Rôle de l'estérification des acides gras dans la régulation de la sécrétion d'insuline et le stress métabolique induits par le glucose

Le diabète est une maladie chronique de l’homéostasie du glucose caractérisée par une hyperglycémie non contrôlée qui est le résultat d’une défaillance de la sécrétion d’insuline en combinaison ou non avec une altération de l’action de l’insuline. La surnutrition et le manque d’activité physique chez des individus qui ont des prédispositions génétiques donnent lieu à la résistance à l’insuline. Pendant cette période dite de compensation où la concentration d’acides gras plasmatiques est élevée, l’hyperinsulinémie compense pleinement pour la résistance à l’insuline des tissus cibles et la glycémie est normale. Le métabolisme du glucose par la cellule pancréatique bêta entraîne la sécrétion d’insuline. Selon le modèle classique de la sécrétion d’insuline induite par le glucose, l’augmentation du ratio ATP/ADP résultant de la glycolyse et de l’oxydation du glucose, induit la fermeture des canaux KATP-dépendant modifiant ainsi le potentiel membranaire suivi d’un influx de Ca2+. Cet influx de Ca2+ permet l’exocytose des granules de sécrétion contenant l’insuline. Plusieurs nutriments comme les acides gras sont capables de potentialiser la sécrétion d’insuline. Cependant, le modèle classique ne permet pas d’expliquer cette potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Pour expliquer l’effet potentialisateur des acides gras, notre laboratoire a proposé un modèle complémentaire où le malonyl-CoA dérivé du métabolisme anaplérotique du glucose inhibe la carnitine palmitoyltransférase-1, l’enzyme qui constitue l’étape limitante de l’oxydation des acides gras favorisant ainsi leur estérification et donc la formation de dérivés lipidiques signalétiques. Le modèle anaplérotique/lipidique de la sécrétion d'insuline induite par le glucose prédit que le malonyl-CoA dérivé du métabolisme du glucose inhibe la bêta-oxydation des acides gras et augmente la disponibilité des acyl-CoA ou des acides gras non-estérifiés. Les molécules lipidiques agissant comme facteurs de couplage du métabolisme des acides gras à l'exocytose d'insuline sont encore inconnus. Des travaux réalisés par notre laboratoire ont démontré qu’en augmentant la répartition des acides gras vers la bêta-oxydation, la sécrétion d’insuline induite par le glucose était réduite suggérant qu’un des dérivés de l’estérification des acides gras est important pour la potentialisation sur la sécrétion d’insuline. En effet, à des concentrations élevées de glucose, les acides gras peuvent être estérifiés d’abord en acide lysophosphatidique (LPA), en acide phosphatidique (PA) et en diacylglycérol (DAG) et subséquemment en triglycérides (TG). La présente étude a établi l’importance relative du processus d’estérification des acides gras dans la production de facteurs potentialisant la sécrétion d’insuline. Nous avions émis l’hypothèse que des molécules dérivées des processus d’estérification des acides gras (ex : l’acide lysophosphatidique (LPA) et le diacylglycerol (DAG)) agissent comme signaux métaboliques et sont responsables de la modulation de la sécrétion d’insuline en présence d’acides gras. Afin de vérifier celle-ci, nous avons modifié le niveau d’expression des enzymes clés contrôlant le processus d’estérification par des approches de biologie moléculaire afin de changer la répartition des acides gras dans la cellule bêta. L’expression des différents isoformes de la glycérol-3-phosphate acyltransférase (GPAT), qui catalyse la première étape d’estérification des acides gras a été augmenté et inhibé. Les effets de la modulation de l’expression des isoenzymes de GPAT sur les processus d’estérifications, sur la bêta-oxydation et sur la sécrétion d’insuline induite par le glucose ont été étudiés. Les différentes approches que nous avons utilisées ont changé les niveaux de DAG et de TG sans toutefois altérer la sécrétion d’insuline induite par le glucose. Ainsi, les résultats de cette étude n’ont pas associé de rôle pour l’estérification de novo des acides gras dans leur potentialisation de la sécrétion d’insuline. Cependant, l’estérification des acides gras fait partie intégrante d’un cycle de TG/acides gras avec sa contrepartie lipolytique. D’ailleurs, des études parallèles à la mienne menées par des collègues du laboratoire ont démontré un rôle pour la lipolyse et un cycle TG/acides gras dans la potentialisation de la sécrétion d’insuline par les acides gras. Parallèlement à nos études des mécanismes de la sécrétion d’insuline impliquant les acides gras, notre laboratoire s’intéresse aussi aux effets négatifs des acides gras sur la cellule bêta. La glucolipotoxicité, résultant d’une exposition chronique aux acides gras saturés en présence d’une concentration élevée de glucose, est d’un intérêt particulier vu la prépondérance de l’obésité. L’isoforme microsomal de GPAT a aussi utilisé comme outil moléculaire dans le contexte de la glucolipotoxicité afin d’étudier le rôle de la synthèse de novo de lipides complexes dans le contexte de décompensation où la fonction des cellules bêta diminue. La surexpression de l’isoforme microsomal de la GPAT, menant à l’augmentation de l’estérification des acides gras et à une diminution de la bêta-oxydation, nous permet de conclure que cette modification métabolique est instrumentale dans la glucolipotoxicité.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

