β-N-methylamino-l-alanine (BMAA) and isomers: Distribution in different food web compartments of Thau lagoon, French Mediterranean Sea

The neurotoxin BMAA (β-N-methylamino-l-alanine) and its isomer DAB (2,4-diaminobutyric acid) have been detected in seafood worldwide, including in Thau lagoon (French Mediterranean Sea). A cluster of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a neurodegenerative disease associated with BMAA, has also been observed in this region. Mussels, periphyton (i.e. biofilms attached to mussels) and plankton were sampled between July 2013 and October 2014, and analyzed using HILIC-MS/MS. BMAA, DAB and AEG (N-(2-aminoethyl)glycine) were found in almost all the samples of the lagoon. BMAA and DAB were present at 0.58 and 0.83, 2.6 and 3.3, 4.0 and 7.2 μg g−1 dry weight in plankton collected with nets, periphyton and mussels, respectively. Synechococcus sp., Ostreococcus tauri, Alexandrium catenella and eight species of diatoms were cultured and screened for BMAA and analogs. While Synechococcus sp., O. tauri and A. catenella did not produce BMAA under our culture conditions, four diatoms species contained both BMAA and DAB. Hence, diatoms may be a source of BMAA for mussels. Unlike other toxins produced by microalgae, BMAA and DAB were detected in significant amounts in tissues other than digestive glands in mussels.

Cultivo de microalgas para produção de biossurfactantes

Há uma crescente procura por alimentos mais saudáveis e seguros para atender uma população cada vez maior e mais exigente. Nos últimos anos o interesse por surfactantes de origem microbiana tem aumentado significativamente em decorrência de serem naturalmente biodegradáveis diminuindo assim o impacto ambiental. Uma grande variedade de microorganismos produz biossurfactantes, sendo que o tipo, a quantidade e a qualidade do biossurfactante são influenciados pelos constituintes do meio, tais como, fontes de carbono, nitrogênio e sais inorgânicos, além das condições de cultivo, como pH, temperatura, agitação e disponibilidade de oxigênio. Os biossurfactantes são metabólitos microbianos de superfície ativa que apresentam uma vasta aplicação no setor industrial. Os objetivos deste trabalho foram selecionar microalgas com potencial para produzir biossurfactantes e estudar a produção por microalgas em diferentes fotobiorreatores e condições nutricionais. O trabalho foi dividido em quatro etapas: 1) cultivo autotrófico e mixotrófico de microalgas para produção de biossurfactantes; 2) Seleção de microalgas para produção de biossurfactantes; 3) Produção de biossurfactantes por microalgas em diferentes fotobiorreatores e 4) Cultivo outdoor da microalga marinha Tetraselmis suecica OR para produção de biossurfactantes. Na primeira etapa Spirulina sp. LEB-18, Synechococcus nidulans LEB-25, Chlorella vulgaris LEB-106, Chlorella minutissima LEB-108 e Chlorella homosphaera foram cultivadas com glicose (cultivo mixotrófico). Spirulina sp. LEB-18 apresentou concentrações máximas de biomassa (2,55 g.L-1 ) quando foi utilizada 5 g.L-1 de glicose no meio de cultivo. A tensão superficial dos meios das microalgas foi reduzida de 70 para 43 mN.m-1 para as microalgas estudadas utilizando glicose como fonte de carbono. Resultados da segunda etapa mostraram que a microalga Scenedesmus sp. 3PAV3 apresentou valor de atividade emulsificante óleo em água (AE o/a) superior (339,8 UE.g-1 ) ao encontrado para as demais microalgas. Os menores valores de tensões superficiais variaram de 27,4 a 31,2 mN.m-1 . Na terceira etapa verificou-se que a microalga Chlorella sp. PROD1 apresentou valor de AE o/a semelhante (258,2 UE g -1 ) ao encontrado para o emulsificante comercial lecitina de soja (257,0 UE g -1 ) e ambas as microalgas estudadas alcançaram valores de tensões superficiais abaixo de 30 mN.m -1 . Na última etapa, Tetraselmis suecica OR cultivada em fotobiorreator do tipo Green Wall Panel apresentou menores valores de tensões superficiais para cultura com limitação de nitrogênio. Os resultados demonstraram a potencialidade das microalgas estudadas na produção de biossurfactantes, tanto pela redução da tensão superficial e interfacial, como pelo aumento da atividade emulsificante, confirmando uma possível aplicação como emulsificante, detergente, lubrificante, estabilizante, entre outras.

