Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

A critical role for the T cell receptor alpha-chain connecting peptide domain in positive selection of CD1-independent NKT cells.

Natural killer T (NKT) cells are a subset of mature alpha beta TCR(+) cells that co-express NK lineage markers. Whereas most NKT cells express a canonical Valpha14/Vbeta8.2 TCR and are selected by CD1d, a minority of NKT cells express a diverse TCR repertoire and develop independently of CD1d. Little is known about the selection requirements of CD1d-independent NKT cells. We show here that NKT cells develop in RAG-deficient mice expressing an MHC class II-restricted transgenic TCR (Valpha2/Vbeta8.1) but only under conditions that lead to negative selection of conventional T cells. Moreover development of NKT cells in these mice is absolutely dependent upon an intact TCR alpha-chain connecting peptide domain, which is required for positive selection of conventional T cells via recruitment of the ERK signaling pathway. Collectively our data demonstrate that NKT cells can develop as a result of high avidity TCR/MHC class II interactions and suggest that common signaling pathways are involved in the positive selection of CD1d-independent NKT cells and conventional T cells.

Toward partial reorientation of land management for sustainability in view of material circulation: biophysical and historical analysis

This paper explores two major issues, from biophysical and historical viewpoints. We examine land management, which we define as the long-term fertility maintenance of land in relation to agriculture, fishery and forestry. We also explore humans’ positive role as agents aiming to reinforce harmonious materials circulation within the land. Liebig’s view on nature, agriculture and land, emphasizes the maintenance of long-term land fertility based on his agronomical thought that the circulation of matter in agricultural fields must be maintained with manure as much as possible. The thoughts of several classical economists, on nature, agriculture and land are reassessed from Liebig’s view point. Then, the land management problem is discussed at a much more fundamental level, to understand the necessary conditions for life in relation to land management. This point is analyzed in terms of two mechanisms: entropy disposal on the earth, and material circulation against gravitational field. Finally from the historical example of the metropolis of Edo, it is shown that there is yet another necessary condition for the sustainable management of land based on the creation of harmonious material cycles among cities, farm land, forests and surrounding sea areas in which humans play a vital role as agent.

Creació de recursos digitals per a la innovació docent en Geologia Estructural i Tectònica

El projecte ha estat dedicat a l’elaboració d’una sèrie de recursos didàctics en format digital per a l’ensenyament de les matèries de Geologia Estructural i Tectònica en titulacions universitàries relacionades amb les Ciències de la Terra. L’objectiu és la millora de la formació i del rendiment dels estudiants mitjançant l’elaboració d’activitats de suport no presencials que fomentin l’autoaprenentatge i l’autoregulació per part de l’estudiant. Les activitats intenten aprofitar les noves eines informàtiques disponibles i fomentar l’accés mitjançant la xarxa. El material que s’elabora en el marc del projecte consisteix en: 1) un fons documental d’imatges relacionades amb la Geologia Estructural i la Tectònica amb explicació, disponibles en xarxa i accessibles per motors específics de cerca, 2) un conjunt d’exercicis i casos pràctics, alguns d’ells resolts, i 3) sortides de camp virtuals d’una regió geològica que permeten proposar activitats prèvies a una pràctica presencial de camp o desenvolupar la pràctica a nivell completament autònom. Per aconseguir aquests objectius, les tasques realitzades són: la compilació i digitalització de la base d'imatges d'exemples naturals d'estructures geològiques de deformació de que disposàvem, junt amb la redacció de material explicatiu (text i figures), la selecció d'un conjunt d'exercicis de la disciplina, i la preparació de dades de camp per a la realització de les sortides virtuals. Paral•lelament, aquest material s'ha estat processant per a la seva disposició en xarxa com un recurs lliure y obert, accessible en una website i domini específics (plataforma REDITEC).

