Fatty acid biosynthesis in eukaryotic photosynthetic microalgae: Identification of a microsomal delta 12 desaturase in Chlamydomonas reinhardtii

Polyunsaturated fatty acids (PUFAs) are important components of infant and adult nutrition because they serve as structural elements of cell membranes. Fatty acid desaturases are responsible for the insertion of double bonds into pre-formed fatty acid chains in reactions that require oxygen and reducing equivalents. In this study, the genome-wide characterization of the fatty acid desaturases from seven eukaryotic photosynthetic microalgae was undertaken according to the conserved histidine-rich motifs and phylogenetic profiles. Analysis of these genomes provided insight into the origin and evolution of the pathway of fatty acid biosynthesis in eukaryotic plants. In addition, the candidate enzyme from Chlamydomonas reinhardtii with the highest similarity to the microsomal Delta 12 desaturase of Chlorella vulgaris was isolated, and its function was verified by heterologous expression in yeast (Saccharomyces cerevisiae).

Functional metagenomic analysis of the human gut microbiome to identify novel salt tolerance genes

The ability to adapt to and respond to increases in external osmolarity is an important characteristic that enables bacteria to survive and proliferate in different environmental niches. When challenged with increased osmolarity, due to sodium chloride (NaCl) for example, bacteria elicit a phased response; firstly via uptake of potassium (K+), which is known as the primary response. This primary response is followed by the secondary response which is characterised by the synthesis or uptake of compatible solutes (osmoprotectants). The overall osmotic stress response is much broader however, involving many diverse cellular systems and processes. These ancillary mechanisms are arguably more interesting and give a more complete view of the osmotic stress response. The aim of this thesis was to identify novel genetic loci from the human gut microbiota that confer increased tolerance to osmotic stress using a functional metagenomic approach. Functional metagenomics is a powerful tool that enables the identification of novel genes from as yet uncultured bacteria from diverse environments through cloning, heterologous expression and phenotypic identification of a desired trait. Functional metagenomics does not rely on any previous sequence information to known genes and can therefore enable the discovery of completely novel genes and assign functions to new or known genes. Using a functional metagenomic approach, we have assigned a novel function to previously annotated genes; murB, mazG and galE, as well as a putative brp/blh family beta-carotene 15,15’-monooxygenase. Finally, we report the identification of a completely novel salt tolerance determinant with no current known homologues in the databases. Overall the genes identified originate from diverse taxonomic and phylogenetic groups commonly found in the human gastrointestinal (GI) tract, such as Collinsella and Eggerthella, Akkermansia and Bacteroides from the phyla Actinobacteria, Verrucomicrobia and Bacteroidetes, respectively. In addition, a number of the genes appear to have been acquired via lateral gene transfer and/or encoded on a prophage. To our knowledge, this thesis represents the first investigation to identify novel genes from the human gut microbiota involved in the bacterial osmotic stress response.

Recessive congenital methaemoglobinaemia: cytochrome b(5) reductase deficiency

Some 60 years ago, Quentin Gibson reported the first hereditary disorder involving an enzyme when he deduced that familial methaemoglobinaemia was caused by an enzymatic lesion associated with the glycolysis pathway in red blood cells. This disorder, now known as recessive congenital methaemoglobinaemia (RCM), is caused by NADH-cytochrome b5 reductase (cb(5)r) deficiency. Two distinct clinical forms, types I and II, have been recognized, both characterized by cyanosis from birth. In type II, the cyanosis is accompanied by neurological impairment and reduced life expectancy. Cytochrome b(5) reductase is composed of one FAD and one NADH binding domain linked by a hinge region. It is encoded by the CYB5R3 (previously known as DIA1) gene and more than 40 mutations have been described, some of which are common to both types of RCM. Mutations associated with type II tend to cause incorrect splicing, disruption of the active site or truncation of the protein. At present the description of the sequence variants of cb(5)r in the literature is confusing, due to the use of two conventions which differ by one codon position. Herein we propose a new system for nomenclature of cb(5)r based on recommendations of the Human Genome Variation Society. The development of a heterologous expression system has allowed the impact of naturally occurring variants of cb(5)r to be assessed and has provided insight into the function of cb(5)r.