Produção e extração da enzima anidrase carbônica e de ficobiliproteínas a partir de microalgas

Muito interesse tem sido focado no potencial biotecnológico das microalgas, principalmente devido à identificação de diversas substâncias sintetizadas por estes organismos, dentre elas a anidrase carbônica e as ficobiliproteínas. A anidrase carbônica é uma metaloenzima que catalisa a hidratação reversível do CO2 em bicarbonato com alta eficiência, sendo utilizada para captação de CO2 através de sistemas biológicos. A C-ficocianina e a aloficocianina, corantes naturais, são os dois principais componentes das ficobiliproteínas em cianobactérias e apresentam diversas aplicações dentro da indústria alimentícia, cosmética e farmacêutica. O objetivo principal desta tese foi avaliar a produção e a extração da anidrase carbônica e das ficobiliproteínas a partir de diferentes microalgas. Para isso, primeiramente foi realizado uma investigação da produção da anidrase carbônica pela microalga Dunaliella tertiolecta, onde foi estudada a extração da enzima e sua aplicação em sistemas de captura enzimática de CO2. Posteriormente foi avaliada a produção da enzima ao longo do cultivo de diferentes microalgas marinhas e dulcícolas (Dunaliella tertiolecta, Tetraselmis sueccica, Phaeodactylum tricornutum, Nannochloropsis oculata, Isochysis galbana, Chlorella vulgaris e Scenedesmus obliquus). A produção da enzima e de ficobiliproteínas, também, foi estudada para as cianobactérias Spirulina platensis LEB 52, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Todos os cultivos foram acompanhados em termos de biomassa e pH. Por último, foi realizado um estudo de extração da enzima de P. tricornutum e extração conjunta da anidrase carbônica e de ficobiliproteínas da cianobactéria S. sp. LEB 18. Os cultivos foram realizados em frascos erlenmeyer contendo os meios Conway (marinhas), BG-11 (dulcícolas) e Zarrouk 20% (cianobactérias). Na avaliação da ruptura celular foram testadas as técnicas de maceração em gral e pistilo, agitação em vórtex com pérolas de vidro, sonicação com pérolas de vidro, homogeneizador ultrassônico, secagem, congelamento e descongelamento e a combinação de tratamentos. Maiores rendimentos de extração da enzima a partir da microalga D. tertiolecta foram obtidos utilizando tratamento ultrassônico, juntamente com baixas concentrações de biomassa úmida (0,1 e 0,2 g/L), e a mesma apresentou potencial para aplicação em processos de captação enzimática do CO2. Durante os cultivos, a microalga C. vulgaris se destacou como maior produtora da enzima anidrase carbônica, atingindo valores de atividade enzimática de 44,0 U/L. As cianobactérias apresentaram valores de atividade entre 41,6 e 45,9 U/L, sendo que a S. sp. LEB 18 foi a que apresentou maiores produções de C-ficocianina e aloficocianina no ponto de máxima atividade volumétrica, 65,9 e 82,2 µg/mL, respectivamente. A enzima extraída da biomassa de S. platensis LEB 52 catalisou a hidratação do CO2 que precipitou na forma de CaCO3. Maiores rendimentos de extração da enzima a partir das microalgas P. tricornutum e S. sp. LEB 18 foram obtidos utilizando homogeneizador ultrassônico, que foram 31,3 U/g e 25,5 U/g, respectivamente. A biomassa de S. sp. LEB 18, também apresentou potencial para a extração de ficobiliproteínas, obtendo- se altas concentrações de C-ficocianina (100,5 mg/g) e aloficocianina (69,9 mg/g). Através dos resultados obtidos, pode-se verificar a potencialidade das microalgas e das cianobactérias para produção da enzima anidrase carbônica e das ficobiliproteínas, biomoléculas de alto valor industrial. Este trabalho apresenta processos eficientes para a extração da enzima e de ficobiliproteínas tanto para escala laboratorial como industrial.

