Molecular patterns behind immunological and metabolic alterations in lysinuric protein intolerance

Lysinuric protein intolerance (LPI) is a recessively inherited disorder characterised by reduced plasma and increased urinary levels of cationic amino acids (CAAs), protein malnutrition, growth failure and hyperlipidemia. Some patients develop severe immunological, renal and pulmonary complications. All Finnish patients share the same LPIFin mutation in the SLC7A7 gene that encodes CAA transporter y+LAT1. The aim of this study was to examine molecular factors contributing to the various symptoms, systemic metabolic and lipid profiles, and innate immune responses in LPI. The transcriptomes, metabolomes and lipidomes were analysed in whole-blood cells and plasma using RNA microarrays and gas or liquid chromatography-mass spectrometry techniques, respectively. Toll-like receptor (TLR) signalling in monocyte-derived macrophages exposed to pathogens was scrutinised using qRT-PCR and the Luminex technology. Altered levels of transcripts participating in amino acid transport, immune responses, apoptosis and pathways of hepatic and renal metabolism were identified in the LPI whole-blood cells. The patients had increased non-essential amino acid, triacylglycerol and fatty acid levels, and decreased plasma levels of phosphatidylcholines and practically all essential amino acids. In addition, elevated plasma levels of eight metabolites, long-chain triacylglycerols, two chemoattractant chemokines and nitric oxide correlated with the reduced glomerular function in the patients with kidney disease. Accordingly, it can be hypothesised that the patients have increased autophagy, inflammation, oxidative stress and apoptosis, leading to hepatic steatosis, uremic toxicity and altered intestinal microbe metabolism. Furthermore, the LPI macrophages showed disruption in the TLR2/1, TLR4 and TLR9 pathways, suggesting innate immune dysfunctions with an excessive response to bacterial infections but a deficient viral DNA response.

Gut Microbiota and Metabolic Disorders

Obesity and its co-morbidities, such as metabolic syndrome (MetS), non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and type 2 diabetes, have increased over the last few decades like an epidemic. So far the mechanisms of many metabolic diseases are not known in detail and currently there are not enough effective means to prevent and treat them. Several recent studies have shown that the unbalanced gut microbiota composition (GMC) and activity have an influence on the fat accumulation in the body. Further, it seems that the GMC of obese individuals differs from the lean. The aim of this study was to investigate whether there are differences between the GMC of metabolically impaired overweight/obese (MetS group), metabolically healthy overweight/obese and normal-weight individuals. In addition, the mechanisms by which the gut bacteria as well as their specific structures, such as flagellin (FLG) that stimulates the Toll-like receptor 5 (TLR5) affect metabolism, were investigated both in vivo and in vitro in human adipocytes and hepatocytes. The results of this study show that the abundance of certain gram-positive bacteria belonging to the Clostridial cluster XIV was higher in the MetS group subjects compared to their metabolically healthy overweight/obese and lean counterparts. Metabolically impaired subjects tended to also have a greater abundance of potentionally inflammatory Enterobacteria in their gut and thus seemed to have aberrant GMC. In addition, it was found that subjects with a high hepatic fat content (HHFC group) had less Faecalibacterium prausnitzii in their gut than individuals with low hepatic fat content. Further gene expression analysis revealed that the HHFC group also had increased inflammation cascades in their adipose tissue. Additionally, metabolically impaired individuals displayed an increased expression of FLG-recognizing TLR5 in adipose tissue, and the TLR5 expression levels associated positively both with liver fat content and insulin resistance in humans. These changes in the adipose tissue may further contribute to the impaired metabolism observed, such as insulin resistance and dyslipidemia. In vitro -studies showed that the FLG-induced TLR5 activation in adipocytes enhanced the hepatic fat accumulation by decreasing insulin signaling and mitochondrial functions and increasing triglyceride synthesis due to increased glycerol secretion from adipocytes. In conclusion, the findings of this study suggest that it may be possible that the novel prevention and personalized treatment strategies based on GM modulation will succesfully be developed for obesity and metabolic disorders in the future.