Characterization of bafinivirus main protease autoprocessing activities

The production of functional nidovirus replication-transcription complexes involves extensive proteolytic processing by virus-encoded proteases. In this study, we characterized the viral main protease (Mpro) of the type species, White bream virus (WBV), of the newly established genus Bafinivirus (order Nidovirales, family Coronaviridae, subfamily Torovirinae). Comparative sequence analysis and mutagenesis data confirmed that the WBV Mpro is a picornavirus 3C-like serine protease that uses a Ser-His-Asp catalytic triad embedded in a predicted two-ß-barrel fold, which is extended by a third domain at its C terminus. Bacterially expressed WBV Mpro autocatalytically released itself from flanking sequences and was able to mediate proteolytic processing in trans. Using N-terminal sequencing of autoproteolytic processing products we tentatively identified Gln?(Ala, Thr) as a substrate consensus sequence. Mutagenesis data provided evidence to suggest that two conserved His and Thr residues are part of the S1 subsite of the enzyme's substrate-binding pocket. Interestingly, we observed two N-proximal and two C-proximal autoprocessing sites in the bacterial expression system. The detection of two major forms of Mpro, resulting from processing at two different N-proximal and one C-proximal site, in WBV-infected epithelioma papulosum cyprini cells confirmed the biological relevance of the biochemical data obtained in heterologous expression systems. To our knowledge, the use of alternative Mpro autoprocessing sites has not been described previously for other nidovirus Mpro domains. The data presented in this study lend further support to our previous conclusion that bafiniviruses represent a distinct group of viruses that significantly diverged from other phylogenetic clusters of the order Nidovirales.

A quorum-quenching approach to investigate the conservation of quorum-sensing-regulated functions within the Burkholderia cepacia complex

Taxonomic studies of the past few years have shown that the Burkholderia cepacia complex, a heterogeneous group of B. cepacia-like organisms, consists of at least nine species. B. cepacia complex strains are ubiquitously distributed in nature and have been used for biocontrol, bioremediation, and plant growth promotion purposes. At the same time, B. cepacia complex strains have emerged as important opportunistic pathogens of humans, particularly those with cystic fibrosis. All B. cepacia complex species investigated thus far use quorum-sensing (QS) systems that rely on N-acylhomoserine lactone (AHL) signal molecules to express certain functions, including the production of extracellular proteases, swarming motility, biofilm formation, and pathogenicity, in a population-density-dependent manner. In this study we constructed a broad-host-range plasmid that allowed the heterologous expression of the Bacillus sp. strain 240B1 AiiA lactonase, which hydrolyzes the lactone ring of various AHL signal molecules, in all described B. cepacia complex species. We show that expression of AiiA abolished or greatly reduced the accumulation of AHL molecules in the culture supernatants of all tested B. cepacia complex strains. Phenotypic characterization of wild-type and transgenic strains revealed that protease production, swarming motility, biofilm formation, and Caenorhabditis elegans killing efficiency was regulated by AHL in the large majority of strains investigated.

Identification of the lipopolysaccharide core of Yersinia pestis and Yersinia pseudotuberculosis as the receptor for bacteriophage φA1122

