Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

Evaluation of molar weight and deacetylation degree of chitosan during chitin deacetylation reaction: Used to produce biofilm

Chitosan is a polysaccharide derived from chitin, mainly of crustacean shells and shrimp wastes. The utilization of chitosan is related to the molar weight and deacetylation degree of the biopolymer. The aim of this work is to study the chitin deacetylation reaction, by the viscosity average molar weight and deacetylation degree of chitosan as a function of reaction time. Deacetylation was carried out in concentrated alkaline solution, 421 g L−1, at 130◦C and the reaction occurred during 4 h. Chitosan paste obtained after 20, 90 and 240 min was used to produce biofilms, which were characterized according water vapor permeability and mechanical properties (tensile strength and percentage tensile elongation at break). During the reaction time deacetylation degree reached 93%, and a 50% reduction in the viscosity average molar weight value in relation to the value of the first 20 min of reaction was found Both reactions presented a kinetic behavior of the pseudo-first order. Biofilm produced from the paste of chitosan with high deacetylation degree showed higher water vapor permeability (WVP), tensile strength (TS) and elongation (E) when compared to films with a low deacetylation.

Engineering the transition from non-living to living matter

Re-creating and understanding the origin of life represents one of the major challenges facing the scientific community. We will never know exactly how life started on planet Earth, however, we can reconstruct the most likely chemical pathways that could have contributed to the formation of the first living systems. Traditionally, prebiotic chemistry has investigated the formation of modern life’s precursors and their self-organisation under very specific conditions thought to be ‘plausible’. So far, this approach has failed to produce a living system from the bottom-up. In the work presented herein, two different approaches are employed to explore the transition from inanimate to living matter. The development of microfluidic technology during the last decades has changed the way traditional chemical and biological experiments are performed. Microfluidics allows the handling of low volumes of reagents with very precise control. The use of micro-droplets generated within microfluidic devices is of particular interest to the field of Origins of Life and Artificial Life. Whilst many efforts have been made aiming to construct cell-like compartments from modern biological constituents, these are usually very difficult to handle. However, microdroplets can be easily generated and manipulated at kHz rates, making it suitable for high-throughput experimentation and analysis of compartmentalised chemical reactions. Therefore, we decided to develop a microfluidic device capable of manipulating microdroplets in such a way that they could be efficiently mixed, split and sorted within iterative cycles. Since no microfluidic technology had been developed before in the Cronin Group, the first chapter of this thesis describes the soft lithographic methods and techniques developed to fabricate microfluidic devices. Also, special attention is placed on the generation of water-in-oil microdroplets, and the subsequent modules required for the manipulation of the droplets such as: droplet fusers, splitters, sorters and single/multi-layer micromechanical valves. Whilst the first part of this thesis describes the development of a microfluidic platform to assist chemical evolution, finding a compatible set of chemical building blocks capable of reacting to form complex molecules with endowed replicating or catalytic activity was challenging. Abstract 10 Hence, the second part of this thesis focuses on potential chemistry that will ultimately possess the properties mentioned above. A special focus is placed on the formation of peptide bonds from unactivated amino acids, despite being one of the greatest challenges in prebiotic chemistry. As opposed to classic prebiotic experiments, in which a specific set of conditions is studied to fit a particular hypothesis, we took a different approach: we explored the effects of several parameters at once on a model polymerisation reaction, without constraints on hypotheses on the nature of optimum conditions or plausibility. This was facilitated by development of a new high-throughput automated platform, allowing the exploration of a much larger number of parameters. This led us to discover that peptide bond formation is less challenging than previously imagined. Having established the right set of conditions under which peptide bond formation was enhanced, we then explored the co-oligomerisation between different amino acids, aiming for the formation of heteropeptides with different structure or function. Finally, we studied the effect of various environmental conditions (rate of evaporation, presence of salts or minerals) in the final product distribution of our oligomeric products.