Metabolic, biochemical and molecular profiling of Catharanthus roseus flower cultivars and transformed hairy roots for monoterpenoid indole alkaloid accumulation /

Catharanthlls rosellS (L.) G Don is a commercially significant flower species and in addition is the only source of the monoterpenoid indole alkaloids (MIA) vinblastine and vincristine, which are key pharmaceutical compounds that are used to combat a number of different cancers. Therefore, procurement of the antineoplastic agents is difficult but essential procedure. Alternatively, CatharanthllS tissue cultures have been investigated as a source of these agents; however they do not produce vindoline, which is an obligate precursor to vinblastine and vincristine. The interest in developing high MIA cultivars of Catharantlws rosellS has prompted metabolic profiling studies to determine the variability of MIA accumulation of existing flowering cultivars, with particular focus on the vindoline component ofthe pathway. Metabolic profiling studies that used high performance liquid chromatography of MIAs from seedlings and young leaf extracts from 50 different flowering cultivars showed that, except for a single low vindoline cultivar (Vinca Mediterranean DP Orchid), they all accumulate similar levels of MIAs. Further enzymatic studies with extracts from young leaves and from developing seedlings showed that the low vindoline cultivar has a IO-fold lower tabersonine-16-hydroxylase activity than those of CatharanthllS rosellS cv Little Delicata. Additionally, studies aimed at metabolic engineering ofvindoline bios}l1thesis in Catharanthus rosellS hairy root cultures have been performed by expressing the last step in vindoline biosynthesis [Dcacetylvindoline-4-0- acetyltransferase (DAT)]. Enzymatic profiling studies with transformed hairy roots have confirmed that over-expressing DAT leads to lines with high levels of O-acetyltransferase activity when compared to non-expressing hairy roots. One particular DA T over111 expressing hairy root culture (line 7) contained 200 times the OAT activity than leaves of control lines. Additional MIA analyses revealed that DAT over-expressing hairy roots have an altered alkaloid profile with significant variation in the accumulation of h6rhammericine. Further analysis of transformed hairy root line 7 suggests a correlation between the expression of OAT activity and h6rhammericine accumulation with root maturation. These studies show that metabolic and selective enzymatic profiling can enhance our ability to search for relevant MIA pathway mutants and that genetic engineering with appropriate pathway genes shows promise as a tool to modify the MIA profile of Catharanthus roseus.

An investigation into the oxidation of organic sulphides, organic selenides and simple hydrocarbons by Mortierella isabellina NRRL 1757

The work presented in this thesis is divided into three separate sections 4!> Each' 'section is involved wi th a different problem, however all three are involved with a microbial oxidation of a substrate~ A series of 'aryl substituted phenyl a.nd be,nzyl methyl sulphides were oxidized to the corre~pondi~g sulphoxides by 'Mo:rtierellai's'a'b'e'llina NRR.L17'S7 @ For this enzymic Qxidation, based on 180 labeled experiments, the oxygen atom is derived fr'orn the atmosphere and not from water. By way of an u~.traviolet analysis, the rates of oxidation, in terms of sulphox~ de appearance, were obtained and correlated with the Hatnmett p s~grna constants for the phenyl methyl sulphide series. A value of -0.67 was obtained and, is interpreted in terms of a mechanism of oxidation that involves an electrophilic attack on the sulphide sulphur by an enzymic ironoxygen activated complex and the conversion of the resulti!lg sulphur cation to sulphoxide. A series of alkyl phenyl selen~des have been incubated with the fu~gi, Aspergillus niger ATCC9l42, Aspergillus fO'etidus NRRL 337, MIIJisabellina NF.RLl757 and'He'lminth'osparium sp'ecies NRRL 4671 @l These fu?gi have been reported to be capable of carrying out the efficient oxidation of sulphide to sulphoxide, but in no case was there any evidence to supp'ort the occurrence of a microbialox,idation. A more extensive inves·t~gation was carried out with'M,e 'i's'a'b'e'l'l'i'na, this fu~gus was capable of oxidizing the correspondi~g sulphides to sulphoxi.de·s·$ Usi:ng a 1abel.edsubstra.te, [Methyl-l4c]-methyl phenyl selenide, the fate of this compound was invest~gated followi!lg an i'ncubation wi th Me isabellina .. BeSUldes th. e l4C-ana1YS1Q S-,'. a quant"ltta"lve selen'lum ana1Y"S1S was carried out with phenyl methyl selenide. These techniques indicate that thesel'enium was capable of enteri!1g thefu!1gal cell ef'ficiently but that s'ome metabolic cleav~ge of the seleni'um-carbon bond' may take plac'e Ie The l3c NMR shifts were assigned to the synthesized alkyl phenyl sulphides and selenides@ The final section involved the incubation ofethylben~ zene and p-e:rtr.hyltoluene wi th'M ~ 'isab'e'llina NRRL 17574b Followi~ g this incubation an hydroxylated product was isolated from the medium. The lH NMR and mass spectral data identify the products as I-phenylethanol and p-methyl-l-phenylethanol. Employi!lg a ch'iral shift re~gent,tri~ (3-heptafluorobutyl-dcamphorato)'- europium III, the enantiomeric puri ty of these products was invest~gated. An optical rotation measurement of I-phenylethanol was in ~greement with the results obtained with the chiral shift re~gen,te 'M.isabe'l'lina is capable of carryi~g out an hydroxylation of ethylbenzene and p-ethyltoluene at the ~ position.

