Guidelines for specialized nutritional and metabolic support in the critically-ill patient. Update. Consensus SEMICYUC-SENPE: Oncohematological patient

Patients with cancer, irrespective of the stage of their disease, can require admission to the intensive care unit as a result of the complications of their underlying process or the surgical or pharmacological treatment provided. The cancer itself, as well as the critical status that can result from the complications of the disease, frequently lead to a high degree of hypermetabolism and inadequate energy intake, causing a high incidence of malnutrition in these patients. Moreover, cancer causes anomalous use of nutritional substrates and therefore the route of administration and proportion and intake of nutrients may differ in these patients from those in noncancer patients.

Metabolic activation pattern of distinct hippocampal subregions during spatial learning and memory retrieval.

Activation dynamics of hippocampal subregions during spatial learning and their interplay with neocortical regions is an important dimension in the understanding of hippocampal function. Using the (14C)-2-deoxyglucose autoradiographic method, we have characterized the metabolic changes occurring in hippocampal subregions in mice while learning an eight-arm radial maze task. Autoradiogram densitometry revealed a heterogeneous and evolving pattern of enhanced metabolic activity throughout the hippocampus during the training period and on recall. In the early stages of training, activity was enhanced in the CA1 area from the intermediate portion to the posterior end as well as in the CA3 area within the intermediate portion of the hippocampus. At later stages, CA1 and CA3 activations spread over the entire longitudinal axis, while dentate gyrus (DG) activation occurred from the anterior to the intermediate zone. Activation of the retrosplenial cortex but not the amygdala was also observed during the learning process. On recall, only DG activation was observed in the same anterior part of the hippocampus. These results suggest the existence of a functional segmentation of the hippocampus, each subregion being dynamically but also differentially recruited along the acquisition, consolidation, and retrieval process in parallel with some neocortical sites.

Metabolic gene expression changes in astrocytes in Multiple Sclerosis cerebral cortex are indicative of immune-mediated signaling.

Emerging as an important correlate of neurological dysfunction in Multiple Sclerosis (MS), extended focal and diffuse gray matter abnormalities have been found and linked to clinical manifestations such as seizures, fatigue and cognitive dysfunction. To investigate possible underlying mechanisms we analyzed the molecular alterations in histopathological normal appearing cortical gray matter (NAGM) in MS. By performing a differential gene expression analysis of NAGM of control and MS cases we identified reduced transcription of astrocyte specific genes involved in the astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS) and the glutamate-glutamine cycle (GGC). Additional quantitative immunohistochemical analysis demonstrating a CX43 loss in MS NAGM confirmed a crucial involvement of astrocytes and emphasizes their importance in MS pathogenesis. Concurrently, a Toll-like/IL-1β signaling expression signature was detected in MS NAGM, indicating that immune-related signaling might be responsible for the downregulation of ANLS and GGC gene expression in MS NAGM. Indeed, challenging astrocytes with immune stimuli such as IL-1β and LPS reduced their ANLS and GGC gene expression in vitro. The detected upregulation of IL1B in MS NAGM suggests inflammasome priming. For this reason, astrocyte cultures were treated with ATP and ATP/LPS as for inflammasome activation. This treatment led to a reduction of ANLS and GGC gene expression in a comparable manner. To investigate potential sources for ANLS and GGC downregulation in MS NAGM, we first performed an adjuvant-driven stimulation of the peripheral immune system in C57Bl/6 mice in vivo. This led to similar gene expression changes in spinal cord demonstrating that peripheral immune signals might be one source for astrocytic gene expression changes in the brain. IL1B upregulation in MS NAGM itself points to a possible endogenous signaling process leading to ANLS and GGC downregulation. This is supported by our findings that, among others, MS NAGM astrocytes express inflammasome components and that astrocytes are capable to release Il-1β in-vitro. Altogether, our data suggests that immune signaling of immune- and/or central nervous system origin drives alterations in astrocytic ANLS and GGC gene regulation in the MS NAGM. Such a mechanism might underlie cortical brain dysfunctions frequently encountered in MS patients.

