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.

The typic in Kant’s critique of practical reason : moral judgment and symbolic representation

Comment pouvons-nous représenter un principe moral universel de manière à le rendre applicable à des cas concrets ? Ce problème revêt une forme aiguë dans la philosophie morale d’Emmanuel Kant (1724-1804), tout particulièrement dans sa théorie du jugement moral, car il soutient que l’on doit appliquer la loi morale « suprasensible » à des actions dans le monde sensible afin de déterminer celles-ci comme moralement bonnes ou mauvaises. Kant aborde ce problème dans un chapitre de la Critique de la raison pratique (1788) intitulé « De la typique de la faculté de juger pratique pure » (KpV 5: 67-71). La première partie de la thèse vise à fournir un commentaire compréhensif et détaillé de ce texte important, mais trop peu étudié. Étant donné que la loi morale, en tant qu’Idée suprasensible de la raison, ne peut pas être appliquée directement à des actions dans l’intuition sensible, Kant a recours à une forme particulière de représentation indirecte et symbolique. Sa solution inédite consiste à fournir la faculté de juger avec un « type [Typus] », ou analogue formel, de la loi morale. Ce type est la loi de la causalité naturelle : en tant que loi, il sert d’étalon formel pour tester l’universalisabilité des maximes ; et, en tant que loi de la nature, il peut aussi s’appliquer à toute action dans l’expérience sensible. Dès lors, le jugement moral s’effectue par le biais d’une expérience de pensée dans laquelle on se demande si l’on peut vouloir que sa maxime devienne une loi universelle d’une nature contrefactuelle dont on ferait soi-même partie. Cette expérience de pensée fonctionne comme une « épreuve [Probe] » de la forme des maximes et, par ce moyen, du statut moral des actions. Kant soutient que tout un chacun, même « l’entendement le plus commun », emploie cette procédure pour l’appréciation morale. De plus, la typique prémunit contre deux menaces à l’éthique rationaliste de Kant, à savoir l’empirisme (c’est-à-dire le conséquentialisme) et le mysticisme. La seconde partie de la thèse se penche sur l’indication de Kant que la typique « ne sert que comme un symbole ». Un bon nombre de commentateurs ont voulu assimiler la typique à la notion d’« hypotypose symbolique » présentée dans le § 59 de la Critique de la faculté de juger (1790). La typique serait un processus de symbolisation esthétique consistant à présenter, de façon indirecte, la représentation abstraite de la loi morale sous la forme d’un symbole concret et intuitif. Dans un premier chapitre, cette interprétation est présentée et soumise à un examen critique qui cherche à montrer qu’elle est erronée et peu judicieuse. Dans le second chapitre, nous poursuivons une voie d’interprétation jusqu’ici ignorée, montrant que la typique a de plus grandes continuités avec la notion d’« anthropomorphisme symbolique », une procédure strictement analogique introduite auparavant dans les Prolégomènes (1783). Nous en concluons, d’une part, que la typique fut un moment décisif dans l’évolution de la théorie kantienne de la représentation symbolique et que, d’autre part, elle marque la réalisation, chez Kant, d’une conception proprement critique de la nature et de la morale comme deux sphères distinctes, dont la médiation s’opère par le biais des concepts de loi et de conformité à la loi (Gesetzmässigkeit). En un mot, la typique s’avère l’instrument par excellence du « rationalisme de la faculté de juger ».

Algebraic Geometric Codes and their relation to Cryptography using Elliptic Curves

Communication is the process of transmitting data across channel. Whenever data is transmitted across a channel, errors are likely to occur. Coding theory is a stream of science that deals with finding efficient ways to encode and decode data, so that any likely errors can be detected and corrected. There are many methods to achieve coding and decoding. One among them is Algebraic Geometric Codes that can be constructed from curves. Cryptography is the science ol‘ security of transmitting messages from a sender to a receiver. The objective is to encrypt message in such a way that an eavesdropper would not be able to read it. A eryptosystem is a set of algorithms for encrypting and decrypting for the purpose of the process of encryption and decryption. Public key eryptosystem such as RSA and DSS are traditionally being prel‘en‘ec| for the purpose of secure communication through the channel. llowever Elliptic Curve eryptosystem have become a viable altemative since they provide greater security and also because of their usage of key of smaller length compared to other existing crypto systems. Elliptic curve cryptography is based on group of points on an elliptic curve over a finite field. This thesis deals with Algebraic Geometric codes and their relation to Cryptography using elliptic curves. Here Goppa codes are used and the curves used are elliptic curve over a finite field. We are relating Algebraic Geometric code to Cryptography by developing a cryptographic algorithm, which includes the process of encryption and decryption of messages. We are making use of fundamental properties of Elliptic curve cryptography for generating the algorithm and is used here to relate both.

