Effect of ATP and 2-oxoglutarate on the in vitro interaction between the NifA GAF domain and the GlnB protein of Azospirillum brasilense

Azospirillum brasilense is a diazotroph that associates with important agricultural crops and thus has potential to be a nitrogen biofertilizer. The A. brasilense transcription regulator NifA, which seems to be constitutively expressed, activates the transcription of nitrogen fixation genes. It has been suggested that the nitrogen status-signaling protein GlnB regulates NifA activity by direct interaction with the NifA N-terminal GAF domain, preventing the inhibitory effect of this domain under conditions of nitrogen fixation. In the present study, we show that an N-terminal truncated form of NifA no longer required GlnB for activity and lost regulation by ammonium. On the other hand, in trans co-expression of the N-terminal GAF domain inhibited the N-truncated protein in response to fixed nitrogen levels. We also used pull-down assays to show in vitro interaction between the purified N-terminal GAF domain of NifA and the GlnB protein. The results showed that A. brasilense GlnB interacts directly with the NifA N-terminal domain and this interaction is dependent on the presence of ATP and 2-oxoglutarate.

Effect of point mutations on Herbaspirillum seropedicae NifA activity

NifA is the transcriptional activator of the nif genes in Proteobacteria. It is usually regulated by nitrogen and oxygen, allowing biological nitrogen fixation to occur under appropriate conditions. NifA proteins have a typical three-domain structure, including a regulatory N-terminal GAF domain, which is involved in control by fixed nitrogen and not strictly required for activity, a catalytic AAA+ central domain, which catalyzes open complex formation, and a C-terminal domain involved in DNA-binding. In Herbaspirillum seropedicae, a β-proteobacterium capable of colonizing Graminae of agricultural importance, NifA regulation by ammonium involves its N-terminal GAF domain and the signal transduction protein GlnK. When the GAF domain is removed, the protein can still activate nif genes transcription; however, ammonium regulation is lost. In this work, we generated eight constructs resulting in point mutations in H. seropedicae NifA and analyzed their effect on nifH transcription in Escherichia coli and H. seropedicae. Mutations K22V, T160E, M161V, L172R, and A215D resulted in inactive proteins. Mutations Q216I and S220I produced partially active proteins with activity control similar to wild-type NifA. However, mutation G25E, located in the GAF domain, resulted in an active protein that did not require GlnK for activity and was partially sensitive to ammonium. This suggested that G25E may affect the negative interaction between the N-terminal GAF domain and the catalytic central domain under high ammonium concentrations, thus rendering the protein constitutively active, or that G25E could lead to a conformational change comparable with that when GlnK interacts with the GAF domain.

Spirulina platensis: process optimization to obtain biomass

Spirulina platensis is a photoautotrophic mesophilic cyanobacterium. Its main sources of nutrients are nitrate, urea, and ammonium salts. Spirulina cultivation requires temperature, light intensity, and nutrient content control. This microalgae has been studied and used commercially due to its therapeutic and antioxidant potential. In addition, several studies have reported its ability to use CO2, its immune activity, and use as an adjuvant nutritive factor in the treatment of obesity. The objective of this study is the production of biomass of S. platensis using different rates of stirring, nitrogen source, amount of micronutrients, and luminosity. A 2(4) experimental design with the following factors: stirring (120 and 140 RPM), amount of nitrogen (1.5 and 2.5 g/L), amount of micronutrients (0,25 and 0,75 mL/L) (11 and 15 W), and luminosity was used. Fermentation was performed in a 500 mL conical flask with 250 mL of culture medium and 10% inoculum in an incubator with controlled stirring and luminosity. Fermentation was monitored using a spectrophotometer (560 nm), and each fermentation lasted 15 days. Of the parameters studied, luminosity is the one with the highest significance, followed by the amount of nitrogen and the interaction between stirring and micronutrients. Maximum production of biomass for 15 days was 2.70 g/L under the following conditions: luminosity15W; stirring, 120 RPM; source of nitrogen, 1.5 g/L; and micronutrients, 0.75 mL/L.