Studies on oxamyl : analytical method development and investigation of fate in peach seedlings and corn seeds

A high performance liquid chromatographic method employing two columns connected in series and separated~y·a.switching valve has been developed for the analysis of the insecticide/ nematicide oxamyl (methyl-N' ,N'-dimethyl-N-[(methylcarbamoyl) oxy]-l-thiooxarnimidate) and two of its metabolites. A variation of this method involving two reverse phase columns was employed to monitor the persistence and translocation of oxamyl in treated peach seedlings. It was possible to simultaneously analyse for oxamyl and its corresponding oxime (methyl-N',N'-dimethyl-N-hydroxy-l-thiooxamimidate}, a major metabolite of oxamyl in plants, without prior cleanup of the samples. The method allowed detection of 0.058 pg oxamyl and 0.035 p.g oxime. On treated peach leaves oxamyl was found to dissipate rapidly during the first two-week period, followed by a period of slow decomposition. Movement of oxamyl or its oxime did not occur in detectable quantities to untreated leaves or to the root or soil. A second variation of the method which employed a size exclusion column as·the first column and a reverse phase column as the second was used to monitor the degradation of oxamyl in treated, planted corn seeds and was suitable for simultaneous analysis of oxamyl, its oxime and dimethylcyanoformamide (DMCF), a metabolite of oxamyl. The method allowed detection of 0.02 pg oxamyl, 0.02 p.g oxime and 0.005 pg DMCF. Oxamyl was found to persist for a period of 5 - 6 weeks, which is long enough to permit oxamyl seedtreatment to be considered as a potential means of protecting young corn plants from nematode attack. Decomposition was found to be more rapid in unsterilized soil than in sterililized soil. DMCF was found to have a nematostatic effect at high concentrations ( 2,OOOpprn), but at lower concentrations no effect on nematode mobility was observed. Oxamyl, on the other hand, was found to reduce the mobility of nematodes at concentrations down to 4 ppm.

"Man of science, man of faith" : Lost, consumer agency and the fate/free will binary in the post-9/11 context

In 2004, Lost debuted on ABC and quickly became a cultural phenomenon. Its postmodem take on the classic Robinson Crusoe desert island scenario gestures to a variety of different issues circulating within the post-9II1 cultural consciousness, such as terrorism, leadership, anxieties involving air travel, torture, and globalization. Lost's complex interwoven flashback and flash-forward narrative structure encourages spectators to creatively hypothesize solutions to the central mysteries of the narrative, while also thematically addressing archetypal questions of freedom of choice versus fate. Through an examination of the narrative structure, the significance of technological shifts in television, and fan cultures in Lost, this thesis discusses the tenuous notion of consumer agency within the current cultural context. Furthermore, I also explore these issues in relation to the wider historical post-9/II context.