fA1122 is a T7-related bacteriophage infecting most isolates of Yersinia pestis, the etiologic agent of plague, and used by the CDC in the identification of Y. pestis. fA1122 infects Y. pestis grown both at 20 °C and at 37 °C. Wild-type Yersinia pseudotuberculosis strains are also infected but only when grown at 37 °C. Since Y. pestis expresses rough lipopolysaccharide (LPS) missing the O-polysaccharide (O-PS) and expression of Y. pseudotuberculosis O-PS is largely suppressed at temperatures above 30 °C, it has been assumed that the phage receptor is rough LPS. We present here several lines of evidence to support this. First, a rough derivative of Y. pseudotuberculosis was also fA1122 sensitive when grown at 22 °C. Second, periodate treatment of bacteria, but not proteinase K treatment, inhibited the phage binding. Third, spontaneous fA1122 receptor mutants of Y. pestis and rough Y. pseudotuberculosis could not be isolated, indicating that the receptor was essential for bacterial growth under the applied experimental conditions. Fourth, heterologous expression of the Yersinia enterocolitica O:3 LPS outer core hexasaccharide in both Y. pestis and rough Y. pseudotuberculosis effectively blocked the phage adsorption. Fifth, a gradual truncation of the core oligosaccharide into the Hep/Glc (L-glycero-D-manno-heptose/D-glucopyranose)-Kdo/Ko (3-deoxy-D-manno-oct-2-ulopyranosonic acid/D-glycero-D-talo-oct-2-ulopyranosonic acid) region in a series of LPS mutants was accompanied by a decrease in phage adsorption, and finally, a waaA mutant expressing only lipid A, i.e., also missing the Kdo/Ko region, was fully fA1122 resistant. Our data thus conclusively demonstrated that the fA1122 receptor is the Hep/Glc-Kdo/Ko region of the LPS core, a common structure in Y. pestis and Y. pseudotuberculosis.

A Burkholderia cenocepacia gene encoding a non-functional tyrosine phosphatase is required for the delayed maturation of the bacteria-containing vacuoles in macrophages

Burkholderia cenocepacia infects patients with cystic fibrosis. We have previously shown that B. cenocepacia can survive in macrophages within membrane vacuoles (BcCVs) that preclude fusion with the lysosome. The bacterial factors involved in B. cenocepacia intracellular survival are not fully elucidated. We report here that deletion of BCAM0628, encoding a predicted low-molecular weight protein tyrosine phosphatase (LMW-PTP) that is restricted to B. cenocepacia strains of the transmissible ET-12 clone, accelerates the maturation of the BcCVs. Compared to parental strain and deletion mutants in other LMW-PTPs that are widely conserved in Burkholderia species, a greater proportion of BcCVs containing the BCAM0628 mutant were targeted to the lysosome. Accelerated BcCV maturation was not due to reduced intracellular viability since BCAM0628 survived and replicated in macrophages similarly to the parental strain. Therefore, BCAM0628 was referred to as dpm (delayed phagosome maturation). We provide evidence that the Dpm protein is secreted during growth in vitro and upon macrophage infection. Dpm secretion requires an N-terminal signal peptide. Heterologous expression of Dpm in B. multivorans confers to this bacterium a similar phagosomal maturation delay as found with B. cenocepacia. We demonstrate that Dpm is an inactive phosphatase, suggesting that its contribution to phagosomal maturation arrest must be unrelated to tyrosine phosphatase activity.