Veden puhdistus mikro-organismisovelluksilla (EM Mudball®)

Vesistöjen rehevöityminen on maailmanlaajuinen ongelma. ”Effective microorganisms (EM)” -teknologian väitetään mahdollistavan ravinteiden poiston vesistä luonnonmukaisten mikro-organismien avulla. Työn tavoitteena on selvittää kyseistä teknologiaa hyödyntävien EM-mutapallojen soveltuvuutta suomalaisten luonnonvesien sekä jätevesien ravinteiden poistamiseen. Kirjallisuusosassa selitettiin EM-teknologian toimintaperiaate sekä esitettiin EM-mutapallojen koostumus. Tässä osassa selvitettiin myös teknologian käyttökohteita. Lisäksi perehdyttiin Suomen vesistöjen tilanteeseen sekä EM-teknologian mahdollisiin hyödyntämiskohteisiin. Kokeellisessa osassa seurattiin 6 eri vesinäytteen ravinnepitoisuuksien muutosta EM-mutapallon käytön aikana. Osaa näytteistä säilytettiin jääkaapissa, jotta päästiin lähemmäs Suomessa vallitsevia olosuhteita. Analysoidut ravinteet olivat nitraatti, sulfaatti, fosfaatti ja typpi. Tuloksien mukaan EM-mutapallojen käyttö poisti pääsääntöisesti vesinäytteistä nitraatin. Sulfaatin poisto sen sijaan oli huomattavasti heikompaa. Paria näytettä lukuun ottamatta sulfaattipitoisuudet eivät laskeneet lähtökonsentraation alle, vaikka ajoittaista laskua tapahtuikin. Fosfaattipitoisuudet näytteissä olivat yleisesti hyvin pieniä, eivätkä ylittäneet määritysrajaa kokeen aikana ollenkaan. Ainoastaan fosfaattia sisältäneessä synteettisessä näytteessä tapahtui fosfaattipitoisuuden laskua, joka kuitenkin palautui lähes alkuperäiselle tasolle koejakson lopussa. Näytteiden typpipitoisuuksien kasvun aiheutti käymistuotteena muodostuva ammonium, jonka takia myös näytteiden pH nousi. Kokeet vahvistavat aiempia tutkimustuloksia, joiden mukaan EM-mutapallo hajoaa kahden viikon kuluttua niiden lisäämisestä vesinäytteisiin. Aikaisemmista tutkimuksista poiketen tämän kokeen mukaan EM-mutapallot näyttäisivät toimivan paremmin viileämmässä lämpötilassa. Kokeen perusteella EM-teknologian hyödyntäminen voisi olla potentiaalinen vaihtoehto tulevaisuudessa Suomen vesistöjen nitraatin poistoon.

The effects of plants(Typha Latifolia)and root-bed medium on the treatment of domestic sewage within a vertical flow constructed wetland /

The effect that plants {Typha latifolia) as well as root-bed medium physical and chemical characteristics have on the treatment of primary treated domestic wastewater within a vertical flow constructed wetland system was investigated. Five sets of cells, with two cells in each set, were used. Each cell was made of concrete and measured 1 .0 m X 1 .0 m and was 1.3 m deep. Four different root-bed media were tested : Queenston Shale, Fonthill Sand, Niagara Shale and a Michigan Sand. Four of the sets contained plants and a single type of root-bed medium. The influence of plants was tested by operating a Queenston Shale set without plants. Due to budget constraints no replicates were constructed. All of the sets were operated independently and identically for twenty-eight months. Twelve months of data are presented here, collected after 16 months of continuous operation. Root-bed medium type did not influence BOD5 removal. All of the sets consistently met Ontario Ministry of Environment (MOE) requirements (<25 mg/L) for BOD5 throughout the year. The 12 month average BOD5 concentration from all sets with plants was below 2.36 mg/L. All of the sets were within MOE discharge requirements (< 25 mg/L) for suspended solids with set effluent concentrations ranging from 1.53 to 14.80 mg/L. The Queenston Shale and Fonthill Sand media removed the most suspended solids while the Niagara Shale set produced suspended solids. The set containing Fonthill Sand was the only series to meet MOE discharge requirements (< Img/L) for total phosphorus year-round with a twelve month mean effluent concentration of 0.23 mg/L. Year-round all of the root-bed media were well below MOE discharge requirements (< 20mg/L in winter and < 10 mg/L in sumnner) for ammonium. The Queenston Shale and Fonthill Sand sets removed the most total nitrogen. Plants had no effect on total nitrogen removal, but did influence how nitrogen was cycled within the system. Plants increased the removal of suspended solids by 14%, BOD5 by 10% and total phosphorus by 22%. Plants also increased the amount of dissolved oxygen that entered the system. During the plant growing season removal of total phosphorus was better in all sets with plants regardless of media type. The sets containing Queenston Shale and Fonthill Sand media achieved the best results and plants in the Queenston Shale set increased treatment efficiency for every parameter except nitrogen. Vertical flow wetland sewage treatment systems can be designed and built to consistently meet MOE discharge requirements year-round for BOD5, suspended solids, total phosphorus and ammonium. This system Is generally superior to the free water systems and sub-surface horizontal flow systems in cold climate situations.