Active site engineering for heterogeneous catalysis using emerging nano-structured materials

The growing concern about the depletion of oil has spurred worldwide interest in finding alternative feedstocks for important petrochemical commodities and fuels. On the one hand, the enormous re-serves found (208 trillion cubic feet proven1), environmental sustainability and lower overall costs point to natural gas as the primary source for energy and chemicals in the near future.2 Nowadays the transformation of methane into useful chemicals and liquid fuels is only feasible via synthesis gas, a mixture of molecular hydrogen and carbon monoxide, that is further transformed to methanol or to hydrocarbons under moderate reaction conditions (150-350 °C and 10-100 bar).3 For a major cost reduction and in order to valorize small natural gas sources, either more efficient "syngas to products" catalysts should be produced or the manner in which methane is initially activated should be changed, ideally by developing catalysts able to directly oxidize methane to interesting products such as methanol. On the other hand, from the point of view of CO2 emissions, the use of the re-maining fossil resources will further contribute to global warming. In this scenario, the development of efficient routes for the transformation of CO2 into useful chemicals and fuels would represent a considerable step forward towards sustainability. Indeed, the environmental and economic incen-tives to develop processes for the conversion of CO2 into fuels and chemicals are great. However, for such conversions to become economically feasible, considerable research is necessary. In this lecture we will summarize our recent efforts into the design of new catalytic systems, based on MOFs and COFs, to address these challenges. Examples include the development of new Fe based FTS catalysts, electrocatalysts for the selective conversion of CO2 into syngas, the development of efficient catalysts for the utilization of formic acid as hydrogen storage vector and the development of new enzyme inspired systems for the direct transformation of methane to methanol under mild reaction conditions. References (1) http://www.clearonmoney.com/dw/doku.php?id=public:natural_gas_reserves. (2) Derouane, E. G.; Parmon, V.; Lemos, F.; Ribeiro, F. R. Sustainable Strategies for the Up-grading of Natural Gas: Fundamentals, Challenges, and Opportunities; Springer, 2005. (3) Rofer-DePoorter, C. K. Chemical Reviews. ACS Publications 1981, pp 447–474.

Improving photofermentative hydrogen production through metabolic engineering and DOE (Design of Experiments)

A l’heure actuelle, les biocarburants renouvelables et qui ne nuit pas à l'environnement sont à l'étude intensive en raison de l'augmentation des problèmes de santé et de la diminution des combustibles fossiles. H2 est l'un des candidats les plus prometteurs en raison de ses caractéristiques uniques, telles que la densité d'énergie élevée et la génération faible ou inexistante de polluants. Une façon attrayante pour produire la H2 est par les bactéries photosynthétiques qui peuvent capter l'énergie lumineuse pour actionner la production H2 avec leur système de nitrogénase. L'objectif principal de cette étude était d'améliorer le rendement de H2 des bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses utilisant une combinaison de génie métabolique et le plan des expériences. Une hypothèse est que le rendement en H2 pourrait être améliorée par la redirection de flux de cycle du Calvin-Benson-Bassham envers du système de nitrogénase qui catalyse la réduction des protons en H2. Ainsi, un PRK, phosphoribulose kinase, mutant « knock-out » de Rhodobacter capsulatus JP91 a été créé. L’analyse de la croissance sur des différentes sources de carbone a montré que ce mutant ne peut croître qu’avec l’acétate, sans toutefois produire d' H2. Un mutant spontané, YL1, a été récupéré qui a retenu l'cbbP (codant pour PRK) mutation d'origine, mais qui avait acquis la capacité de se développer sur le glucose et produire H2. Une étude de la production H2 sous différents niveaux d'éclairage a montré que le rendement d’YL1 était de 20-40% supérieure à la souche type sauvage JP91. Cependant, il n'y avait pas d'amélioration notable du taux de production de H2. Une étude cinétique a montré que la croissance et la production d'hydrogène sont fortement liées avec des électrons à partir du glucose principalement dirigés vers la production de H2 et la formation de la biomasse. Sous des intensités lumineuses faibles à intermédiaires, la production d'acides organiques est importante, ce qui suggère une nouvelle amélioration additionnel du rendement H2 pourrait être possible grâce à l'optimisation des processus. Dans une série d'expériences associées, un autre mutant spontané, YL2, qui a un phénotype similaire à YL1, a été testé pour la croissance dans un milieu contenant de l'ammonium. Les résultats ont montré que YL2 ne peut croître que avec de l'acétate comme source de carbone, encore une fois, sans produire de H2. Une incubation prolongée dans les milieux qui ne supportent pas la croissance de YL2 a permis l'isolement de deux mutants spontanés secondaires intéressants, YL3 et YL4. L'analyse par empreint du pied Western a montré que les deux souches ont, dans une gamme de concentrations d'ammonium, l'expression constitutive de la nitrogénase. Les génomes d’YL2, YL3 et YL4 ont été séquencés afin de trouver les mutations responsables de ce phénomène. Fait intéressant, les mutations de nifA1 et nifA2 ont été trouvés dans les deux YL3 et YL4. Il est probable qu'un changement conformationnel de NifA modifie l'interaction protéine-protéine entre NifA et PII protéines (telles que GlnB ou GlnK), lui permettant d'échapper à la régulation par l'ammonium, et donc d'être capable d'activer la transcription de la nitrogénase en présence d'ammonium. On ignore comment le nitrogénase synthétisé est capable de maintenir son activité parce qu’en théorie, il devrait également être soumis à une régulation post-traductionnelle par ammonium. Une autre preuve pourrait être obtenue par l'étude du transcriptome d’YL3 et YL4. Une première étude sur la production d’ H2 par YL3 et YL4 ont montré qu'ils sont capables d’une beaucoup plus grande production d'hydrogène que JP91 en milieu d'ammonium, qui ouvre la porte pour les études futures avec ces souches en utilisant des déchets contenant de l'ammonium en tant que substrats. Enfin, le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec la bactérie photosynthétique, Rhodopseudomonas palustris CGA009 a été examiné. La production d'éthanol avec fermentation utilisant des ressources renouvelables microbiennes a été traitée comme une technique mature. Cependant, la plupart des études du reformage de l'éthanol à H2 se sont concentrés sur le reformage chimique à la vapeur, ce qui nécessite généralement une haute charge énergetique et résultats dans les émissions de gaz toxiques. Ainsi le reformage biologique de l'éthanol à H2 avec des bactéries photosynthétiques, qui peuvent capturer la lumière pour répondre aux besoins énergétiques de cette réaction, semble d’être plus prometteuse. Une étude précédente a démontré la production d'hydrogène à partir d'éthanol, toutefois, le rendement ou la durée de cette réaction n'a pas été examiné. Une analyse RSM (méthode de surface de réponse) a été réalisée dans laquelle les concentrations de trois facteurs principaux, l'intensité lumineuse, de l'éthanol et du glutamate ont été variés. Nos résultats ont montré que près de 2 moles de H2 peuvent être obtenus à partir d'une mole d'éthanol, 33% de ce qui est théoriquement possible.