A computer-algebraic approach to the study of the symmetry properties of molecules and clusters

This thesis work is dedicated to use the computer-algebraic approach for dealing with the group symmetries and studying the symmetry properties of molecules and clusters. The Maple package Bethe, created to extract and manipulate the group-theoretical data and to simplify some of the symmetry applications, is introduced. First of all the advantages of using Bethe to generate the group theoretical data are demonstrated. In the current version, the data of 72 frequently applied point groups can be used, together with the data for all of the corresponding double groups. The emphasize of this work is placed to the applications of this package in physics of molecules and clusters. Apart from the analysis of the spectral activity of molecules with point-group symmetry, it is demonstrated how Bethe can be used to understand the field splitting in crystals or to construct the corresponding wave functions. Several examples are worked out to display (some of) the present features of the Bethe program. While we cannot show all the details explicitly, these examples certainly demonstrate the great potential in applying computer algebraic techniques to study the symmetry properties of molecules and clusters. A special attention is placed in this thesis work on the flexibility of the Bethe package, which makes it possible to implement another applications of symmetry. This implementation is very reasonable, because some of the most complicated steps of the possible future applications are already realized within the Bethe. For instance, the vibrational coordinates in terms of the internal displacement vectors for the Wilson's method and the same coordinates in terms of cartesian displacement vectors as well as the Clebsch-Gordan coefficients for the Jahn-Teller problem are generated in the present version of the program. For the Jahn-Teller problem, moreover, use of the computer-algebraic tool seems to be even inevitable, because this problem demands an analytical access to the adiabatic potential and, therefore, can not be realized by the numerical algorithm. However, the ability of the Bethe package is not exhausted by applications, mentioned in this thesis work. There are various directions in which the Bethe program could be developed in the future. Apart from (i) studying of the magnetic properties of materials and (ii) optical transitions, interest can be pointed out for (iii) the vibronic spectroscopy, and many others. Implementation of these applications into the package can make Bethe a much more powerful tool.

Embodiment and Manipulation Learning Process for a Humanoid Hand

Babies are born with simple manipulation capabilities such as reflexes to perceived stimuli. Initial discoveries by babies are accidental until they become coordinated and curious enough to actively investigate their surroundings. This thesis explores the development of such primitive learning systems using an embodied light-weight hand with three fingers and a thumb. It is self-contained having four motors and 36 exteroceptor and proprioceptor sensors controlled by an on-palm microcontroller. Primitive manipulation is learned from sensory inputs using competitive learning, back-propagation algorithm and reinforcement learning strategies. This hand will be used for a humanoid being developed at the MIT Artificial Intelligence Laboratory.

Differential effects of thyroid hormone manipulation and ß adrenoceptor agonist administration on uncoupling protein mRNA abundance in adipose tissue and thermoregulation in neonatal pigs

We have shown that there is significant disparity in the expression of uncoupling proteins (UCP) 2 and 3 between modern-commercial and ancient-Meishan porcine genotypes, commercial pigs also have higher plasma triiodothyronine (T(3)) in on the first day of life. T(3) and the sympathetic nervous system are both known to regulate UCPs in rodents and humans; their role in regulating these proteins in the pig is unknown. This study examined whether thyroid hormone manipulation or administration of a selective beta3 adrenoceptor agonist (ZD) influenced plasma hormones, colonic temperature and UCP expression in adipose tissue of two breeds of pig. To mimic the differences observed in thyroid hormone status, piglets from Meishan and commercial litters were randomly assigned to control (1 ml/kg water), T(3) (10 mg/kg) (Meishan only), methimazole (a commonly used antithyroid drug) (50 mg/kg) (commercial only) or ZD (10 mg/kg) oral administration for the first 4 days of postnatal life. Adipose tissue UCP2/3 mRNA abundance was measured on day 4 using PCR. T(3) administration raised plasma T(3) concentrations and increased colonic temperature on day 4. UCP3 mRNA abundance was higher in Meishan, than commercial piglets (p = 0.042) and was downregulated following T(3) administration (p = 0.014). Irrespective of genotype, ZD increased UCP2 mRNA abundance (Meishan p = 0.05, commercial p = 0.03). Expression of neither UCP2 nor 3 was related to colonic temperature, regardless of treatment. In conclusion, we have demonstrated a dissociation between thyroid hormones and the sympathetic nervous system in the regulation of UCPs in porcine adipose tissue. We have also suggested that expression of adipose tissue UCP2 and 3 are not related to body temperature in piglets.