Asymmetric hydrogenation of alkenes with cationic iridium(I) complexes of 2-phosphino-1-aminoferrocene ligands

Iridium complexes with bidentate P,N ligands represent a class of catalysts that significantly expand the application range of asymmetric hydrogenation. New substrate classes, for which there have previously been no suitable catalysts, can now be efficiently hydrogenated in high conversion and enantioselectivity. These substrates are often of synthetic importance, thus iridium catalysis represents a significant advance in the field of asymmetric catalysis. Planar chiral ferrocenyl aminophosphine ligands in which both heteroatoms were directly bound to the cyclopentadienyl ring were prepared by BF3-activated lithiationsubstitution in the presence of a chiral diamine in 49-59% yield and 75-85% enantiomeric excess. Some of these ligands were recrystallized to enantiomeric purity via ammonium fluoroborate salt formation of the phosphine sulfide. A crystal structure of one of these compounds was obtained and features an intramolecular hydrogen bond between the nitrogen, hydrogen, and sulfur atoms. Neutralization, followed by desulfurization, provided the free ligands in enantiomeric purity. Iridium complexes with these ligands were formed via reaction with [Ir(COD)Clh followed by anion exchange with NaBArF. These complexes were successfully applied in homogeneous hydrogenation of several prochiral substrates, providing products in up to 92% enantiomeric excess. Variation of the dimethyl amino group to a pyrrolidine group had a negative effect on the selectivity of hydrogenation. Variation of the substituents on phosphorus to bulkier ortho-tolyl groups had a positive effect, while variation to the more electron rich dicyclohexyl phosphine had a negative effect on selectivity.

Trading nitrogen for carbon: Nitrogen and carbon translocation in a plant/fungal (Metarhizium spp.) symbiosis

While nitrogen is critical for all plants, they are unable to utilize organically bound nitrogen in soils. Therefore, the majority of plants obtain useable nitrogen through nitrogen fixing bacteria and the microbial decomposition of organic matter. In the majority of cases, symbiotic microorganisms directly furnish plant roots with inorganic forms of nitrogen. More than 80% of all land plants form intimate symbiotic relationships with root colonizing fungi. These common plant/fungal interactions have been defined largely through nutrient exchange, where the plant receives limiting soil nutrients, such as nitrogen, in exchange for plant derived carbon. Fungal endophytes are common plant colonizers. A number of these fungal species have a dual life cycle, meaning that they are not solely plant colonizers, but also saprophytes, insect pathogens, or plant pathogens. By using 15N labeled, Metarhizium infected, wax moth larvae (Galleria mellonella) in soil microcosms, I demonstrated that the common endophytic, insect pathogenic fungi Metarhizium spp. are able to infect living soil borne insects, and subsequently colonize plant roots and furnish ts plant host with useable, insect-derived nitrogen. In addition, I showed that another ecologically important, endophytic, insect pathogenic fungi, Beauveria bassiana, is able to transfer insect-derived nitrogen to its plant host. I demonstrated that these relationships between various plant species and endophytic, insect pathogenic fungi help to improve overall plant health. By using 13C-labeled CO2, added to airtight plant growth chambers, coupled with nuclear magnetic resosnance spectroscopy, I was able to track the movement of carbon from the atmosphere, into the plant, and finally into the root colonized fungal biomass. This indicates that Metarhizium exists in a symbiotic partnership with plants, where insect nitrogen is exchanged for plant carbon. Overall these studies provide the first evidence of nutrient exchange between an insect pathogenic fungus and plants, a relationship that has potentially useful implications on plant primary production, soil health, and overall ecosystem stability.

