Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Utilization of biodiesel-derived glycerol or xylose for increased growth and lipid production by indigenous microalgae

The use of industrial wastes rich in mineral nutrients and carbon sources to increase the final microalgal biomass and lipid yield at a low cost is an important strategy to make algal biofuel technology viable. Using strains from the microalgal collection of the Université de Montréal, this report shows for the first time that microalgal strains can be grown on xylose, the major carbon source found in wastewater streams from pulp and paper industries, with an increase in growth rate of 2.8 fold in comparison to photoautotrophic growth, reaching up to µ=1.1/day. On glycerol, growth rates reached as high as µ=1.52/day. Lipid productivity increased up to 370% on glycerol and 180% on xylose for the strain LB1H10, showing the suitability of this strain for further development for biofuels production through mixotrophic cultivation.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Polyphosphate Accumulation by Marine Bacteria

Phosphate (Pi) is one among the most important essential residues in maintenance and inheritance of life, with far diverse physiological role as structural, functional and energy transduction. Phosphate accumulation in wastewaters containing run off of fertilizers and industrial discharges is a global problem that results in algal blooms in bays, lakes and waterways. Currently available methods for removing phosphates from wastewater are based primarily on polyP accumulation by the activated sludge bacteria. PolyP plays a critical role in several environmental and biotechnological problems. Possible relation of interaction between polyP accumulation phenomenon, the low biomass, low Pi uptake, and varying results obtained in response to the impact of sodium chloride, pH, temperature, various inorganic salts and additional carbon sources studied, are all intriguing observations in the present investigation. The results of the present study have evidenced very clearly the scope for potential strains of bacteria from both sea water and marine sediments which could be exploited both for Pi removal in wastewater released by industries and intensive aquaculture practices in to the aquatic environment as well as to harness the potential strains for industrial production of polyP which was wide range of applications.

Biochemical and physiological characteristics of actinomycetes isolated from high altitude shola soils of tropical Montane forest

Actinomycetes are gram-positive, free-living, saprophytic bacteria widely distributed in soil, water and colonizing plants showing marked chemical and morphological diversity. They are potential source of many bioactive compounds, which have diverse clinical effects and important applications in human medicine. In the present work, we have studied some of the physiological and biochemical characteristics of 36 actinomycete strains isolated from the shola soils of tropical montane forest; a relatively unexplored biodiversity hotspot. Ability of actinomycetes isolates to ferment and produce acids from various carbohydrate sources such as innositol, mannose, sorbitol, galactose, mannitol, xylose, rhamnose, arabinose, lactose and fructose were studied. Almost all the carbon compounds were utilized by one or other actinomycete isolates. The most preferred carbon sources were found to be xylose (94.44%) followed by fructose and mannose (91.66%). Only 41.76% of the isolates were able to ferment lactose. The ability of actinomycetes isolates to decompose protein and amino acid differ considerably. 72.22% of the isolates were able to decompose milk protein casein and 61.11% of the isolates decompose tyrosine. Only 8.33% of the strains were able to decompose amino acid hypoxanthine and none of them were able to decompose amino acid xanthine. Potential of the actinomycetes isolates to reduce esculin, urea and hippurate and to resist lysozyme was also checked. 91.66% of the isolates showed ability to decompose esculin and 63.88% of the isolates had the capacity to produce urease and to decompose urea. Only 25% of the isolate were able to decompose hippurate and 94.44% showed lysozyme resistance

Optimization of medium for the production of a novel aquaculture probiotic, Micrococcus MCCB 104 using central composite design

A marine isolate of jáÅêçÅçÅÅìë MCCB 104 has been identified as an aquaculture probiotic antagonistic to sáÄêáç. In the present study different carbon and nitrogen sources and growth factors in a mineral base medium were optimized for enhanced biomass production and antagonistic activity against the target pathogen, sáÄêáç=Ü~êîÉóá, following response surface methodology (RSM). Accordingly the minimum and maximum limits of the selected variables were determined and a set of fifty experiments programmed employing central composite design (CCD) of RSM for the final optimization. The response surface plots of biomass showed similar pattern with that of antagonistic activity, which indicated a strong correlation between the biomass and antagonism. The optimum concentration of the carbon sources, nitrogen sources, and growth factors for both biomass and antagonistic activity were glucose (17.4 g/L), lactose (17 g/L), sodium chloride (16.9 g/L), ammonium chloride (3.3 g/L), and mineral salts solution (18.3 mL/L). © KSBB