INFLUENCE OF INCREASED EXTRACELLULAR LEUCINE ON THE PROTEIN METABOLIC RESPONSES DURING OSMOTIC STRESS IN SKELETAL MUSCLE

The purpose of this study was to examine the effects of increased extracellular leucine concentration on protein metabolism in skeletal muscle cells when exposed to 3 different osmotic stresses. L6 skeletal muscle cells were incubated in either a normal or supplemental leucine (1.5mM) medium set to hypo-osmotic (230 ± 10 Osm), iso-osmotic (330 ± 10 Osm) or hyper-osmotic (440 ± 10 Osm) conditions. 3H-tyrosine was used to quantify protein synthesis. Western blotting analysis was performed to determine the activation of mTOR, p70S6k, ubiquitin, actin, and μ-calpain. Hypo-osmotic stress resulted in the greatest increase in protein synthesis rate under the normal-leucine condition while iso-osmotic stress has the greatest increase under the elevated-leucine condition. Elevated-leucine condition had a decreased rate in protein degradation over the normal condition within the ubiquitin proteasome pathway (p<0.05). Leucine and hypo-osmotic stress therefore creates a favourable environment for anabolic events to occur.

Association between diet quality and metabolic syndrome in overweight and obese postmenopausal women

Résumé Objectifs : Le syndrome métabolique (MetS) est un ensemble de composantes (obésité, résistance à l'insuline, intolérance au glucose, dyslipidémie, hypertension) qui sont associées à une augmentation du risque de diabète de type 2 et de maladies cardiovasculaires. Aux États-Unis, la fréquence du MetS atteint des proportions épidémiques avec une prévalence de 25% de la population. Les études nutritionnelles traditionnelles se sont concentrées sur l’effet d’un nutriment alors que les études plus récentes ont déterminé l’effet global de la qualité alimentaire sur les facteurs de risque. Cependant, peu d'études ont examiné la relation entre la qualité alimentaire et le MetS. Objectif: Déterminer l'association entre la qualité alimentaire et le MetS et ses composantes. Méthodes: La présence du MetS a été déterminée chez 88 femmes post-ménopausées en surpoids ou obèses, selon la définition du National Cholesterol Education Program Adult treatment Panel III alors que la qualité alimentaire a été évaluée selon le Healthy Eating Index (HEI). La sensibilité à l’insuline, la composition corporelle et le métabolisme énergétique ont été mesurés. Résultats: Le HEI corrélait négativement avec la plupart des mesures de masse grasse et du poids mais pas avec la sensibilité à l'insuline, l’hypertension et la plupart des marqueurs lipidiques. Cependant, l’HEI corrélait positivement avec LDL-C/ApoB et négativement avec le métabolisme énergétique. Conclusion: Les résultats démontrent que l’HEI est associé avec les mesures de gras corporel et la grosseur des LDL. Mots clés: Obésité, qualité alimentaire, métabolisme lipidique, syndrome métabolique.

Metabolic requirements of boxing exercises

Face aux données conflictuelles de la littérature sur le VO2 requis d’exercices de boxe (sparring, palettes de frappe et sac de frappe), surtout pour le “vrai” sparring avec coups de poings au visage, une nouvelle méthode basée sur une mesure de VO2 “post-exercice” fut développée, validée (Annexe 1) et utilisée pour ré-évaluer le coût énergétique de ces exercices de boxe. Neufs boxeurs mâles expérimentés, de 22.0±3.5 ans et 71.4±10.9 kg avec un VO2pic de 62.2±4.1 ml·kg-1·min-1 (moyenne ± écart type) furent mesurés lors 1) d’un test progressif maximal sur tapis roulant en laboratoire 2) d’un entrainement standardisé de boxe en gymnase et 3) d’exercices de boxe standardisés en laboratoire. Des VO2 requis de 43.4±5.9, 41.1±5.1, 24.7±6.1, 30.4±5.8 et 38.3±6.5 ml·kg-1·min-1, respectivement obtenues pour le sparring, les palettes de frappe et le sac de frappe à 60, 120 et 180 coup·min-1, situe l’intensité de ces exercices autour de ~70 %VO2pic.