Concentrations et flux d'azote dans les sédiments hypoxiques de l'Estuaire Maritime du St-Laurent.

Les sédiments sont des sites importants d’élimination d’azote (N) puisqu’ils possèdent des gradients d’oxydoréduction leur conférant les conditions idéales pour les réactions microbiennes de transformation de N. L’eutrophisation des régions côtières peut altérer ces gradients, par des changements dans la concentration d’oxygène (O2) de l’eau interstitielle, et modifier l’importance relative des processus transformant le N. Afin de mieux comprendre comment l’O2 pourrait influencer les transformations de N, nous avons mesuré les flux diffusifs de diazote (N2), nitrate (NO3-), oxygène et ammonium (NH4+) dans les sédiments de l’Estuaire Maritime du St-Laurent (EMSL), et nous avons estimé les taux de dénitrification. L’importance du couple nitrification-dénitrification en fonction d’un gradient de concentrations d’O2 dans la zone d’hypoxie de l’EMSL fut aussi évaluée. La concentration des gaz dissous fut mesurée en utilisant une nouvelle approche développée dans cette étude. Les flux diffusifs de N2, O2, NO3- et NH4+ variaient de 5.5 à 8.8, de -37.1 à -84.8, de -4.0 à -5.8 et de 0.6 à 0.8 μmol N m-2 h-1 respectivement. Les concentrations de N2 et NO3- dans l’eau porale et les flux de NO3- et de N2 des sédiments, suggèrent que la diffusion de NO3- provenant de l’eau à la surface des sédiments ne peut pas expliquer par elle-même la production de N2 observée. En utilisant une approche stoichiométrique, les taux de nitrification potentielle estimés comptent pour 0.01 à 52% du flux total de NO3 nécessaire pour aboutir aux flux de N2 observés et diminuent avec l’augmentation de l’hypoxie.

Fonction de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus

La fixation de l’azote diatomique est un processus très important à la vie, vu sa nécessité dans la biosynthèse de plusieurs molécules de base; acides aminés, acides nucléiques, etc. La réduction de l’azote en ammoniaque est catalysée par la nitrogénase, une enzyme consommatrice de beaucoup d’énergie étant donné qu’elle nécessite 20 à 30 moles d’ATP pour la réduction d’une mole d’azote. De ce fait une régulation rigoureuse est exigée afin de minimiser le gaspillage d’énergie. Plusieurs systèmes de contrôle sont connus, aussi bien au niveau post-traductionnel que traductionnel. Chez la bactérie photosynthétique pourpre non-sulfureuse R. capsulatus, la régulation de l’activité de la nitrogénase nécessite une panoplie de protéines dont la protéine membranaire AmtB, qui est impliquée dans le transport et la perception d’ammonium, et les protéines PII qui jouent plusieurs rôles clés dans la régulation de l’assimilation d’azote. Suite à l’ajout de l’ammonium dans le milieu, une inhibition réversible de l’activité de la nitrogénase est déclenchée via un mécanisme d’ADP-ribosylation de la nitrogénase. La séquestration de GlnK (une protéine PII) par l’AmtB permet à DraT, une ADP-ribosyltransférase, d’ajouter un groupement ADP-ribose sur la protéine-Fe de la nitrogénase l’empêchant ainsi de former un complexe avec la protéine-MoFe. Donc, le transfert d’électrons est bloqué, engendrant ainsi l’inhibition de l’activité de la nitrogénase qui dure aussi long que la concentration d’azote fixé reste élevé, phénomène appelé le « Switch-off/Switch-on » de la nitrogénase. Dans ce mémoire, pour mieux comprendre ce phénomène de régulation, des mutations ponctuelles au niveau de certains résidus conservés de la protéine AmtB, dont D338, G367, H193 et W237, étaient générées par mutagénèse dirigée, afin d’examiner d’avantage leur rôle dans le transport d’ammonium, la formation du complexe AmtB-GlnK, ainsi que dans le « Switch-off » et l’ADP-ribosylation. Les résultats permettent de conclure l’importance et la nécessité de certains résidus telle que le G367 dans la régulation de la nitrogénase et le transport d’ammonium, contrairement au résidu D338 qui ne semble pas être impliqué directement dans la régulation de l’activité de la nitrogénase. Ces résultats suggèrent d’autres hypothèses sur les rôles des acides aminés spécifiques d’AmtB dans ses fonctions comme transporteur et senseur d’ammonium.

