ISOLATION AND CHARACTERIZATION OF CHLORELLA SOROKINIANA GXNN01 (CHLOROPHYTA) WITH THE PROPERTIES OF HETEROTROPHIC AND MICROAEROBIC GROWTH

Heterotrophic and anaerobic microalgae are of significance in both basic research and industrial application. A microalga strain was isolated from a wastewater treatment pond and identified as Chlorella sorokiniana Shihira et W. R. Krauss GXNN01 in terms of morphology, physiology, and phylogeny. The strain grows rapidly in heterotrophic or mixotrophic conditions with addition of various carbon sources, and even in anaerobic conditions. The maximum growth rate reached 0.28 d(-1) when using D,L-malate as the carbon source, and the protein content of the microalgae was 75.32% in cell dry weight. The strain was shown to be capable of (1) utilizing D, L-malate only with light, (2) inhibiting photosynthesis in mixotrophic growth, and (3) growing in anaerobic conditions with regular photosynthesis and producing oxygen internally. This study demonstrates the influence of oxygen (aerobic vs. anaerobic) and metabolic regime (autotrophy, mixotrophy, heterotrophy) on the physiological state of the cell.

Reduction of the temperature sensitivity of Halomonas hydrothermalis by iron starvation combined with microaerobic conditions

The limits to biological processes on Earth are determined by physicochemical parameters, such as extremes of temperature and low water availability. Research into microbial extremophiles has enhanced our understanding of the biophysical boundaries which define the biosphere. However, there remains a paucity of information on the degree to which rates of microbial multiplication within extreme environments are determined by the availability of specific chemical elements. Here, we show that iron availability and composition of the gaseous phase (aerobic vs. microaerobic) determine susceptibility of a marine bacterium, Halomonas hydrothermalis, to sub-optimal and elevated temperature and salinity by impacting rates of cell division (but not viability). In particular, iron starvation combined with microaerobic conditions (5 % v/v of O2, 10 % v/v of CO2, reduced pH) reduced sensitivity to temperature across the 13 °C range tested. These data demonstrate that nutrient limitation interacts with physicochemical parameters to determine biological permissiveness for extreme environments. The interplay between resource availability and stress tolerance, therefore, may shape the distribution and ecology of microorganisms within Earth's biosphere.

Lipid-modified azurin of Neisseria meningitidis is a copper protein localized on the outer membrane surface and not regulated by FNR

The laz gene of Neisseria meningitidis is predicted to encode a lipid-modified azurin (Laz). Laz is very similar to azurin, a periplasmic protein, which belongs to the copper-containing proteins in the cupredoxin superfamily. In other bacteria, azurin is an electron donor to nitrite reductase, an important enzyme in the denitrifying process. It is not known whether Laz could function as an electron transfer protein in this important pathogen. Laz protein was heterologously expressed in Escherichia coli and purified. Electrospray mass spectrometry indicated that the Laz protein contains one copper ion. Laz was shown to be redox-active in the presence of its redox center copper ion. When oxidized, Laz exhibits an intense blue colour and absorbs visible light around 626 nm. The absorption is lost when exposed to diethyldithiocarbamate, a copper chelating agent. Polyclonal antibodies were raised against purified Laz for detecting expression of Laz under different growth conditions and to determine the orientation of Laz on the outer membrane. The expression of Laz under microaerobic and microaerobic denitrifying conditions was slightly higher than that under aerobic conditions. However, the expression of Laz was similar between the wild type strain and an fnr mutant, suggesting that Fumarate/Nitrate reduction regulator (FNR) does not regulate the expression of Laz despite the presence of a partial FNR box upstream of the laz gene. We propose that some Laz protein is exposed on the outer membrane surface of N. meningitidis as the αLaz antibodies can increase killing by complement in a capsule deficient N. meningitidis strain, in a dose-dependent fashion.

Oral Actinomyces Species in Health and Disease: Identification, Occurence and Importance of Early Colonization

The genus Actinomyces consists of a heterogeneous group of gram-positive, mainly facultatively anaerobic or microaerobic rods showing various degrees of branching. In the oral cavity, streptococci and Actinomyces form a fundamental component of the indigenous microbiota, being among initial colonizers in polymicrobial biofilms. The significance of the genus Actinomyces is based on the capability of species to adhere to surfaces such as on teeth and to co-aggregate with other bacteria. Identification of Actinomyces species has mainly been based on only a few biochemical characteristics, such as pigmentation and catalase production, or on the use of a single commercial kit. The limited identification of oral Actinomyces isolates to species level has hampered knowledge of their role both in health and disease. In recent years, Actinomyces and related organisms have attracted the attention of clinical microbiologists because of a growing awareness of their presence in clinical specimens and their association with disease. This series of studies aimed to amplify the identification methods for Actinomyces species. With the newly developed identification scheme, the age-related occurrence of Actinomyces in healthy mouths of infants and their distribution in failed dental implants was investigated. Adhesion of Actinomyces species to titanium surfaces processed in various ways was studied in vitro. The results of phenotypic identification methods indicated a relatively low applicability of commercially available test kits for reliable identification within the genus Actinomyces. However, in the study of conventional phenotypic methods, it was possible to develop an identification scheme that resulted in accurate differentiation of Actinomyces and closely related species, using various different test methods. Genotypic methods based on 16S rRNA sequence analysis of Actinomyces proved to be a useful method for genus level identification and further clarified the species level identification with phenotypic methods. The results of the study of infants showed that the isolation frequency of salivary Actinomyces species increased according to age: thirty-one percent of the infants at 2 months but 97% at 2 years of age were positive for Actinomyces. A. odontolyticus was the most prominent Actinomyces colonizer during the study period followed in frequency by A. naeslundii and A. viscosus. In the study of explanted dental implants, Actinomyces was the most prevalent bacterial genus, colonizing 94% of the fixtures. Also in the implants A. odontolyticus was revealed as the most common Actinomyces species. It was present in 84% of Actinomyces -positive fixtures followed in frequency by A. naeslundii, A. viscosus and A. israelii. In an in vitro study of titanium surfaces, different Actinomyces species showed variation regarding their adhesion to titanium. Surface roughness as well as albumin coating of titanium had significant effects on adhesion. The use of improved phenotypic and molecular diagnostic methods increased the accuracy of the identification of the Actinomyces to species level. This facilitated an investigation of their occurrence and distribution in oral specimens in both health and disease.