Síntese, extração e caracterização de biopolímeros de origem microalgal para desenvolvimento de nanofibras

Pesquisas com microalgas estão crescendo devido aos possíveis bioprodutos oriundos de sua biomassa, bem como as suas diferentes aplicabilidades. Microalgas podem ser cultivadas para a produção de biopolímeros com características de biocompatibilidade e biodegradabilidade. Nanofibras produzidas por electrospinning a partir de poli-β-hidroxibutirato (PHB) geram produtos com aplicabilidade na área de alimentos e médica. O objetivo deste trabalho foi selecionar microalgas com maior potencial para síntese de biopolímeros, em diferentes meios de cultivo, bem como purificar poli-β-hidroxibutirato e desenvolver nanofibras. Este trabalho foi dividido em cinco artigos: (1) Seleção de microalgas produtoras de biopolímeros; (2) Produção de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivo com diferentes fontes de carbono e redução de nitrogênio; (3) Síntese de biopolímeros pela microalga Spirulina sp. LEB 18 em cultivos autotróficos e mixotróficos; (4) Purificação de poli-β- hidroxibutirato extraído da microalga Spirulina sp. LEB 18; e (5) Produção de nanofibras a partir de poli-β-hidroxibutirato de origem microalgal. Foram estudadas as microalgas Cyanobium sp., Nostoc ellipsosporum, Spirulina sp. LEB 18 e Synechococcus nidulans. Os biopolímeros foram extraídos nos tempos de 5, 10, 15, 20 e 25 d de cultivo a partir de digestão diferencial. Para os experimentos com diferentes nutrientes, foi utilizado como fonte de carbono, bicarbonato de sódio, acetato de sódio, glicose e glicerina modificando-se as concentrações de nitrogênio e fósforo. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores fechados de 2 L. A concentração inicial de inóculo foi 0,15 g.L-1 e os ensaios foram mantidos em estufa termostatizada a 30 ºC com iluminância de 41,6 µmolfótons.m -2 .s -1 e fotoperíodo 12 h claro/escuro. Para a purificação de PHB, foi utilizada a biomassa da cianobactéria Spirulina sp. LEB 18, cultivada em meio Zarrouk. Após a extração do biopolímero bruto, a amostra foi desengordurada com hexano e purificada com 1,2-carbonato de propileno. Foram determinadas as purezas e as propriedades térmicas no PHB purificado. O biopolímero utilizado para produzir as nanofibras apresentava 70 % de pureza. A técnica para produção de nanofibras foi o electrospinning. As microalgas que apresentaram máxima produtividade foram Nostoc ellipsosporum e Spirulina sp. LEB 18 com rendimento de biopolímero 19,27 e 20,62 % em 10 e 15 d, respectivamente, na fase de máximo crescimento celular. O maior rendimento de biopolímeros (54,48 %) foi obtido quando se utilizou 8,4 g.L-1 de NaHCO3, 0,05 g.L-1 de NaNO3 e 0,1 g.L-1 de K2HPO4. A condição que proporcionou maior pureza do PHB foi a 130 ºC e 5 min de contato entre o solvente (1,2-carbonato de propileno) e o PHB. As análises térmicas para todas as amostras foram semelhantes em relação ao PHB padrão (Sigma-Aldrich). A purificação com 1,2-carbonato de propileno foi eficiente para o PHB extraído de microalga, alcançando pureza acima de 90 %. A condição que apresentou menores diâmetros de nanofibras foi ao utilizar solução contendo 20 % de biopolímero solubilizado em clorofórmio. As condições do electrospinning que apresentou nanofibras com diâmetros de 470 e 537 nm foram, vazão 150 µL.h-1 , diâmetro do capilar 0,45 mm e voltagens entre 24,1 e 29,6 kV, respectivamente. A microalga Spirulina sp. LEB 18 produz PHB ao utilizar menores concentrações de nutrientes no meio de cultivo, que pode ser purificado com 1,2-carbonato de propileno. Este biopolímero possui aplicabilidade para produção de nanofibras.