Producció de material docent per a ciència de materials mitjançant microscòpia electrònica de rastreig i làser confocal

Aquest projecte s'ha realitzat al Servei de Microscòpia de la Universitat Autònoma de Barcelona, i ha tingut una durada de dos anys (2006-2008). La finalitat d’aquest projecte ha estat l’elaboració de material didàctic basat en la captació d’imatges i l’edició de recursos pedagògics de suport digital aplicats a la ciència de materials. Es pretén millorar així la qualitat docent de les pràctiques de diverses assignatures dels ensenyaments de Física i d’Enginyeria de Materials utilitzant tècniques d’anàlisi actuals com són la Microscòpia Electrònica de Rastreig (MER) i la Microscòpia Optica (MO). Amb aquest projecte es vol fomentar també el treball interdisciplinari en equip entre professionals (docents i tècnics superiors de recerca) i acostar la teoria de les assignatures a la realització pràctica, facilitant el suport digital necessari per aconseguir un màxim aprofitament a les aules. Les imatges de MER i MO ajudaran als alumnes a familiaritzar-se amb el món de la recerca i la indústria.

Creació de material docent digital per l'assignatura transversal de Geoarqueologia

En aquest projecte hem seguit desenvolupant i ampliant els continguts d’una assignatura de caràcter transversal entre Geologia i Arqueologia Prehistòrica aplicada als estudis universitaris. Aquesta ampliació s’ha dut a terme amb la creació d'un recull de fitxes amb les dades més rellevants d’alguns sepulcres megalítics de Catalunya fent especial esment als materials petris utilitzats en la seva construcció de per tal de poder desenvolupar i contextualitzar els resultats que s’assoleixin durant el curs. Cadascuna de les fitxes inclou per cada megàlit: 1) una situació geogràfica, 2) una part de descripció des del punt de vista arqueològic i 3) una part geològica amb la situació, descripció dels elements petris de les lloses tant a visu com al microscopi petrogràfic i una localització probable de l’àrea de procedència de les lloses. Això suposa un aprofundiment i ampliació de l'oferta pedagògica proposada que permet experimentar una metodologia d’ensenyament universitari més pràctica, aplicada i interactiva i s’emmarca en l’eix temàtic al voltant del qual es desenvolupa l’assignatura.

Cdc42 explores the cell periphery for mate selection in fission yeast.

How cells polarize in response to external cues is a fundamental biological problem. For mating, yeast cells orient growth toward the source of a pheromone gradient produced by cells of the opposite mating type. Polarized growth depends on the small GTPase Cdc42, a central eukaryotic polarity regulator that controls signaling, cytoskeleton polarization, and vesicle trafficking. However, the mechanisms of polarity establishment and mate selection in complex cellular environments are poorly understood. Here we show that, in fission yeast, low-level pheromone signaling promotes a novel polarization state, where active Cdc42, its GEF Scd1, and scaffold Scd2 form colocalizing dynamic zones that sample the periphery of the cell. Two direct Cdc42 effectors--actin cables marked by myosin V Myo52 and the exocyst complex labeled by Sec6 and Sec8--also dynamically colocalize with active Cdc42. However, these cells do not grow due to a block in the exocytosis of cell wall synthases Bgs1 and Bgs4. High-level pheromone stabilizes active Cdc42 zones and promotes cell wall synthase exocytosis and polarized growth. However, in the absence of prior low-level pheromone signaling, exploration fails, and cells polarize growth at cell poles by default. Consequently, these cells show altered partner choice, mating preferentially with sister rather than nonsister cells. Thus, Cdc42 exploration serves to orient growth for partner selection. This process may also promote genetic diversification.

Growth, selection and appropriate contracts

We study a dynamic model where growth requires both long-term investment and the selection of talented managers. When ability is not ex-ante observable and contracts are incomplete, managerial selection imposes a cost, as managers facing the risk of being replaced tend to choose a sub-optimally low level of long-term investment. This generates a trade-off between selection and investment that has implications for the choice of contractual relationships. Our analysis shows that rigid long-term contracts sacrificing managerial selection may be optimal at early stages of economic development and when access to information is limited. As the economy grows, however, knowledge accumulation increases the return to talent and makes it optimal to adopt flexible contractual relationships, where managerial selection is implemented even at the cost of lower investment. Better institutions, in the form of a richer contracting environment and less severe informational frictions, speed up the transition to short-term relationships.

Contact melting of a three-dimensional phase change material on a flat substrate

In this paper a model is developed to describe the three dimensional contact melting process of a cuboid on a heated surface. The mathematical description involves two heat equations (one in the solid and one in the melt), the Navier-Stokes equations for the flow in the melt, a Stefan condition at the phase change interface and a force balance between the weight of the solid and the countering pressure in the melt. In the solid an optimised heat balance integral method is used to approximate the temperature. In the liquid the small aspect ratio allows the Navier-Stokes and heat equations to be simplified considerably so that the liquid pressure may be determined using an igenfunction expansion and finally the problem is reduced to solving three first order ordinary differential equations. Results are presented showing the evolution of the melting process. Further reductions to the system are made to provide simple guidelines concerning the process. Comparison of the solutions with experimental data on the melting of n-octadecane shows excellent agreement.