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.

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.

Extracellular beta-Glucosidase production by marine Aspergillus sydowii BTMFS 55

The beta-glucosidase enzyme purified from the marine fungus, Aspergillus sydowii BTMFS 55 showed a good yield of enzyme production under solid state fermentation. The statistical optimization of the media components revealed that moisture content, concentration of peptone and inoculum are the major parameters which supported the maximal enzyme production. The purified enzyme showed low pH activity and stability, glucose tolerance and activation by ethanol. It could produce ethanol from wheat bran and rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with yeast.The glucosidase purified from Aspergillus sydowii BTMFS 55 shows great potential for several biotechnological applications such as the production of bio-ethanol from agricultural biomass and improvement in the aromatic character of wines and fruit juices through the hydrolysis of flavour glucosidic precursors. There is immense scope for the application of this marine fungus in the biofuel production besides in other industries provided further studies are pursued in exploiting this enzyme and the organism particularly scale up studies with respect to application. There is also ample scope for cloning of the gene encoding beta-glucosidase in domesticated hosts such as Pichia pastoris or S. cerevisiae that can produce ethanol directly from cellulosic biomass.

Studies on Production of Bacterial Xylanases

Xylanases with hydrolytic activity on xylan, one of the hemicellulosic materials present in plant cell walls, have been identified long back and the applicability of this enzyme is constantly growing. All these applications especially the pulp and paper industries require novel enzymes. There has been lot of documentation on microbial xylanases, however, none meeting all the required characteristics. The characters being sought are: higher production, higher pH and temperature optima, good stabilities under these conditions and finally the low associated cellulase and protease production. The present study analyses various facets of xylanase biotechnology giving emphasis on bacterial xylanases. Fungal xylanases are having problems like low pH values for both enzyme activity and growth. Moreover, the associated production of cellulases at significant levels make fungal xylanases less suitable for application in paper and pulp industries.Bacillus SSP-34 selected from 200 isolates was clearly having xylan catabolizing nature distinct from earlier reports. The stabilities at higher temperatures and pH values along with the optimum conditions for pH and temperature is rendering Bacillus SSP-34 xylanase more suitable than many of the previous reports for application in pulp and paper industries.Bacillus SSP-34 is an alkalophilic thertmotolerant bacteria which under optimal cultural conditions as mentioned earlier, can produce 2.5 times more xylanase than the basal medium.The 0.5% xylan concentration in the medium was found to the best carbon source resulting in 366 IU/ml of xylanase activity. This induction was subjected to catabolite repression by glucose. Xylose was a good inducer for xylanase production. The combination of yeast extract and peptone selected from several nitrogen sources resulted in the highest enzyme production (379+-0.2 IU/ml) at the optimum final concentration of 0.5%. All the cultural and nutritional parameters were compiled and comparative study showed that the modified medium resulted in xylanase activity of 506 IU/ml, 5 folds higher than the basal medium.The novel combination of purification techniques like ultrafiltraton, ammonium sulphate fractionation, DEAE Sepharose anion exchange chromatography, CM Sephadex cation exchange chromatography and Gel permeation chromatography resulted in the purified xylanase having a specific activity of 1723 U/mg protein with 33.3% yield. The enzyme was having a molecular weight of 20-22 kDa. The Km of the purified xylanase was 6.5 mg of oat spelts xylan per ml and Vmax 1233 µ mol/min/mg protein.Bacillus SSP-34 xylanase resulted in the ISO brightness increase from 41.1% to 48.5%. The hydrolytic nature of the xylanase was in the endo-form.Thus the organism Bacillus SSP-34 was having interesting biotechnological and physiological aspects. The SSP-34 xylanase having desired characters seems to be suited for application in paper and pulp industries.