Lichenicidin biosynthesis and search for novel antibacterial peptides

A estirpe Bacillus licheniformis I89 possui a capacidade de produzir alguns compostos com actividade antibacteriana. No presente estudo, a separação desses compostos foi realizada através da aplicação de vários procedimentos, incluindo extracção em fase sólida e cromatografia liquida de alta pressão. Dois destes compostos bioactivos constituem o lantibiótico de classe II lichenicidina e são caracterizados pela massas molecular de 3250 Da (Bliα) e 3020 Da (Bliβ). O cluster responsável pela biossíntese da lichenicidina foi heterologamente expresso em Escherichia coli, constituindo a primeira descrição da produção de um lantibiótico totalmente in vivo num hospedeiro Gram-negativo. Este sistema foi subsequentemente explorado com o objectivo de relacionar cada proteína codificada no cluster genético da lichenicidina na produção dos péptidos Bliα e Bliβ. O desenvolvimento do sistema de trans complementação possibilitou a produção de variantes destes péptidos. A análise das massas moleculares destas variantes assim como a análise dos padrões de fragmentação obtidos por MS/MS permitiu a revisão de algumas das características estruturais previamente proposta para Bliα e Bliβ. A análise dos genes hipoteticamente envolvidos na protecção da estirpe produtora contra a acção antibiótica da lichenicidina revelou, que em E. coli, a sua ausência não resulta no aumento da susceptibilidade a este composto. Verificou-se também que a presença destes genes não é essencial para a produção de lichenicidina em E. coli. Foi também confirmado experimentalmente que a membrana externa da E. coli constitui uma barreira natural para a entrada dos péptidos na célula. De facto, uma das características intrigantes da produção de lichenicidina por uma bactéria de Gram negativo reside no mecanismo de transporte dos dois péptidos através da membrana externa. Neste estudo foi demonstrado que na ausência da proteína de membrana TolC, a massa molecular de Bliα e Bliβ não foi identificada no sobrenadante de E. coli, demonstrando assim que a sua presença no ambiente extra-celular não se devia a um processo de lise bacteriana. Foi ainda avaliada a capacidade da maquinaria biossintética da lichenicidina para produzir o lantibiótico haloduracina, através do processamento de chimeras lichenicidina-haloduracina, contudo, os resultados foram negativos. Verificou-se ainda que em determinadas condições de incubação, a diferenciação da morfologia original da estirpe B. licheniformis I89 pode ocorrer. Esta dissociação implicou a transição da colónia parental e rugosa para uma colónia de aparência mais simples e suave. Desta forma, as diferenças das duas morfologias em termos de taxa de crescimento, esporulação e actividade antibiótica foram investigadas. Considerando especificamente Bliα e Bliβ verificou-se que a abundância destes péptidos nas culturas do fenótipo fino é geralmente inferior aquela identificada nas culturas do fenótipo parental. Por último, a diversidade de elementos genéticos constituintes de péptido sintetases não ribossomais (NRPS) foi investigada em lagoas no centro de Portugal e em solos provenientes de caves do sul de Portugal, revelando a presença de potenciais novas NRPS nestes ambientes.

Laccase from Aspergillus niger: A novel tool to graft multifunctional materials of interests and their characterization

In the present study, we propose a green route to prepare poly(3-hydroxybutyrate) [(P(3HB)] grafted ethyl cellulose (EC) based green composites with novel characteristics through laccase-assisted grafting. P(3HB) was used as a side chain whereas, EC as a backbone material under an ambient processing conditions. A novel laccase obtained from Aspergillus niger through its heterologous expression in Saccharomyces cerevisiae was used as a green catalyst for grafting purposes without the use of additional initiator and/or cross-linking agents. Subsequently, the resulting P(3HB)-g-EC composites were characterized using a range of analytical and imagining techniques. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectra showed an increase in the hydrogen-bonding type interactions between the side chains of P(3HB) and backbone material of EC. Evidently, X-ray diffraction (XRD) analysis revealed a decrease in the crystallinity of the P(3HB)-g-EC composites as compared to the pristine individual polymers. A homogeneous P(3HB) distribution was also achieved in case of the graft composite prepared in the presence of 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) (ABTS) as a mediator along with laccase as compared to the composite prepared using pure laccase alone. A substantial improvement in the thermal and mechanical characteristics was observed for grafted composites up to the different extent as compared to the pristine counterparts. The hydrophobic/hydrophilic properties of the grafted composites were better than those of the pristine counterparts.

Functional genomics of BAHD acyltransferases in different varieties of the wine grape, Vilis vinifera

The characteristic "foxy" aroma of Vilis labrusca Concord grapes is due in large part to methyl anthranilate, a volatile ester formed by the enzyme anthraniloyl- CoA:methanol anthraniloyltransferase (VIAMAT) of the superfamily of BARD acyltransferases. The publication of the genome ofthe closely related wine grape Vilis vinifera, which does not accumulate methyl anthranilate, permitted the searching for any putative VlAU4T-like genes, with the result of 5 highly homologous candidates being found, with one candidate sharing 95% identity to VlAU4T. Probing the gene expression of 18 different cultivars of V. vinifora ripe berries by RT -PCR showed that many varieties do indeed express VlAU4T-like genes. Subsequent cloning of the full-length open reading frame of one of these genes from eDNA prepared from the cultivar Sauvignon Blanc permitted preliminary biochemical characterization of the enzyme after heterologous expression in E. coli. It was determined that this alcohol acyltransferase (named VvsbAATl) catalyzes the formation of cis-3-hexenyl acetate, a "green-leaf' volatile. Although the cloned gene from Sauvignon Blanc had 95% identity at the amino acid level to VIAMAT, it displayed an altered substrate specificity and expression pattern. These results highlight the difficulty in predicting substrate specificity and function of enzymes through the basis of sequence homology, which is a common finding in the study of BARD acyltransferases. Also, the determination of function of VvsbAATl and other BARD acyltransferases in V. vinifera could be used as a genetic marker for certain aroma characteristics in grape breeding programs.