Ingestion of a bacterivorous ciliate by the oyster Crassostrea gigas: Protozoa as a trophic link between picoplankton and benthic suspension-feeders

The linked concepts of 'microbial loop' and 'protozoan trophic link' have been very well documented in filter-feeding microzooplankton such as copepods, but have not been applied to energy transfer to benthic suspension-feeding macrofauna, with the exception of the recent demonstration of heterotrophic flagellate assimilation by mussels. The oyster Crassostrea gigas obtains energy resources by filtering microalgae (similar to 5 to 100 mu m). However, in turbid estuaries, light-limited phytoplanktonic production cannot entirely account for oyster energy requirements. Conversely, picoplankters (<2 mu m), which are main effecters of coastal energy flow and matter cycling, are not efficiently retained by oyster filtration. Ciliate protozoal as both micro-sized cells (similar to 5 to 100 run) and bacteria grazers, may represent a major intermediary in trophic transfer between picoplankton and metazoa. The ciliate Uronema was intensely cultured and labelled, using the cyanobacteria Synechococcus as an auto-fluorescent biomarker. The labelled ciliates were offered as potential prey to oysters. We report here the first experimental evidence of a significant retention and ingestion of ciliates by oysters, supporting the role of protozoa as a realistic trophic link between picoplankters and filter-feeding bivalves and thus enhancing their potential importance in estuarine microbial food webs.

Cross-talk and regulatory interactions between the essential response regulator RpaB and cyanobacterial circadian clock output

The response regulator RpaB (regulator of phycobilisome associated B), part of an essential two-component system conserved in cyanobacteria that responds to multiple environmental signals, has recently been implicated in the control of cell dimensions and of circadian rhythms of gene expression in the model cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942. However, little is known of the molecular mechanisms that underlie RpaB functions. In this study we show that the regulation of phenotypes by RpaB is intimately connected with the activity of RpaA (regulator of phycobilisome associated A), the master regulator of circadian transcription patterns. RpaB affects RpaA activity both through control of gene expression, a function requiring an intact effector domain, and via altering RpaA phosphorylation, a function mediated through the N-terminal receiver domain of RpaB. Thus, both phosphorylation cross-talk and coregulation of target genes play a role in the genetic interactions between the RpaA and RpaB pathways. In addition, RpaB∼P levels appear critical for survival under light:dark cycles, conditions in which RpaB phosphorylation is environmentally driven independent of the circadian clock. We propose that the complex regulatory interactions between the essential and environmentally sensitive NblS-RpaB system and the SasA-RpaA clock output system integrate relevant extra- and intracellular signals to the circadian clock.

Detecting KaiC Phosphorylation Rhythms of the Cyanobacterial Circadian Oscillator In Vitro and In Vivo

The central oscillator of the cyanobacterial circadian clock is unique in the biochemical simplicity of its components and the robustness of the oscillation. The oscillator is composed of three cyanobacterial proteins: KaiA, KaiB, and KaiC. If very pure preparations of these three proteins are mixed in a test tube in the right proportions and with ATP and MgCl2, the phosphorylation states of KaiC will oscillate with a circadian period, and these states can be analyzed simply by SDS-PAGE. The purity of the proteins is critical for obtaining robust oscillation. Contaminating proteases will destroy oscillation by degradation of Kai proteins, and ATPases will attenuate robustness by consumption of ATP. Here, we provide a detailed protocol to obtain pure recombinant proteins from Escherichia coli to construct a robust cyanobacterial circadian oscillator in vitro. In addition, we present a protocol that facilitates analysis of phosphorylation states of KaiC and other phosphorylated proteins from in vivo samples.