Characterization and mechanism of action of the biological control agent Pantoea agglomerans EPS125

La soca EPS125 ha mostrat ser un efectiu agent de control biològic de diferents patògens fúngics de postcollita en diferents fruits. Degut a la seva elevada eficàcia, es va plantejar desenvolupar aquesta soca comercialment i per aquest motiu en el present treball es plantejà complementar la informació necessària pel seu registre. D'acord amb els resultats obtinguts mitjançant proves fenotípiques i genotípiques, la soca EPS125 queda inclosa dins l'espècie Pantoea agglomerans (Enterobacter agglomerans-Erwinia herbicola). En relació a la utilització de fonts de carboni, en el perfil i contingut d'àcids grassos cel·lulars i en el polimorfisme en la longitud dels fragments de macrorestricció genòmica (MRFLP), la soca EPS125 mostrà trets característics que la diferencien d'altres soques. Els dos marcadors moleculars (125.2 i 125.3) específics per la soca EPS125 dissenyats en el present treball mostraren ser semiespecífics per la seva detecció mitjançant la tècnica PCR i Real Time PCR. Quedant pendent l'anàlisi d'especificitat de l'ús combinat dels dos marcadors moleculars en una reacció PCR multiplex. P. agglomerans EPS125 ha mostrat ser molt efectiva en el control de Penicillium expansum en poma amb una dosi efectiva mitjana de 2.7x105 a 7x105 ufc/ml, i una ratio de 25-101 cèl·lules de la soca EPS125 per inactivar una espora del patogen segons el model de saturació hiperbòlica. Segons les aproximacions fenotípiques i estudis genotípics realitzats, sembla que els mecanismes de biocontrol utilitzats per la soca EPS125 contra P. expansum en poma estan directament relacionats amb la capacitat de formació de biofilm per aquesta soca.

SBR technology for wastewater treatment: suitable operational conditions for a nutrient removal

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients. El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius. L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació. El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat.

Flavanol monomer-induced changes to the human faecal microflora

We have investigated the bacterial-dependent metabolism of (-)-epicatechin and (+)-catechin using a pH-controlled, stirred, batch-culture fermentation system reflective of the distal region of the human large intestine. Incubation of (-)-epicatechin or (+)-catechin (150mg/l or 1000mg/l) with faecal bacteria, led to the generation of 5-(3,4'-dihydroxyphenyl)-gamma-valerolactone, 5-phenyl-gamma-valerolactone and phenylpropionic acid. However, the formation of these metabolites from (+)-catechin required its initial conversion to (+)-epicatechin. The metabolism of both flavanols occurred in the presence of favourable carbon sources, notably sucrose and the prebiotic fructo-oligosaccharides, indicating that bacterial utilisation of flavanols also occurs when preferential energy sources are available. (+)-Catechin incubation affected the growth of select microflora, resulting in a statistically significant increase in the growth of the Clostridium coccoides-Eubacterium rectale group, Bifidobacterium spp. and Escherichia coli, as well as a significant inhibitory effect on the growth of the C. histolyticum group. In contrast, the effect of (-)-epicatechin was less profound, only significantly increasing the growth of the C. coccoides-Eubacterium rectale group. These potential prebiotic effects for both (+)-catechin and (-)-epicatechin were most notable at the lower concentration of 150 mg/l. As both (-)-epicatechin and (+)-catechin were converted to the same metabolites, the more dramatic change in the growth of distinct microfloral populations produced by (+)-catechin incubation may be linked to the bacterial conversion of (+)-catechin to (+)-epicatechin. Together these data suggest that the consumption of flavanol-rich foods may support gut health through their ability to exert prebiotic actions.