“Studies on glucose tolerant β-glucosidases from a novel Byssochlamys fulva and their applications in biomass to ethanol conversion”

Beta-glucosidases are critical enzymes in biomass hydrolysis process and is important in creating highly efficient enzyme cocktails for the bio-ethanol industry. Among the two strategies proposed for overcoming the glucose inhibition of commercial cellulases, one is to use heavy dose of BGL in the enzyme blends and the second is to do simultaneous saccharification and fermentation where glucose is converted to alcohol as soon as it is being generated. While the former needs extremely high quantities of enzyme, the latter is inefficient since the conditions for hydrolysis and fermentation are different. This makes the process technically challenging and also in this case, the alcohol generation is lesser, making its recovery difficult. A third option is to use glucose tolerant β-glucosidases which can work at elevated glucose concentrations. However, there are very few reports on such enzymes from microbial sources especially filamentous fungi which can be cultivated on cheap biomass as raw material. There has been very less number of studies directed at this, though there is every possibility that filamentous fungi that are efficient degraders of biomass may harbor such enzymes. The study therefore aimed at isolating a fungus capable of secreting glucose tolerant β- glucosidase enzyme. Production, characterization of β-glucosidases and application of BGL for bioethanol production were attempted.

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

Banana waste as substrate for a-amylase production by Bacillus subtilis (CBTK 106) under solid-state fermentation

Bacillus subtilis CBTK 106, isolated from banana wastes, produced high titres of a-amylase when banana fruit stalk was used as substrate in a solid-state fermentation system. The e¤ects of initial moisture content, particle size, cooking time and temperature, pH, incubation temperature, additional nutrients, inoculum size and incubation period on the production of a- amylase were characterised. A maximum yield of 5 345 000 U mg~1 min~1 was recorded when pretreated banana fruit stalk (autoclaved at 121 ¡C for 60 min) was used as substrate with 70% initial moisture content, 400 lm particle size, an initial pH of 7.0, a temperature of 35 ¡C, and additional nutrients (ammonium sulphate/sodium nitrate at 1.0%, beef extract/peptone at 0.5%, glucose/sucrose/starch/maltose at 0.1% and potassium chloride/sodium chloride at 1.0%) in the medium, with an inoculum-to-substrate ratio of 10% (v/w) for 24 h. The enzyme yield was 2.65-fold higher with banana fruit stalk medium compared to wheat bran

L-Glutaminase production by marine Beau6eria sp. under solid state fermentation

Extracellular L-glutaminase production by Beau6eria sp., isolated from marine sediment, was observed during solid state fermentation using polystyrene as an inert support. Maximal enzyme production (49.89 U:ml) occurred at pH 9.0, 27°C, in a seawater based medium supplemented with L-glutamine (0.25% w:v) as substrate and D-glucose (0.5% w:v) as additional carbon source, after 96 h of incubation. Enzyme production was growth associated. Results indicate scope for production of salt tolerant L-glutaminase using this marine fungus

Short Communication: Polystyrene-an inert carrier for L·glutaminase production by marine Vibrio costico/a under selld-state fermentation