Étude de la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus dans la noirceur

L’atmosphère terrestre est très riche en azote (N2). Mais cet azote diatomique est sous une forme très stable, inutilisable par la majorité des êtres vivants malgré qu’il soit indispensable pour la synthèse de matériels organiques. Seuls les procaryotes diazotrophiques sont capables de vivre avec le N2 comme source d’azote. La fixation d’azote est un processus qui permet de produire des substances aminées à partir de l’azote gazeux présent dans l’atmosphère (78%). Cependant, ce processus est très complexe et nécessite la biosynthèse d’une vingtaine de protéines et la consommation de beaucoup d’énergie (16 molécules d’ATP par mole de N2 fixé). C’est la raison pour laquelle ce phénomène est rigoureusement régulé. Les bactéries photosynthétiques pourpres non-sulfureuses sont connues pour leur capacité de faire la fixation de l’azote. Les études faites à la lumière, dans le mode de croissance préféré de ces bactéries (photosynthèse anaérobie), ont montré que la nitrogénase (enzyme responsable de la fixation du diazote) est sujet d’une régulation à trois niveaux: une régulation transcriptionnelle de NifA (protéine activatrice de la transcription des gènes nif), une régulation post-traductionnelle de l’activité de NifA envers l’activation de la transcription des autres gènes nif, et la régulation post-traductionnelle de l’activité de la nitrogénase quand les cellules sont soumises à un choc d’ammoniaque. Le système de régulation déjà décrit fait intervenir essentiellement une protéine membranaire, AmtB, et les deux protéines PII, GlnB et GlnK. Il est connu depuis long temps que la nitrogénase est aussi régulée quand une culture photosynthétique est exposée à la noirceur, mais jusqu’aujourd’hui, on ignore encore la nature des systèmes intervenants dans cette régulation. Ainsi, parmi les questions qui peuvent se poser: quelles sont les protéines qui interviennent dans l’inactivation de la nitrogénase lorsqu’une culture anaérobie est placée à la noirceur? Une analyse de plusieurs souches mutantes, amtB- , glnK- , glnB- et amtY- poussées dans différentes conditions de limitation en azote, serait une façon pour répondre à ces interrogations. Alors, avec le suivi de l’activité de la nitrogénase et le Western Blot, on a montré que le choc de noirceur provoquerait un "Switch-off" de l’activité de la nitrogénase dû à une ADP-ribosylation de la protéine Fe. On a réussit aussi à montrer que ii tout le système déjà impliqué dans la réponse à un choc d’ammoniaque, est également nécessaire pour une réponse à un manque de lumière ou d’énergie (les protéines AmtB, GlnK, GlnB, DraG, DraT et AmtY). Or, Rhodobacter capsulatus est capable de fixer l’azote et de croitre aussi bien dans la micro-aérobie à la noirceur que dans des conditions de photosynthèse anaérobies, mais jusqu'à maintenant sa régulation dans l’obscurité est peu étudiée. L’étude de la fixation d’azote à la noirceur nous a permis de montrer que le complexe membranaire Rnf n’est pas nécessaire à la croissance de R. capsulatus dans de telles conditions. Dans le but de développer une façon d’étudier la régulation de la croissance dans ce mode, on a tout d’abord essayé d’identifier les conditions opératoires (O2, [NH4 + ]) permettant à R. capsulatus de fixer l’azote en microaérobie. L’optimisation de cette croissance a montré que la concentration optimale d’oxygène nécessaire est de 10% mélangé avec de l’azote.