Modulation of anti-pathogenic activity in canine-derived Lactobacillus species by carbohydrate growth substrate

Aims: To investigate the effect of various carbon sources on the production of extracellular antagonistic compounds against two Escherichia coli strains and Salmonella enterica serotype Typhimurium by three canine-derived lactobacilli strains. Methods and Materials: Cell-free preparations, pH neutralized, were used in antibiotic disc experiments as an initial screening. The bacteria/carbohydrate combinations that showed inhibition of the growth of those pathogens, were further investigated in batch co-culture experiments. The cell-free supernatants of the cultures, that decreased the population number of the pathogens in the co-culture experiments to log CFU ml(-1) less than or equal to 4, were tested for inhibition of the pathogens in pure cultures at neutral and acidic pH. Conclusions: The results showed that the substrate seems to affect the production of antimicrobial compounds and this effect could not just be ascribed to the ability of the bacteria to grow in the various carbon sources. L. mucosae, L. acidophilus and L. reuteri, when grown in sugar mixtures consisting of alpha-glucosides (Degree of Polymerization (DP) 1-4) could produce antimicrobial compounds active against all three pathogens in vitro. This effect could not be attributed to a single ingredient of those sugar mixtures and was synergistic. This inhibition had a dose-response characteristic and was more active at acidic pH. Significance and Impact of the Study: Knowledge of the effect that the carbon source has on the production of antimicrobial compounds by gut-associated lactobacilli allows the rational design of prebiotic/probiotic combinations to combat gastrointestinal pathogens.

Exopolysaccharides produced by Bifidobacterium longum IPLA E44 and Bifidobacterium animalis subsp lactis IPLA R1 modify the composition and metabolic activity of human faecal microbiota in pH-controlled batch cultures

Exopolysaccharides (EPS) isolated from two Bifidobacterium strains, one of human intestinal origin (Bifidobacterium longum subsp. longum IPLA E44) and the other from dairy origin (Bifidobacterium animalis subsp. lactis IPLA R1), were subjected to in vitro chemically simulated gastrointestinal digestion. which showed the absence of degradation of both polymers in these conditions. Polymers were then used as carbon sources in pH-controlled faecal batch cultures and compared with the non-prebiotic carbohydrate glucose and the prebiotic inulin to determine changes in the composition of faecal bacteria. A set of eight fluorescent in situ hybridisation oligonucleotide probes targeting 16S rRNA sequences was used to quantify specific groups of microorganisms. Growth of the opportunistic pathogen Clostridium histolyticum occurred with all carbohydrates tested similarly to that found in negative control cultures without added carbohydrate and was mainly attributed to the culture conditions used rather than enhancement of growth by these substrates. Polymers E44 and RI stimulated growth of Lactobacillus/Enterococcus, Bifidobacterium, and Bacteroides/Prevotella in a similar way to that seen with inulin. The EPS RI also promoted growth of the Atopobium cluster during the first 24 h of fermentation. An increase in acetic and lactic acids was found during early stages of fermentation (first 10-24 h) correlating with increases of Lactobacillus, Bifidobacterium, and Atopobium. Propionic acid concentrations increased in old cultures, which was coincident with the enrichment of Clostridium cluster IX in cultures with EPS RI and with the increases in Bacteroides in cultures with both microbial EPS (RI and E44) and inulin. The lowest acetic to propionic acid ratio was obtained for EPS E44. None of the carbohydrates tested supported the growth of microorganisms from Clostridium clusters XIVa+b and IV, results that correlate with the poor butyrate production in the presence of EPS. Thus, EPS synthesized by bifidobacteria from dairy and intestinal origins can modulate the intestinal microbiota in vitro, promoting changes in some numerically and metabolically relevant microbial populations and shifts in the production of short chain fatty acids. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

In vitro fermentation of oat bran obtained by debranning with a mixed culture of human fecal bacteria