A-REIT seasoned equity offerings : determinants and market reaction

The paper examines the decision by Australian Real Estate Trusts (A-REITs) to issue seasoned equity offerings from 2000 - 2008 and stock market reaction to the offerings using panel data and event study methodologies, respectively. The global financial crisis has resulted in freezing of the Australian bond markets, with several A-REITs left with seasoned equity issuance and asset sales as the only viable modes of raising additional capital. The findings review that leverage and operating risk are negative significant determinants of seasoned equity offerings; profitability and growth opportunities are positive significant determinants. Of the structure and type of properties held by the A-REIT, only stapled management structure and international operations are significant determinants. Type of properties held by A-REITs show inconsistent results. Similar to previous studies of seasoned equity offerings, we find a significant negative abnormal return associated with their announcement and no evidence of excessive leakage of information. Cross-sectional regressions show that the issued amount raised and leverage are significant factors affecting abnormal returns.

Nonlinear control of the Reaction Wheel Pendulum

In this paper we introduce the Reaction Wheel Pendulum, a novel mechanical system consisting of a physical pendulum with a rotating bob. This system has several attractive features both from a pedagogical standpoint and from a research standpoint. From a pedagogical standpoint, the dynamics are the simplest among the various pendulum experiments available so that the system can be introduced to students earlier in their education. At the same time, the system is nonlinear and underactuated so that it can be used as a benchmark experiment to study recent advanced methodologies in nonlinear control, such as feedback linearization, passivity methods, backstepping and hybrid control. In this paper we discuss two control approaches for the problems of swingup and balance, namely, feedback linearization and passivity based control. We first show that the system is locally feedback linearizable by a local diffeomorphism in state space and nonlinear feedback. We compare the feedback linearization control with a linear pole-placement control for the problem of balancing the pendulum about the inverted position. For the swingup problem we discuss an energy approach based on collocated partial feedback linearization, and passivity of the resulting zero dynamics. A hybrid/switching control strategy is used to switch between the swingup and the balance control. Experimental results are presented.