Rôle d'AmtB dans la régulation posttraductionnelle de la nitrogénase et le transport de l'ammonium chez Rhodobacter capsulatus

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

The Role of Specific Amino Acids in the Formation of Ternary Complexes in Nitrogenase Regulation in the Photosynthetic Bacterium Rhodobacter capsulatus

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Studies on lipid production of microalgae under mixotrophic growth, utilizing glycerol as a carbon source, combined with nitrogen starvation

Rampant increases in oil prices and detrimental effects of fossil fuels on the environment have been the main impetus for the development of environmentally friendly and sustainable energy sources. Amongst the many possibilities, microalgae have been proposed as a new alternative energy source to fossil fuels, as their growth is both sustainable and ecologically safe. By definition, microalgae are unicellular photosynthetic microorganisms containing chlorophyll a. These organisms are capable of producing large quantities of oils, surpassing that of traditional oil-seed crops, which can be transformed, through chemical processes, into biofuels such as biodiesel or bio-gasoline. Thus, recent research has gone into discovering high lipid producing algal strains, optimising growth media for increased lipid production and developing metabolic engineering to make microalgae a source of biofuel that is competitive to more traditional sources of biofuel and even to fossil fuel. In this context, the research reported here focused on using a mixotrophic growth mode as a way to increase lipid production for certain strains of microalgae. In addition, nitrogen starvation combined with mixotrophy was studied to analyse its effects on lipid production. Mixotrophy is the parallel usage of two trophic modes, in our case photoautotrophy and heterotrophy. Consequently, 12 algal strains were screened for mixotrophic growth, using glycerol as a carbon source. Glycerol is a waste product of the current biodiesel industry; it is a cheap and abundant carbon source present in many metabolic pathways. From this initial screening, several strains were chosen for subsequent experiments involving nitrogen starvation. Nitrogen starvation has been shown to induce lipid accumulation. The results obtained show that a mixotrophic growth mode, using glycerol as a carbon source, enhances lipid production for certain strains. Moreover, lipid enhancement was shown for nitrogen starvation combined with mixotrophic growth mode. This was dependant on time spent under nitrogen starvation and on initial concentrations of the nitrogen source.

Dynamique saisonnière des communautés nitrifiantes dans un petit lac oligotrophe

Depuis la découverte d’archées capables d’oxyder l’ammoniac en milieu aérobie, de nombreuses études ont mesuré en simultané les taux de nitrification et la diversité des organismes oxydant l’ammoniac dans la colonne d’eau des milieux marins. Malgré l’importance globale des lacs d’eau douce, beaucoup moins d’études ont fait la même chose dans ces milieux. Dans cette étude, nous avons évalué l’importance de la nitrification et caractérisé la communauté microbienne responsable de la première étape limitante de la nitrification dans un lac tempéré durant une année entière. L’utilisation de traceur isotopique 15NH4 nous a permis de mesurer des taux d’oxydation d’ammoniac à deux profondeurs dans la zone photique tout au long de l’année. Les taux d’oxydation d’ammoniac varient de non détectable à 333 nmol L-1 j-1 avec un pic d’activité sous la glace. De toutes les variables environnementales mesurées, la concentration d’ammonium dans la colonne d’eau semble avoir le plus grand contrôle sur les taux d’oxydation d’ammoniac. Nous avons détecté la présence d’archées (AOA) et de bactéries oxydante d’ammoniac (BOA) à l’aide de tests par réaction en chaîne de la polymérase (PCR) ciblant une partie du gène ammoniac monoxygénase (amoA). Les AOA et les BOA ont été détectées dans la zone photique du lac, cependant seules les AOA étaient omniprésentes durant l’année. Le séquençage du gène amoA des archées révèle que la majorité des AOA dans le lac sont membres du groupe phylogénétique Nitrosotalea (également appelé SAGMGC-1 ou groupe I.1a associé), ce qui confirme la pertinence écologique de ce groupe dans les eaux douces oligotrophes. Globalement, nos résultats indiquent l’hiver comme étant un moment propice pour l’oxydation de l’ammoniac dans les lacs tempérés. Cette étude fournit un point de référence pour la compréhension du processus d’oxydation de l’ammoniac dans les petits lacs oligotrophes.