Metabolic and structural rearrangement during dark-induced autophagy in soybean (Glycine max L.) nodules: An electron microscopy and P-31 and C-13 nuclear magnetic resonance study

The effects of dark-induced stress on the evolution of the soluble metabolites present in senescent soybean (Glycine max L.) nodules were analysed in vitro using C-13- and P-31-NMR spectroscopy. Sucrose and trehalose were the predominant soluble storage carbons. During dark-induced stress, a decline in sugars and some key glycolytic metabolites was observed. Whereas 84% of the sucrose disappeared, only one-half of the trehalose was utilised. This decline coincides with the depletion of Gln, Asn, Ala and with an accumulation of ureides, which reflect a huge reduction of the N-2 fixation. Concomitantly, phosphodiesters and compounds like P-choline, a good marker of membrane phospholipids hydrolysis and cell autophagy, accumulated in the nodules. An autophagic process was confirmed by the decrease in cell fatty acid content. In addition, a slight increase in unsaturated fatty acids (oleic and linoleic acids) was observed, probably as a response to peroxidation reactions. Electron microscopy analysis revealed that, despite membranes dismantling, most of the bacteroids seem to be structurally intact. Taken together, our results show that the carbohydrate starvation induced in soybean by dark stress triggers a profound metabolic and structural rearrangement in the infected cells of soybean nodule which is representative of symbiotic cessation.

Macroautophagic process was differentially modulated by long-term moderate exercise in rat brain and peripheral tissues

The autophagic process is a lysosomal degradation pathway, which is activated during stress conditions, such as starvation or exercise. Regular exercise has beneficial effects on human health, including neuroprotection. However, the cellular mechanisms underlying these effects are incompletely understood. Endurance and a single bout of exercise induce autophagy not only in brain but also in peripheral tissues. However, little is known whether autophagy could be modulated in brain and peripheral tissues by long-term moderate exercise. Here, we examined the effects on macroautophagy process of long-term moderate treadmill training (36 weeks) in adult rats both in brain (hippocampus and cerebral cortex) and peripheral tissues (skeletal muscle, liver and heart). We assessed mTOR activation and the autophagic proteins Beclin 1, p62, LC3B (LC3B-II/LC3B-I ratio) and the lysosomal protein LAMP1, as well as the ubiquitinated proteins. Our results showed in the cortex of exercised rats an inactivation of mTOR, greater autophagy flux (increased LC3-II/LC3-I ratio and reduced p62) besides increased LAMP1. Related with these effects a reduction in the ubiquitinated proteins was observed. No significant changes in the autophagic pathway were found either in hippocampus or in skeletal and cardiac muscle by exercise. Only in the liver of exercised rats mTOR phosphorylation and p62 levels increased, which could be related with beneficial metabolic effects in this organ induced by exercise. Thus, our findings suggest that long-term moderate exercise induces autophagy specifically in the cortex

Macroautophagic process was differentially modulated by long-term moderate exercise in rat brain and peripheral tissues

The autophagic process is a lysosomal degradation pathway, which is activated during stress conditions, such as starvation or exercise. Regular exercise has beneficial effects on human health, including neuroprotection. However, the cellular mechanisms underlying these effects are incompletely understood. Endurance and a single bout of exercise induce autophagy not only in brain but also in peripheral tissues. However, little is known whether autophagy could be modulated in brain and peripheral tissues by long-term moderate exercise. Here, we examined the effects on macroautophagy process of long-term moderate treadmill training (36 weeks) in adult rats both in brain (hippocampus and cerebral cortex) and peripheral tissues (skeletal muscle, liver and heart). We assessed mTOR activation and the autophagic proteins Beclin 1, p62, LC3B (LC3B-II/LC3B-I ratio) and the lysosomal protein LAMP1, as well as the ubiquitinated proteins. Our results showed in the cortex of exercised rats an inactivation of mTOR, greater autophagy flux (increased LC3-II/LC3-I ratio and reduced p62) besides increased LAMP1. Related with these effects a reduction in the ubiquitinated proteins was observed. No significant changes in the autophagic pathway were found either in hippocampus or in skeletal and cardiac muscle by exercise. Only in the liver of exercised rats mTOR phosphorylation and p62 levels increased, which could be related with beneficial metabolic effects in this organ induced by exercise. Thus, our findings suggest that long-term moderate exercise induces autophagy specifically in the cortex

Transgenic mice overexpressing neuropeptide Y: An experimental model of metabolic and cardiovascular diseases