Fabrication using a rapid prototyping system and in vitro characterization of PEG-PCL-PLA scaffolds for tissue engineering

n the field of tissue engineering new polymers are needed to fabricate scaffolds with specific properties depending on the targeted tissue. This work aimed at designing and developing a 3D scaffold with variable mechanical strength, fully interconnected porous network, controllable hydrophilicity and degradability. For this, a desktop-robot-based melt-extrusion rapid prototyping technique was applied to a novel tri-block co-polymer, namely poly(ethylene glycol)-block-poly(epsi-caprolactone)-block-poly(DL-lactide), PEG-PCL-P(DL)LA. This co-polymer was melted by electrical heating and directly extruded out using computer-controlled rapid prototyping by means of compressed purified air to build porous scaffolds. Various lay-down patterns (0/30/60/90/120/150°, 0/45/90/135°, 0/60/120° and 0/90°) were produced by using appropriate positioning of the robotic control system. Scanning electron microscopy and micro-computed tomography were used to show that 3D scaffold architectures were honeycomb-like with completely interconnected and controlled channel characteristics. Compression tests were performed and the data obtained agreed well with the typical behavior of a porous material undergoing deformation. Preliminary cell response to the as-fabricated scaffolds has been studied with primary human fibroblasts. The results demonstrated the suitability of the process and the cell biocompatibility of the polymer, two important properties among the many required for effective clinical use and efficient tissue-engineering scaffolding.

Bioreactor Systems for Tissue Engineering

The hydrodynamic environment “created” by bioreactors for the culture of a tissue engineered construct (TEC) is known to influence cell migration, proliferation and extra cellular matrix production. However, tissue engineers have looked at bioreactors as black boxes within which TECs are cultured mainly by trial and error, as the complex relationship between the hydrodynamic environment and tissue properties remains elusive, yet is critical to the production of clinically useful tissues. It is well known in the chemical and biotechnology field that a more detailed description of fluid mechanics and nutrient transport within process equipment can be achieved via the use of computational fluid dynamics (CFD) technology. Hence, the coupling of experimental methods and computational simulations forms a synergistic relationship that can potentially yield greater and yet, more cohesive data sets for bioreactor studies. This review aims at discussing the rationale of using CFD in bioreactor studies related to tissue engineering, as fluid flow processes and phenomena have direct implications on cellular response such as migration and/or proliferation. We conclude that CFD should be seen by tissue engineers as an invaluable tool allowing us to analyze and visualize the impact of fluidic forces and stresses on cells and TECs.

Fumaric acid monoethyl ester-functionalized poly(D,L-Lactide)/N-vinyl-2- pyrrolidone Resins for the preparation of tissue engineering scaffolds by stereolithography

Polymer networks were prepared by photocross-linking fumaric acid monoethyl ester (FAME) functionalized, three-armed poly(D,L-lactide) oligomers using Af-vinyl-2-pyrrolidone (NVP) as diluent and comonomer. The use of NVP together with FAME-functionalized oligomers resulted in copolymerization at high rates, and networks with gel contents in excess of 90 were obtained. The hydrophilicity of the poly(D,L-lactide) networks increases with increasing amounts of NVP, networks containing 50 wt of NVP absorbed 40 of water. As the amount of NVP was increased from 30 to 50 wt , the Young's modulus after equilibration in water decreased from 0.8 to 0.2 GPa, as opposed to an increase from 1.5 to 2.1 GPa in the dry state. Mouse preosteoblasts readily adhered and spread onto all prepared networks. Using stereolithography, porous structures with a well-defined gyroid architecture were prepared from these novel materials. This allows the preparation of tissue engineering scaffolds with optimized pore architecture and tunable material properties.

An analytical method to solve a general class of nonlinear reactive transport models

Three recent papers published in Chemical Engineering Journal studied the solution of a model of diffusion and nonlinear reaction using three different methods. Two of these studies obtained series solutions using specialized mathematical methods, known as the Adomian decomposition method and the homotopy analysis method. Subsequently it was shown that the solution of the same particular model could be written in terms of a transcendental function called Gauss’ hypergeometric function. These three previous approaches focused on one particular reactive transport model. This particular model ignored advective transport and considered one specific reaction term only. Here we generalize these previous approaches and develop an exact analytical solution for a general class of steady state reactive transport models that incorporate (i) combined advective and diffusive transport, and (ii) any sufficiently differentiable reaction term R(C). The new solution is a convergent Maclaurin series. The Maclaurin series solution can be derived without any specialized mathematical methods nor does it necessarily involve the computation of any transcendental function. Applying the Maclaurin series solution to certain case studies shows that the previously published solutions are particular cases of the more general solution outlined here. We also demonstrate the accuracy of the Maclaurin series solution by comparing with numerical solutions for particular cases.