Microstructural and metabolic changes in the brains of concussed athletes

Les commotions cérébrales ont longtemps été considérées comme une blessure ne comportant que peu ou pas de conséquences. Cependant, la mise à la retraite forcée de plusieurs athlètes de haut niveau, liée au fait d'avoir subi des commotions cérébrales multiples, a porté cette question au premier plan de la culture scientifique et sportive. Malgré la sensibilisation croissante du public et la compréhension scientifique accrue des commotions cérébrales, il reste encore beaucoup d’inconnus au sujet de ces blessures. En effet, il est difficile de comprendre comment cette atteinte peut avoir des effets si profonds malgré le fait qu’elle n’entraîne apparemment pas de conséquences physiques apparentes lorsque les techniques traditionnelles d’imagerie cérébrale sont utilisées. Les techniques de neuroimagerie fonctionnelle ont cependant contribué à répondre aux nombreuses questions entourant les conséquences des commotions cérébrales ainsi qu'à accroître la compréhension générale de la physiopathologie de commotions cérébrales. Bien que les techniques de base telles que l'imagerie structurelle comme les scans TC et IRM soient incapables de détecter des changements structurels dans la grande majorité des cas (Ellemberg, Henry, Macciocchi, Guskiewicz, & Broglio, 2009; Johnston, Ptito, Chankowsky, & Chen, 2001), d'autres techniques plus précises et plus sensibles ont été en mesure de détecter avec succès des changements dans le cerveau commotionné. Des études d’IRM fonctionelle ont entre autres établi une solide relation entre les altérations fonctionnelles et les symptômes post-commotionels (Chen, Johnston, Collie, McCrory, & Ptito, 2007; Chen et al., 2004; Chen, Johnston, Petrides, & Ptito, 2008; Fazio, Lovell, Pardini, & Collins, 2007). Les mesures électrophysiologiques telles que les potentiels évoqués cognitifs (ERP) (Gaetz, Goodman, & Weinberg, 2000; Gaetz & Weinberg, 2000; Theriault, De Beaumont, Gosselin, Filipinni, & Lassonde, 2009; Theriault, De Beaumont, Tremblay, Lassonde, & Jolicoeur, 2010) et la stimulation magnétique transcrânienne ou SMT (De Beaumont, Brisson, Lassonde, & Jolicoeur, 2007; De Beaumont, Lassonde, Leclerc, & Theoret, 2007; De Beaumont et al., 2009) ont systématiquement démontré des altérations fonctionnelles chez les athlètes commotionnés. Cependant, très peu de recherches ont tenté d'explorer davantage certaines conséquences spécifiques des commotions cérébrales, entre autres sur les plans structural et métabolique. La première étude de cette thèse a évalué les changements structurels chez les athlètes commotionnés à l’aide de l'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) qui mesure la diffusion de l'eau dans la matière blanche, permettant ainsi de visualiser des altérations des fibres nerveuses. Nous avons comparé les athlètes commotionnés à des athlètes de contrôle non-commotionnés quelques jours après la commotion et de nouveau six mois plus tard. Nos résultats indiquent un patron constant de diffusion accrue le long des voies cortico-spinales et dans la partie du corps calleux reliant les régions motrices. De plus, ces changements étaient encore présents six mois après la commotion, ce qui suggère que les effets de la commotion cérébrale persistent bien après la phase aiguë. Les deuxième et troisième études ont employé la spectroscopie par résonance magnétique afin d'étudier les changements neurométaboliques qui se produisent dans le cerveau commotionné. La première de ces études a évalué les changements neurométaboliques, les aspects neuropsychologiques, et la symptomatologie dans la phase aiguë post-commotion. Bien que les tests neuropsychologiques aient été incapables de démontrer des différences entre les athlètes commotionnés et non-commotionnés, des altérations neurométaboliques ont été notées dans le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que dans le cortex moteur primaire, lesquelles se sont avérées corréler avec les symptômes rapportés. La deuxième de ces études a comparé les changements neurométaboliques immédiatement après une commotion cérébrale et de nouveau six mois après l’atteinte. Les résultats ont démontré des altérations dans le cortex préfrontal dorsolatéral et moteur primaire dans la phase aiguë post-traumatique, mais seules les altérations du cortex moteur primaire ont persisté six mois après la commotion. Ces résultats indiquent que les commotions cérébrales peuvent affecter les propriétés physiques du cerveau, spécialement au niveau moteur. Il importe donc de mener davantage de recherches afin de mieux caractériser les effets moteurs des commotions cérébrales sur le plan fonctionnel.