Neuropeptide Y (NPY) is an abundant neurotransmitter in the brain and sympathetic nervous system (SNS). Hypothalamic NPY is known to be a key player in food intake and energy expenditure. NPY’s role in cardiovascular regulation has also been shown. In humans, a Leucine 7 to Proline 7 single nucleotide polymorphism (p.L7P) in the signal peptide of the NPY gene has been associated with traits of metabolic syndrome. The p.L7P subjects also show increased stress-related release of NPY, which suggests that more NPY is produced and released from SNS. The main objective of this study was to create a novel mouse model with noradrenergic cell-targeted overexpression of NPY, and to characterize the metabolic and vascular phenotype of this model. The mouse model was named OE-NPY^DBH mouse. Overexpression of NPY in SNS and brain noradrenergic neurons led to increased adiposity without significant weight gain or increased food intake. The mice showed lipid accumulation in the liver at young age, which together with adiposity led to impaired glucose tolerance and hyperinsulinemia with age. The mice displayed stress-related increased mean arterial blood pressure, increased plasma levels of catecholamines and enhanced SNS activity measured by GDP binding activity to brown adipose tissue mitochondria. Sexual dimorphism in NPY secretion pattern in response to stress was also seen. In an experimental model of vascular injury, the OE-NPY^DBH mice developed more pronounced neointima formation compared with wildtype controls. These results together with the clinical data indicate that NPY in noradrenergic cells plays an important role in the pathogenesis of metabolic syndrome and related diseases. Furthermore, new insights on the role of the extrahypothalamic NPY in the process have been obtained. The OE-NPY^DBH model provides an important tool for further stress and metabolic syndrome-related studies.

Early nutritional determinants in cardio-metabolic programming – A prospective randomized controlled dietary intervention study

Western societies have been faced with the fact that overweight, impaired glucose regulation and elevated blood pressure are already prevalent in pediatric populations. This will inevitably mean an increase in later manifestations of cardio-metabolic diseases. The dilemma has been suggested to stem from fetal life and it is surmised that the early nutritional environment plays an important role in the process called programming. The aim of the present study was to characterize early nutritional determinants associating with cardio-metabolic risk factors in fetuses, infants and children. Further, the study was designated to establish whether dietary counseling initiated in early pregnancy can modify this cascade. Healthy mother-child pairs (n=256) participating in a dietary intervention study were followed from early pregnancy to childhood. The intervention included detailed dietary counseling by a nutritionist targeting saturated fat intake in excess of recommendations and fiber consumption below recommendations. Cardio-metabolic programming was studied by characterizing the offspring’s cardio-metabolic risk factors such as over-activation of the autonomic nervous system, elevated blood pressure and adverse metabolic status (e.g. serum high split proinsulin concentration). Fetal cardiac sympathovagal activation was measured during labor. Postnatally, children’s blood pressure was measured at six-month and four-year follow-up visits. Further, infants’ metabolic status was assessed by means of growth and serum biomarkers (32-33 split proinsulin, leptin and adiponectin) at the age of six months. This study proved that fetal cardiac sympathovagal activity was positively associated with maternal pre-pregnancy body mass index indicating adverse cardio-metabolic programming in the offspring. Further, a reduced risk of high split proinsulin in infancy and lower blood pressure in childhood were found in those offspring whose mothers’ weight gain and amount and type of fats in the diet during pregnancy were as recommended. Of note, maternal dietary counseling from early pregnancy onwards could ameliorate the offspring’s metabolic status by reducing the risk of high split proinsulin concentration, although it had no effect on the other cardio-metabolic markers in the offspring. At postnatal period breastfeeding proved to entail benefits in cardio-metabolic programming. Finally, the recommended dietary protein and total fat content in the child’s diet were important nutritional determinants reducing blood pressure at the age of four years. The intrauterine and immediate postnatal period comprise a window of opportunity for interventions aiming to reduce the risk of cardio-metabolic disorders and brings the prospect of achieving health benefits over one generation.

Metabolic evaluation of Crioulo horses participating in competitions of 750 km

The Crioulo breed of horses performs in one of the most physically demanding equestrian competitions, the Marcha de Resistência, which is a contest in which the horses run 750 km in 15 days. The study's aim was to characterize the metabolic responses during this period. We evaluated eleven Crioulo horses in the competition, specifically, two males and nine females. Blood samples were collected 24 hours before the contest and on the 4th, 9th, 11th, 14th and 15th days of competition. We evaluated CK, AST, LDH, glucose, lactate, urea, creatinine, sodium, potassium, chloride, magnesium, total calcium, ionized calcium, total protein, hematocrit and the white blood cell count. At the end of the competition, the mean values of serum AST were 1151±358 IU/ L the mean LDH values were 7418±1695 IU/L and CK was 13,867±3998UI /L. There was a significant increase in urea, creatinine and lactate (p<0.0001). A decrease in the mean values of chloride, sodium, potassium, and total and ionized calcium was observed (p≤0.0002). An evaluation of the total leukocytes and segmented neutrophils (p≤0.0002) revealed their increased values, and decreased values were observed for hematocrit, plasma protein and total lymphocytes (p≤0.0003). The values of glucose, on average, remained constant. Based on these data, we conclude that the Marcha de Resistência competition necessitated a high muscular demand and the depletion of energy and electrolytes, suggesting an inflammatory process in the animals evaluated.