Selection, Recombination and History in a Parasitic Flatworm (Echinococcus) Inferred from Nucleotide Sequences

Three species of flatworms from the genus Echinococcus (E. granulosus, E. multilocularis and E. vogeli) and four strains of E. granulosus (cattle, horse, pig and sheep strains) were analysed by the PCR-SSCP method followed by sequencing, using as targets two non-coding and two coding (one nuclear and one mitochondrial) genomic regions. The sequencing data was used to evaluate hypothesis about the parasite breeding system and the causes of genetic diversification. The calculated recombination parameters suggested that cross-fertilisation was rare in the history of the group. However, the relative rates of substitution in the coding sequences showed that positive selection (instead of purifying selection) drove the evolution of an elastase and neutrophil chemotaxis inhibitor gene (AgB/1). The phylogenetic analyses revealed several ambiguities, indicating that the taxonomic status of the E. granulosus horse strain should be revised

Frequency-dependent sexual selection with respect to offspring fitness returns is consistent with predictions from rock-paper-scissors dynamics in the European common lizard

Genetic polymorphism can be maintained over time by negative frequency-dependent (FD) selection induced by Rock-paper-scissors (RPS) social systems. RPS games produce cyclic dynamics, and have been suggested to exist in lizards, insects, isopods, plants, and bacteria. Sexual selection is predicted to accentuate the survival of the future progeny during negative FD survival selection. More specifically, females are predicted to select mates that produce progeny genotypes that exhibit highest survival during survival selection imposed by adult males. However, no empirical evidence demonstrates the existence of FD sexual selection with respect to fitness payoffs of genetic polymorphisms. Here we tested this prediction using the common lizard Zootoca vivipara, a species with three male color morphs (orange, white, yellow) that exhibit morph frequency cycles. In a first step we tested the congruence of the morph frequency change with the predicted change in three independent populations, differing in male color morph frequency and state of the FD morph cycle. Thereafter we ran standardized sexual selection assays in which we excluded alternative mechanisms that potentially induce negative FD selection, and we quantified inter-sexual behavior. The patterns of sexual selection and the observed behavior were in line with context-dependent female mate choice and male behavior played a minor role. Moreover, the strength of the sexual selection was within the magnitude of selection required to produce the observed 3-4-year and 6-8 year morph frequency cycles at low and high altitudes, respectively. In summary, the study provides the first experimental evidence that underpins the crucial assumption of the RPS games suggested to exist in lizards, insects, isopods, and plants; namely, that sexual selection produces negative-FD selection. This indicates that sexual selection, in our study exert by females, might be a crucial driver of the maintenance of genetic polymorphisms.

Selection of Beauveria bassiana and Metarhizium anisopliae Isolates to Control Triatoma infestans

Twenty three isolates of Beauveria bassiana and 13 isolates of Metarhizium anisopliae were tested on third instar nymphs of Triatoma infestans, a serious vector of Chagas disease. Pathogenicity tests at saturated humidity showed that this insect is very susceptible to fungal infection. At lower relative humidity (50%), conditions expected in the vector microhabitat, virulence was significantly different among isolates. Cumulative mortality 15 days after treatment varied from 17.5 to 97.5%, and estimates of 50% survival time varied from 6 to 11 days. Maintaining lower relative humidity, four B. bassiana and two M. anisopliae isolates were selected for analysis of virulence at different conidial concentrations and temperatures. Lethal concentrations sufficient to kill 50% of insects (LC50) varied from 7.1x105 to 4.3x106 conidia/ml, for a B. bassiana isolate (CG 14) and a M. anisopliae isolate (CG 491) respectively. Most isolates, particularly B. bassiana isolates CG 24 and CG 306, proved to be more virulent at 25 and 30°C, compared to 15 and 20°C. The differential virulence at 50% humidity observed among some B. bassiana isolates was not correlated to phenetic groups in cluster analysis of RAPD markers. In fact, the B. bassiana isolates analyzed presented a high homogeneity (> 73% similarity).