Cyclohexanol decomposition has been employed as a chemical probe reaction to examine the effect of vanadia on the acid base property of Dy2O3. Incorporation of vanadia titrates thc Lewis acid and base sites of Dy2O3, while an enhancement of Bronsted acid sites has been noticed. Data have been correlated with the catalytic activity of these oxides towards the vapour phase methylation of phenol

Surface acidity and catalytic activity of mixed Fe-Al and Cr-Al pillared montmorillonites

The incorporation of transition metal oxide pillars such as those of iron and chromium along with Al2O3, pillars within the interlayers of a montmorillonite clay is investigated. The surface acidity of these catalysts has been evaluated for the first time employing the equilibrium adsorption of an electron donor, perylene, and the results are compared with those obtained by temperature programmed desorption of ammonia. The principle is based on the ability of a catalyst surface site to accept a single electron from an electron donor like perylene to form charge transfer complexes and the amount of adsorbed species is measured quantitatively by UV-vis spectroscopy. Fina1ly, an attempt has been made to correlate the acidity determined by the two independcnt methods and the catalytic activity of present systems in the benzoylation of toluene with benzoyl chloride. Incorporation of Fe and Cr has changed the properties of AI pitlared montmorillonite. Fe pillared systems have been found to be vcry good catalysts for benzoylation reaction

Synthesis, characterisation and benzylation activity of vanadia impregnated iron pillared montmorillonite

Iron pillared Montmorillonite has been synthesised and it is then wet impregnated with vanadia with different vanadia composition. These catalysts are characterised using conventional techniques such as XRD analysis,FTIR analysis and surface area and pore volume measurements. Acidity is measured using spectrophotometric monitoring of adsorption of perylene, thermogravimetric desorption of 2.6 dimethylpyridine and temperature programmed desorption of ammonia. Activity studies are done in the liquid phase. It has been concluded that Lewis acidic sites are responsible for the benzylation of toluene when the benzylating agent is benzyl chloride while Bronsted acidic sites are responsible when the reagent is benzyl alcohol.

Liquid phase benzylation of o-xylene over pillared clays

Iron, aluminium and mixed iron aluminium pillared clays have been prepared by partial hydrolysis method and doped with IO% Mo, V and Cr. The samples have been characterised by XRD, FTIR and surface area and pore Volume measurements. The surface acid site distribution has been determined by temperature programmed desorption of ammonia. Vanadia incorporated systems show maximum acidity. Benzylation of o-xylene has been done as probe reaction to test catalytic activity. Benzyl chloride is a superior benzylating agent compared to benzyl alcohol in activity and selectivity. Cent percent selectivity towards monobenzylated product is obtained in all the cases. Fe pillared systems exhibit maximum activity. The catalytic activities of the systems can be correlated with the amount of strong add sites. The effects of various reaction variables on the reaction have been studied. Presence of moisture has a diminishing effect on the reaction rate.