Malnutrition during lactation as a metabolic imprinting factor inducing the feeding pattern of offspring rats when adults: The role of insulin and leptin

The aim of the present study was to determine the impact of malnutrition during early postnatal life and the feeding pattern of rat offspring when adults (2 months and 1 year old). In comparison with rats normally fed during lactation, we observed that adult offspring displayed a faster process of feeding reduction when a protein-free diet was offered. In addition, we studied the concentration of insulin and leptin in the lactating pups (10 days) and when these offspring became adult after the onset of a new feeding pattern induced by the protein-free diet. When the diet was changed at 60 days, the offspring malnourished during lactation displayed, after 3 days, a food intake reduction around 41.4 vs 14.2% of the control group. At 10 days of life, plasma leptin and insulin were higher in the malnourished pups when compared with normally fed rats (leptin: 4.6 ± 0.8 vs 2.25 ng/ml; insulin: 0.73 ± 0.12 vs 0.22 ± 0.03 ng/ml) while at 60 days they showed reduction of both hormones when compared with the control group (leptin: 1.03 ± 0.25 vs 1.43 ± 0.5 ng/ml; insulin: 0.54 ± 0.3 vs 0.61 ± 0.4 ng/ml). Despite the different food intake reductions, the malnourished and control rats displayed a similar reduction of insulin and leptin after 3 days of protein-free diet (from 60 to 63 days). The data suggest that the high concentration of insulin and leptin found at 10 days in the malnourished pups may elicit a sustained long-term and unique feeding pattern.

Endothelial dysfunction in cardiovascular and endocrine-metabolic diseases: an update

The endothelium plays a vital role in maintaining circulatory homeostasis by the release of relaxing and contracting factors. Any change in this balance may result in a process known as endothelial dysfunction that leads to impaired control of vascular tone and contributes to the pathogenesis of some cardiovascular and endocrine/metabolic diseases. Reduced endothelium-derived nitric oxide (NO) bioavailability and increased production of thromboxane A2, prostaglandin H2 and superoxide anion in conductance and resistance arteries are commonly associated with endothelial dysfunction in hypertensive, diabetic and obese animals, resulting in reduced endothelium-dependent vasodilatation and in increased vasoconstrictor responses. In addition, recent studies have demonstrated the role of enhanced overactivation ofβ-adrenergic receptors inducing vascular cytokine production and endothelial NO synthase (eNOS) uncoupling that seem to be the mechanisms underlying endothelial dysfunction in hypertension, heart failure and in endocrine-metabolic disorders. However, some adaptive mechanisms can occur in the initial stages of hypertension, such as increased NO production by eNOS. The present review focuses on the role of NO bioavailability, eNOS uncoupling, cyclooxygenase-derived products and pro-inflammatory factors on the endothelial dysfunction that occurs in hypertension, sympathetic hyperactivity, diabetes mellitus, and obesity. These are cardiovascular and endocrine-metabolic diseases of high incidence and mortality around the world, especially in developing countries and endothelial dysfunction contributes to triggering, maintenance and worsening of these pathological situations.

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.

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.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Metabolic disorders in the transition period indicate that the dairy cows' ability to adapt is overstressed

Metabolic disorders are a key problem in the transition period of dairy cows and often appear before the onset of further health problems. They mainly derive from difficulties the animals have in adapting to changes and disturbances occurring both outside and inside the organisms and due to varying gaps between nutrient supply and demand. Adaptation is a functional and target-oriented process involving the whole organism and thus cannot be narrowed down to single factors. Most problems which challenge the organisms can be solved in a number of different ways. To understand the mechanisms of adaptation, the interconnectedness of variables and the nutrient flow within a metabolic network need to be considered. Metabolic disorders indicate an overstressed ability to balance input, partitioning and output variables. Dairy cows will more easily succeed in adapting and in avoiding dysfunctional processes in the transition period when the gap between nutrient and energy demands and their supply is restricted. Dairy farms vary widely in relation to the living conditions of the animals. The complexity of nutritional and metabolic processes Animals 2015, 5 979 and their large variations on various scales contradict any attempts to predict the outcome of animals’ adaptation in a farm specific situation. Any attempts to reduce the prevalence of metabolic disorders and associated production diseases should rely on continuous and comprehensive monitoring with appropriate indicators on the farm level. Furthermore, low levels of disorders and diseases should be seen as a further significant goal which carries weight in addition to productivity goals. In the long run, low disease levels can only be expected when farmers realize that they can gain a competitive advantage over competitors with higher levels of disease.