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.

Caractérisation biochimique et fonctionnelle du mutant T179N de l’aquaporine-2 humaine

L’aquaporine-2 (AQP2) est le canal responsable de la réabsorption finale d’eau au niveau du tubule collecteur du rein. À la base, contenue dans des vésicules internes, l’AQP2 est acheminée à la membrane apicale des cellules principales du tubule collecteur suite à une stimulation par l’hormone antidiurétique (ADH). L’incapacité à accomplir cette fonction entraîne le diabète insipide néphrogénique (DIN), une maladie caractérisée par l’inhabileté du rein à concentrer l’urine, entraînant une production de volumes urinaires élevés. Alors que les mutations récessives génèrent des protéines mal structurées et incapables de former des tétramères, les mutations dominantes sont capables de s’associer à leurs homologues sauvages, engendrant ainsi un DIN même chez les patients hétérozygotes. Ce mémoire présente l’analyse biochimique et fonctionnelle d’une nouvelle mutation naturelle de l’AQP2, la mutation T179N, aussi responsable du DIN. Cette dernière est particulièrement intéressante de par son génotype qui implique un caractère dominant, et sa position extracellulaire habituellement réservée aux mutations récessives. Les études comparatives de T179N à deux modèles de mutation récessive et dominante démontrent, tant en ovocytes de Xenopus laevis qu’en lignée cellulaire mpkCCDc14, le caractère récessif de cette nouvelle mutation. Les tests d’immunobuvardage de lysats d’ovocytes en membranes totales et membranes plasmiques purifiées ont révélé que seule la forme sauvage atteint la membrane plasmique alors que le mutant T179N est séquestré dans la cellule. En accord avec ce résultat, les analyses de perméabilité fonctionnelle démontrent aussi une absence d’activité pour T179N. En cellule mpkCCDc14, le mutant T179N exprimé seul n’atteint pas la membrane plasmique suite à l’action de la forskoline, contrairement à la forme sauvage. Cependant, ce mutant peut s’associer à son homologue sauvage en coexpression tant dans les ovocytes qu’en lignée mpkCCDc14 sans toutefois engendrer l’effet typique de dominance négative. En fait, dans ce contexte de coexpression, on remarque une augmentation de la Pf de 83±7 % et une récupération d’adressage à la membrane plasmique en cellule (immunofluorescence). En conclusion, T179N serait un mutant récessif fonctionnellement récupérable lorsqu’en présence de l’AQP2 sauvage.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Iron-regulated surface determinant protein a mediates adhesion of staphylococcus aureus to human corneocyte envelope proteins

The ability of Staphylococcus aureus to colonize the human nares is a crucial prerequisite for disease. IsdA is a major S. aureus surface protein that is expressed during human infection and required for nasal colonization and survival on human skin. In this work, we show that IsdA binds to involucrin, loricrin, and cytokeratin K10, proteins that are present in the cornified envelope of human desquamated epithelial cells. To measure the forces and dynamics of the interaction between IsdA and loricrin (the most abundant protein of the cornified envelope), single-molecule force spectroscopy was used, demonstrating high-specificity binding. IsdA acts as a cellular adhesin to the human ligands, promoting whole-cell binding to immobilized proteins, even in the absence of other S. aureus components (as shown by heterologous expression in Lactococcus lactis). Inhibition experiments revealed the binding of the human ligands to the same IsdA region. This region was mapped to the NEAT domain of IsdA. The NEAT domain also was found to be required for S. aureus whole-cell binding to the ligands as well as to human nasal cells. Thus, IsdA is an important adhesin to human ligands, which predominate in its primary ecological niche.