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.

Anaerobic Digestibility of Microalgae : Fate and Limitations of Long Chain Fatty Acids in the Biodegradation of Lipids

La digestion anaérobie est un processus biologique dans lequel un consortium microbien complexe fonctionnant en absence d’oxygène transforme la matière organique en biogaz, principalement en méthane et en dioxyde de carbone. Parmi les substrats organiques, les lipides sont les plus productifs de méthane par rapport aux glucides et aux protéines; mais leur dégradation est très difficile, en raison de leur hydrolyse qui peut être l’étape limitante. Les algues peuvent être une source importante pour la production de méthane à cause de leur contenu en lipides potentiellement élevé. L’objectif de cette étude était, par conséquent, d’évaluer la production en méthane des microalgues en utilisant la technique du BMP (Biochemical méthane Potential) et d’identifier les limites de biodégradion des lipides dans la digestion anaérobie. Le plan expérimental a été divisé en plusieurs étapes: 1) Comparer le potentiel énergétique en méthane des macroalgues par rapport aux microalgues. 2) Faire le criblage de différentes espèces de microalgues d’eau douce et marines afin de comparer leur potentiel en méthane. 3) Déterminer l'impact des prétraitements sur la production de méthane de quelques microalgues ciblées. 4) Identifier les limites de biodégradation des lipides algaux dans la digestion anaérobie, en étudiant les étapes limitantes de la cinétique des lipides et de chacun des acides gras à longues chaines. Les résultats ont montré que les microalgues produisent plus de méthane que les macroalgues. Les BMP des microalgues d'eau douce et marines n'ont montré aucune différence en termes de rendement en méthane. Les résultats des prétraitements ont montré que le prétraitement thermique (microonde) semblait être plus efficace que le prétraitement chimique (alcalin). Les tests de contrôle du BMP faits sur l'huile de palme, l’huile de macadamia et l'huile de poisson ont montré que l'hydrolyse des huiles en glycérol et en acides gras à longues chaines n'était pas l'étape limitante dans la production de méthane. L'ajout de gras dans les échantillons de Phaeodactylum dégraissée a augmenté le rendement de méthane et cette augmentation a été corrélée à la quantité de matières grasses ajoutées.

Biomethanation of syngas: identification of metabolic pathways from CO in a natural anaerobic consortium

Au cours des dernières décennies, l’intérêt pour la gazéification de biomasses a considérablement augmenté, notamment en raison de la grande efficacité de recouvrement énergétique de ce procédé par rapport aux autres procédés de génération de bioénergies. Les composants majoritaires du gaz de synthèse, le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2) peuvent entre autres servir de substrats à divers microorganismes qui peuvent produire une variété de molécules chimiques d’intérêts, ou encore produire des biocarburants, particulièrement le méthane. Il est donc important d'étudier les consortiums méthanogènes naturels qui, en syntrophie, serait en mesure de convertir le gaz de synthèse en carburants utiles. Cette étude évalue principalement le potentiel de méthanisation du CO par un consortium microbien issu d’un réacteur de type UASB, ainsi que les voies métaboliques impliquées dans cette conversion en conditions mésophiles. Des tests d’activité ont donc été réalisés avec la boue anaérobie du réacteur sous différentes pressions partielles de CO variant de 0.1 à 1,65 atm (0.09 à 1.31 mmol CO/L), en présence ou absence de certains inhibiteurs métaboliques spécifiques. Dès le départ, la boue non acclimatée au CO présente une activité carboxidotrophique relativement intéressante et permet une croissance sur le CO. Les tests effectués avec de l’acide 2- bromoethanesulfonique (BES) ou avec de la vancomycine démontrent que le CO est majoritairement consommé par les bactéries acétogènes avant d’être converti en méthane par les méthanogènes acétotrophes. De plus, un plus grand potentiel de méthanisation a pu être atteint sous une atmosphère constituée uniquement de CO en acclimatant auparavant la boue. Cette adaptation est caractérisée par un changement dans la population microbienne désormais dominée par les méthanogènes hydrogénotrophes. Ceci suggère un potentiel de production à large échelle de biométhane à partir du gaz de synthèse avec l’aide de biofilms anaérobies.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.