Polystyrene beads, impregnated with mineral salts/glutamine medium as inert support, were used to produce L-glutaminase from Vibrio costicola by solid-state fermentation. Maximum enzyme yield, 88 U/g substrate, was after 36 h. Glucose at 10 g/kg enhanced the enzyme yield by 66%. The support system allowed glutaminase to be recovered with higher specific activity and lower viscosity than when a wheat-bran system was used

Extracellular β-glucosidase Production by a Marine Aspergillus sydowii BTMFS 55 under Solid State Fermentation Using Statistical Experimental Design

A potential fungal strain producing extracellular β-glucosidase enzyme was isolated from sea water and identified as ^ëéÉêJ Öáääìë=ëóÇçïáá BTMFS 55 by a molecular approach based on 28S rDNA sequence homology which showed 93% identity with already reported sequences of ^ëéÉêÖáääìë=ëóÇçïáá in the GenBank. A sequential optimization strategy was used to enhance the production of β-glucosidase under solid state fermentation (SSF) with wheat bran (WB) as the growth medium. The two-level Plackett-Burman (PB) design was implemented to screen medium components that influence β-glucosidase production and among the 11 variables, moisture content, inoculums, and peptone were identified as the most significant factors for β-glucosidase production. The enzyme was purified by (NH4)2SO4 precipitation followed by ion exchange chromatography on DEAE sepharose. The enzyme was a monomeric protein with a molecular weight of ~95 kDa as determined by SDS-PAGE. It was optimally active at pH 5.0 and 50°C. It showed high affinity towards éNPG and enzyme has a hã and sã~ñ of 0.67 mM and 83.3 U/mL, respectively. The enzyme was tolerant to glucose inhibition with a há of 17 mM. Low concentration of alcohols (10%), especially ethanol, could activate the enzyme. A considerable level of ethanol could produce from wheat bran and rice straw after 48 and 24 h, respectively, with the help of p~ÅÅÜ~êçãóÅÉë=ÅÉêÉîáëá~É in presence of cellulase and the purified β-glucosidase of ^ëéÉêÖáääìë=ëóÇçïáá BTMFS 55.

Biocompatible polyhydroxybutyrate (PHB) production by marine Vibrio azureus BTKB33 under submerged fermentation

Polyhydroxybutyrate (PHB) is known to have applications as medical implants and drug delivery carriers and is consequently in high demand. In the present study the possibilities of harnessing potential PHB-producing vibrios from marine sediments as a new source of PHB was investigated since marine environments are underexplored. Screening of polyhydroxyalkanoate (PHA)-producing vibrios from marine sediments was performed using a fluorescent plate assay followed by spectrophotometric analysis of liquid cultures. Out of 828 isolates, Vibrio sp. BTKB33 showed maximum PHA production of 0.21 g/L and PHA content of 193.33 mg/g of CDW. The strain was identified as Vibrio azureus based on phenotypic characterization and partial 16S rDNA sequence analysis. The strain also produced several industrial enzymes: amylase, caseinase, lipase, gelatinase, and DNase. The FTIR analysis of extracted PHA and its comparison with standard PHB indicated that the accumulated PHA is PHB. Bioprocess development studies for enhancing PHA production were carried out under submerged fermentation conditions. Optimal submerged fermentation conditions for enhanced intracellular accumulation of PHA production were found to be 35 °C, pH −7, 1.5 % NaCl concentration, agitation at 120 rpm, 12 h of inoculum age, 2.5 % initial inoculum concentration, and 36 h incubation along with supplementation of magnesium sulphate, glucose, and ammonium chloride. The PHA production after optimization was found to be increased to 0.48 g/L and PHA content to426.88 mg/g of CDW, indicating a 2.28-fold increase in production. Results indicated that V. azureus BTKB33 has potential for industrial production of PHB.

