O trabalho é proposto visando melhorar o consumo de xilose na bactéria Burkholderia sacchari utilizando o acúmulo de PHB como modelo de produção Foi desenvolvido um processo de evolução por meio da aplicação de feast and famine e Cultivos sequenciais em fase exponencial. Foi obtida uma linhagem mutante com uma velocidade especifica de crescimento de 0,24 h -1. Foi feita uma análise de fluxos metabólicos da qual foi possível concluir que o metabolismo da xilose acontecia em sua maioria pela VP junto com a ED. Foi feito um ensaio de acumulo com carbono marcado utilizando uma solução de xilose, de 20:80 de xilose marcada 13C em todos os carbonos e xilose não marcado, para determinar quais seriam as possíveis vias metabólicas no uso da xilose por parte de B. sacharia LFM 101 e da linhagem evoluída BSEV11. Foi determinado que houve embaralhamento de carbonos, fato que só acontece quando o metabolismo da xilose e feito pela VP junto com a via ED, assim foi possível conferir a via ED como principal via para o metabolismo da xilose em B. sacchari LFM 101. / To evaluate the possibilities of improving the productivity of PHA production from xylose, evolutionary engineering techniques were applied to B. sacchari to select cells with maximum specific growth rates (max) higher than the wild type. Metabolic flux analysis was also performed to evaluate the fluxes through central pathways and the possibility of further improvements by modifying fluxes rates. The evolved strain reached a max of 0.24 ± 0.01 h-1 at the end of the evolutionary process. Strains were submitted to bioreactor experiments. A metabolic network of the strain was usedn to determine the possible distribution of metabolic fluxes. A total of 19 elementary modes were obtained. It was concluded that the metabolism of xylose occurred mostly by VP along with the ED. The ED pathway has the major activity going on in a cyclic way. It was also performed a 13C labeled xylose assay, in which it was possibly to confirm the obtained results from the metabolic flux analyses.

O trabalho é proposto visando melhorar o consumo de xilose na bactéria Burkholderia sacchari utilizando o acúmulo de PHB como modelo de produção Foi desenvolvido um processo de evolução por meio da aplicação de feast and famine e Cultivos sequenciais em fase exponencial. Foi obtida uma linhagem mutante com uma velocidade especifica de crescimento de 0,24 h -1. Foi feita uma análise de fluxos metabólicos da qual foi possível concluir que o metabolismo da xilose acontecia em sua maioria pela VP junto com a ED. Foi feito um ensaio de acumulo com carbono marcado utilizando uma solução de xilose, de 20:80 de xilose marcada 13C em todos os carbonos e xilose não marcado, para determinar quais seriam as possíveis vias metabólicas no uso da xilose por parte de B. sacharia LFM 101 e da linhagem evoluída BSEV11. Foi determinado que houve embaralhamento de carbonos, fato que só acontece quando o metabolismo da xilose e feito pela VP junto com a via ED, assim foi possível conferir a via ED como principal via para o metabolismo da xilose em B. sacchari LFM 101. / To evaluate the possibilities of improving the productivity of PHA production from xylose, evolutionary engineering techniques were applied to B. sacchari to select cells with maximum specific growth rates (max) higher than the wild type. Metabolic flux analysis was also performed to evaluate the fluxes through central pathways and the possibility of further improvements by modifying fluxes rates. The evolved strain reached a max of 0.24 ± 0.01 h-1 at the end of the evolutionary process. Strains were submitted to bioreactor experiments. A metabolic network of the strain was usedn to determine the possible distribution of metabolic fluxes. A total of 19 elementary modes were obtained. It was concluded that the metabolism of xylose occurred mostly by VP along with the ED. The ED pathway has the major activity going on in a cyclic way. It was also performed a 13C labeled xylose assay, in which it was possibly to confirm the obtained results from the metabolic flux analyses.