The prebiotic potential of oat samples was investigated by in vitro shaker-flask anaerobic fermentations with human fecal cultures. The oat bran fraction was obtained by debranning and was compared with other carbon sources such as whole oat flour, glucose, and fructo-oligosaccharide. The oat bran fraction showed a decrease in culturable anaerobes and clostridia and an increase in bifidobacteria and lactobacilli populations. A similar pattern was observed in fructo-oligosaccharide. Butyrate production was higher in oat bran compared to glucose and similar to that in fructo-oligosaccharide. Production of propionate was higher in the two oat media than in fructo-oligosaccharide and glucose, which can be used as energy source by the liver. This study suggests that the oat bran fraction obtained by debranning is digested by the gut ecosystem and increases the population of beneficial bacteria in the indigenous gut microbiota. This medium also provides an energy source preferred by colonocytes when it is metabolized by the gut flora.

Proteomic analyses of a Listeria monocytogenes mutant lacking σB identify new components of the σB regulon and highlight a role for σB in the utilization of glycerol

In Listeria monocytogenes the alternative sigma factor σB plays important roles in both virulence and stress tolerance. In this study a proteomic approach was used to define components of the σB regulon in L. monocytogenes 10403S (serotype 1/2a). Using two-dimensional gel electrophoresis and the recently developed isobaric tags for relative and absolute quantitation technique, the protein expression profiles of the wild type and an isogenic ΔsigB deletion strain were compared. Overall, this study identified 38 proteins whose expression was σB dependent; 17 of these proteins were found to require the presence of σB for full expression, while 21 were expressed at a higher level in the ΔsigB mutant background. The data obtained with the two proteomic approaches showed limited overlap (four proteins were identified by both methods), a finding that highlights the complementarity of the two technologies. Overall, the proteomic data reaffirmed a role for σB in the general stress response and highlighted a probable role for σB in metabolism, especially in the utilization of alternative carbon sources. Proteomic and physiological data revealed the involvement of σB in glycerol metabolism. Five newly identified members of the σB regulon were shown to be under direct regulation of σB using reverse transcription-PCR (RT-PCR), while random amplification of cDNA ends-PCR was used to map four σB-dependent promoters upstream from lmo0796, lmo1830, lmo2391, and lmo2695. Using RT-PCR analysis of known and newly identified σB-dependent genes, as well as proteomic analyses, σB was shown to play a major role in the stationary phase of growth in complex media.

Comparative genomics of Salmonella enterica serovars Derby and Mbandaka, two prevalent serovars associated with different livestock species in the UK

Background Despite the frequent isolation of Salmonella enterica sub. enterica serovars Derby and Mbandaka from livestock in the UK and USA little is known about the biological processes maintaining their prevalence. Statistics for Salmonella isolations from livestock production in the UK show that S. Derby is most commonly associated with pigs and turkeys and S. Mbandaka with cattle and chickens. Here we compare the first sequenced genomes of S. Derby and S. Mbandaka as a basis for further analysis of the potential host adaptations that contribute to their distinct host species distributions. Results Comparative functional genomics using the RAST annotation system showed that predominantly mechanisms that relate to metabolite utilisation, in vivo and ex vivo persistence and pathogenesis distinguish S. Derby from S. Mbandaka. Alignment of the genome nucleotide sequences of S. Derby D1 and D2 and S. Mbandaka M1 and M2 with Salmonella pathogenicity islands (SPI) identified unique complements of genes associated with host adaptation. We also describe a new genomic island with a putative role in pathogenesis, SPI-23. SPI-23 is present in several S. enterica serovars, including S. Agona, S. Dublin and S. Gallinarum, it is absent in its entirety from S. Mbandaka. Conclusions We discovered a new 37 Kb genomic island, SPI-23, in the chromosome sequence of S. Derby, encoding 42 ORFS, ten of which are putative TTSS effector proteins. We infer from full-genome synonymous SNP analysis that these two serovars diverged, between 182kya and 625kya coinciding with the divergence of domestic pigs. The differences between the genomes of these serovars suggest they have been exposed to different stresses including, phage, transposons and prolonged externalisation. The two serovars possess distinct complements of metabolic genes; many of which cluster into pathways for catabolism of carbon sources.