趋磁细菌AMB-1培养条件优化及磁小体变化过程研究

趋磁细菌(Magnetotactic bacteria)的研究是国际微生物学研究热点之一。趋磁细菌体内含有纳米单磁畴的氧化铁/硫化铁(Fe3O4或Fe3S4)晶体，称为磁小体。由于趋磁细菌营养条件要求苛刻，在环境中需要微好氧条件，且营养类型属于化能自养，使得培养趋磁细菌时常遇到问题。 本研究首先通过正交试验优化趋磁细菌AMB-1菌株培养条件，在培养条件铁源为奎尼酸铁0.02 mmol/L，装瓶量75% ，pH值6.7，温度25 ℃时，AMB-1 OD600达到0.440(1.166×109 cells/ml)。同时运用磁收集传代法，使带有磁小体的AMB-1细胞比例占95％以上(Cmag值稳定在1.9-2.0)。 在AMB-1具有较好的生物量，同时又具有较好的含磁小体细胞比例后，研究磁小体的变化过程。通过透射电镜观察磁小体变化过程，发现培养24 h细菌体内已有较小晶体形成(平均27 nm，n=188)且沿长轴分布；48 h晶体长大(平均43 nm，n=203)且形成分段链沿长轴排列；72 h晶体进一步成熟(平均50 nm，n=191)仍以分段链沿长轴排列；随后细菌逐渐衰亡磁小体变小，168 h可见部分自溶细菌中仍有磁小体链(平均37 nm，n=186)；192 h细菌自溶磁小体链(平均33 nm，n=184)分散到环境中。 通过透射电镜在细胞水平上研究趋磁细菌细胞分裂时发现，磁小体在细菌分裂时采用两种分离方式：一种为磁小体分配到两个子细胞；另一种为磁小体只分配到一个子细胞。无磁小体的子细胞，在随后的生长过程又分为两种情况：一种为细胞逐渐产生磁小体，另一种为不再产生磁小体。这种现象的发现，解释了随着传代次数的增多，细菌磁性有所下降的原因(Cmag值降低)。 在对趋磁细菌磁小体合成机制的研究中，常使用基因敲除的办法获得缺陷型，并与野生型对比进行研究。但是，利用基因敲除获得缺陷型不仅操作繁琐并且所得缺陷型不稳定。本研究利用特殊的磁富集传代法，先将带有磁小体的菌体收集并连续传代，筛选获得了高磁菌株；利用这种方法，收集不含磁小体的菌体并连续传代，筛选获得了无磁菌株。 趋磁细菌磁小体在医疗、环保等领域具有广阔应用价值，但是目前由于趋磁细菌难以大规模培养，并且磁小体纯化存在成本高等原因，将磁小体真正实际应用尚有一段距离。通过研究磁小体在趋磁细菌中的变化过程发现，AMB-1菌株在培养192 h后自溶，并且磁小体随着细胞的破碎释放到环境中去。

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

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

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.

Functional and expression analysis of the metal-inducible dmeRF system from Rhizobium legumionosarum bv. viciae

A gene encoding a homolog to the cation diffusion facilitator protein DmeF from Cupriavidus metallidurans has been identified in the genome of Rhizobium leguminosarum UPM791. The R. leguminosarum dmeF gene is located downstream of an open reading frame (designated dmeR) encoding a protein homologous to the nickel- and cobalt-responsive transcriptional regulator RcnR from Escherichia coli. Analysis of gene expression showed that the R. leguminosarum dmeRF genes are organized as a transcriptional unit whose expression is strongly induced by nickel and cobalt ions, likely by alleviating the repressor activity of DmeR on dmeRF transcription. An R. leguminosarum dmeRF mutant strain displayed increased sensitivity to Co(II) and Ni(II), whereas no alterations of its resistance to Cd(II), Cu(II), or Zn(II) were observed. A decrease of symbiotic performance was observed when pea plants inoculated with an R. leguminosarum dmeRF deletion mutant strain were grown in the presence of high concentrations of nickel and cobalt. The same mutant induced significantly lower activity levels of NiFe hydrogenase in microaerobic cultures. These results indicate that the R. leguminosarum DmeRF system is a metal-responsive efflux mechanism acting as a key element for metal homeostasis in R. leguminosarum under free-living and symbiotic conditions. The presence of similar dmeRF gene clusters in other Rhizobiaceae suggests that the dmeRF system is a conserved mechanism for metal tolerance in legume endosymbiotic bacteria.