Successful manipulation of the quality and quantity of fat and carbohydrate consumed by free-living individuals using a food exchange model

Our objective in this study was to develop and implement an effective intervention strategy to manipulate the amount and composition of dietary fat and carbohydrate (CHO) in free-living individuals in the RISCK study. The study was a randomized, controlled dietary intervention study that was conducted in 720 participants identified as higher risk for or with metabolic syndrome. All followed a 4-wk run-in reference diet [high saturated fatty acids (SF)/high glycemic index (GI)]. Volunteers were randomized to continue this diet for a further 24 wk or to I of 4 isoenergetic prescriptions [high monounsaturated fatty acids (MUFA)/high GI; high MUFA/low GI; low fat (LF)/high GI; and LF/low GI]. We developed a food exchange model to implement each diet. Dietary records and plasma phospholipid fatty acids were used to assess the effectiveness of the intervention strategy. Reported fat intake from the LF diets was significantly reduced to 28% of energy (%E) compared with 38% E from the HM and LF diets. SF intake was successfully decreased in the HM and LF diets was similar to 10% E compared with 17% E in the reference diet (P = 0.001). Dietary MUFA in the HIM diets was similar to 17% E, significantly higher than in the reference (12% E) and LF diets (10% E) (P = 0.001). Changes in plasma phospholipid fatty acids provided further evidence for the successful manipulation of fat intake. The GI of the HGI and LGI arms differed by similar to 9 points (P = 0.001). The food exchange model provided an effective dietary strategy for the design and implementation across multiple sites of 5 experimental diets with specific targets for the proportion of fat and CHO. J. Nutr. 139: 1534-1540, 2009.

ApoE genotype, cardiovascular risk and responsiveness to dietary fat manipulation

Cardiovascular risk is determined by the complex interactions between genetic and environmental factors. The apoE genotype represents the most-widely-studied single nucleotide polymorphism in relation to CVD risk, with >3600 publications cited in PubMed. Although originally described as a mediator of lipoprotein metabolism, the lipoprotein-independent functions of apoE are being increasingly recognised, with limited data available on the potential impact of genotype on these metabolic processes. Furthermore, although meta-analyses suggest that apoE4 carriers may have a 40-50% increased CVD risk, the associations reported in individual studies are highly heterogeneous and it is recognised that environmental factors such as smoking status and dietary fat composition influence genotype-phenotype associations. However, information is often derived from observational studies or small intervention trials in which retrospective genotyping of the cohort results in small group sizes in the rarer E2 and E4 subgroups. Either larger well-standardised intervention trials or smaller trials with prospective recruitment according to apoE genotype are needed to fully establish the impact of diet on genotype-CVD associations and to establish the potential of dietary strategies such as reduced total fat, saturated fat, or increased antioxidant intakes to counteract the increased CVD burden in apoE4 carriers.

Dietary manipulation of fatty acid composition in lamb meat and its effect on the volatile aroma compounds of grilled lamb

The effect on lamb muscle of five dietary supplements high in polyunsaturated fatty acids (PUFA) was measured. The supplements were linseed oil, fish oil, protected lipid (high in linoleic acid (C18:2 n-6) and alpha-linolenic acid (C18:3 n-3)), fish oil/marine algae (1:1), and protected lipid/marine algae (1:1). Eicosapentaenoic acid (C20:5 n-3) and docosahexaenoic acid (C22:6 n-3) were found in the highest amounts in the meat from lambs fed diets containing algae. Meat from lambs fed protected lipid had the highest levels of C18:2 n-6 and C18:3 n-3, due to the effectiveness of the protection system. In grilled meat from these animals, volatile compounds derived from n-3 fatty acids were highest in the meat from the lambs fed the fish oil/algae diet, whereas compounds derived from n-6 fatty acids were highest in the meat from the lambs fed the protected lipid diet. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Force distribution in manipulation by a robot hand with equality and inequality constraints

The problem of the appropriate distribution of forces among the fingers of a four-fingered robot hand is addressed. The finger-object interactions are modelled as point frictional contacts, hence the system is indeterminate and an optimal solution is required for controlling forces acting on an object. A fast and efficient method for computing the grasping and manipulation forces is presented, where computation has been based on using the true model of the nonlinear frictional cone of contact. Results are compared with previously employed methods of linearizing the cone constraints and minimizing the internal forces.