Comparison of energy evaluation systems and a mechanistic model for milk production by dairy cattle offered fresh grass-based diets

Grass-based diets are of increasing social-economic importance in dairy cattle farming, but their low supply of glucogenic nutrients may limit the production of milk. Current evaluation systems that assess the energy supply and requirements are based on metabolisable energy (ME) or net energy (NE). These systems do not consider the characteristics of the energy delivering nutrients. In contrast, mechanistic models take into account the site of digestion, the type of nutrient absorbed and the type of nutrient required for production of milk constituents, and may therefore give a better prediction of supply and requirement of nutrients. The objective of the present study is to compare the ability of three energy evaluation systems, viz. the Dutch NE system, the agricultural and food research council (AFRC) ME system, and the feed into milk (FIM) ME system, and of a mechanistic model based on Dijkstra et al. [Simulation of digestion in cattle fed sugar cane: prediction of nutrient supply for milk production with locally available supplements. J. Agric. Sci., Cambridge 127, 247-60] and Mills et al. [A mechanistic model of whole-tract digestion and methanogenesis in the lactating dairy cow: model development, evaluation and application. J. Anim. Sci. 79, 1584-97] to predict the feed value of grass-based diets for milk production. The dataset for evaluation consists of 41 treatments of grass-based diets (at least 0.75 g ryegrass/g diet on DM basis). For each model, the predicted energy or nutrient supply, based on observed intake, was compared with predicted requirement based on observed performance. Assessment of the error of energy or nutrient supply relative to requirement is made by calculation of mean square prediction error (MSPE) and by concordance correlation coefficient (CCC). All energy evaluation systems predicted energy requirement to be lower (6-11%) than energy supply. The root MSPE (expressed as a proportion of the supply) was lowest for the mechanistic model (0.061), followed by the Dutch NE system (0.082), FIM ME system (0.097) and AFRCME system(0.118). For the energy evaluation systems, the error due to overall bias of prediction dominated the MSPE, whereas for the mechanistic model, proportionally 0.76 of MSPE was due to random variation. CCC analysis confirmed the higher accuracy and precision of the mechanistic model compared with energy evaluation systems. The error of prediction was positively related to grass protein content for the Dutch NE system, and was also positively related to grass DMI level for all models. In conclusion, current energy evaluation systems overestimate energy supply relative to energy requirement on grass-based diets for dairy cattle. The mechanistic model predicted glucogenic nutrients to limit performance of dairy cattle on grass-based diets, and proved to be more accurate and precise than the energy systems. The mechanistic model could be improved by allowing glucose maintenance and utilization requirements parameters to be variable. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Production and metabolic effects of site of starch digestion in lactating dairy cattle

Milk solids yield in modern dairy cows has increased linearly over the last 50 years, stressing the need for maximal dietary energy intake to allow genetic potential for milk energy yield to be realized with minimal negative effects on health and reproduction. Feeding supplemental starch is a common approach for increasing the energy density of the ration and supplying carbon for meeting the substantial glucose requirement of the higher yielding cow. In this regard, it is a long held belief that feeding starch in forms that increase digestion in the small intestine and glucose absorption will benefit the cow in terms of energetic efficiency and production response, but data supporting this dogma are equivocal. This review will consider the impact of supplemental starch and site of starch digestion on metabolic and production responses of lactating dairy cows, including effects on feed intake, milk yield and composition, nutrient partitioning, the capacity of the small intestine for starch digestion, and nutrient absorption and metabolism by the splanchnic tissues (the portal-drained viscera and liver). Whilst there appears to be considerable capacity for starch digestion and glucose absorption in the lactating dairy cow, numerous strategic studies implementing postruminal starch or glucose infusions have observed increases in milk yield, but decreased milk fat concentration such that there is little effect on milk energy yield, even in early lactation. Measurements of energy balance confirm that the majority of the supplemental energy arising from postruminal starch digestion is used with high efficiency to support body adipose and protein retention, even in early lactation. These responses may be mediated by changes in insulin status, and be beneficial to the cow in terms of reproductive success and well-being. However, shifting starch digestion from the rumen impacts the nitrogen economy of the cow as well by shifting the microbial protein gained from starch digestion from potentially absorbable protein to endogenous faecal loss.