O 1,3-propanodiol é um composto produzido a partir da fermentação do glicerol por bactérias como a do gênero Klebsiella e que pode ser utilizado para diversas aplicações na indústria, como a produção de PTT (politrimetileno tereftalato). Esse trabalho focou na produção de 1,3-propanodiol utilizando os genes que codificam as enzimas da via retirados de uma cepa de Klebsiella previamente isolada (GLC29). Os genes foram inseridos em um plasmídeo e este em cepa hospedeira de Escherichia coli com alteração na afinidade da enzima isocitrato desidrogenase pelo seu cofator. A enzima foi modificada no genoma da bactéria e utiliza como cofator NAD em vez do NADP original. Ensaios preliminares em agitador rotativo mostraram uma melhoria de produção da cepa mutada em comparação com a Escherichia coli selvagem. Em ensaios em biorreator, variando a concentração de oxigênio dissolvido no meio, a cepa mutante apresentou uma produção 25% maior que a cepa selvagem na condição de maior produção com 5% de oxigênio dissolvido. / The 1,3-propanediol is a compound produced from glycerol fermentation by bacteria such as Klebsiella and which can be used for various applications in industry, such as the production of PTT (polytrimethylene terephthalate). This work focused on the production of 1,3-propanediol using genes encoding the enzymes of the pathway taken from a Klebsiella strain previously isolated (GLC29). The genes were inserted into a plasmid and in the host strain of Escherichia coli with changes in the affinity of the enzyme isocitrate dehydrogenase for its cofactor. The enzyme was modified in the genome of the bacteria using the cofactor NAD instead of the original NADP. Preliminary tests on shaker showed an improvement of production by the mutated strains in comparison to the wild Escherichia coli. In biorreactor cultivation, varying the concentration of dissolved oxygen in the medium, the mutant strain showed a production 25% higher than the wild type strain in the condition with 5% of dissolved oxygen.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2017-01-23T10:29:06Z No. of bitstreams: 1 TeseCRS.pdf: 3506039 bytes, checksum: 68f4c5fe1c6ae3672adcedf3450e2f31 (MD5) / Approved for entry into archive by Camila Passos (camilapassos@ufscar.br) on 2017-01-23T15:48:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCRS.pdf: 3506039 bytes, checksum: 68f4c5fe1c6ae3672adcedf3450e2f31 (MD5) / Approved for entry into archive by Camila Passos (camilapassos@ufscar.br) on 2017-01-23T15:48:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCRS.pdf: 3506039 bytes, checksum: 68f4c5fe1c6ae3672adcedf3450e2f31 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-23T15:48:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseCRS.pdf: 3506039 bytes, checksum: 68f4c5fe1c6ae3672adcedf3450e2f31 (MD5) Previous issue date: 2015-08-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / The genus Salmonella spp. has been extensively investigated because these bacteria are important pathogens that frequently cause severe diseases and gastrointestinal infections in humans and animals. Moreover, in recent years, Salmonella has called attention due to the excellent results in the production and in vivo delivery of various substances with potential application in Vaccinology. However, there is still little information available concerning aspects of its metabolism, which hampers both the development of new attenuated strains and the large-scale production of live cells and cellular components. Thus, this work aimed to study the S. typhimurium LT2 metabolism, using traditional and innovative approaches to investigate different carbon sources as well as different bioreactor operation modes and aeration conditions (aerobic and anaerobic). Results obtained in batch and chemostat cultivations indicated that S. typhimurium metabolism differs significantly from E. coli metabolism, closely related bacteria species with regard to the central carbon metabolism. The main difference observed between these bacteria was the high level of acetate production exhibited by S. typhimurium LT2 cells, which, differently from E. coli, occurred even at the lowest dilution rate evaluated. Currently, genome scale metabolic models are important tools for better understanding the phenotypic behavior of many organisms. Therefore the model STM_v1.0 reconstructed for S. typhimurium LT2 was evaluated, comparing experimental data, obtained in chemostat cultivations, with model predictions. Since this model was derived from E. coli model, the simulated results for biomass formation were overestimated and, consequently, predicted acetate fluxes were lower than those obtained experimentally. Therefore, to obtain experimental data useful to improve the model and to reach a better comprehension of S. typhimurium metabolism, the technique of metabolic flux analysis using isotopic labeled substrate was adopted, allowing determination of the fluxes for the main pathways of central carbon metabolism of Salmonella. This analysis revealed different preferred metabolic pathways depending on the specific growth rate. At the lowest dilution rate evaluated, D = 0.24 h-1, glucose was catabolized predominantly by the pentose phosphate and glycolysis pathways, while at the dilution rate of 0.48 h-1, the major pathway of glucose oxidation was Entner-Doudoroff. In addition, a relatively high flux through the citric acid cycle at the higher dilution rate studied was observed. / Bactérias do gênero Salmonella spp. são extensivamente estudadas por serem importantes patógenos, causando frequentemente graves doenças e infecções gastrointestinais em humanos e animais. Além disso, nos últimos anos, estas bactérias vêm ganhando um destaque ainda maior na área da biotecnologia por apresentarem ótimos resultados na produção e veiculação in vivo de diversas substâncias com fins vacinais. No entanto, ainda há poucas informações a respeito de seu metabolismo, dificultando tanto o desenvolvimento de novas linhagens atenuadas, como também a produção em larga escala de células vivas e de componentes celulares. Neste sentido, este trabalho se propôs a estudar o metabolismo de S. typhimurium LT2, utilizando inicialmente abordagens tradicionais para investigar seu comportamento na presença de diferentes fontes de carbono, em diferentes modos de operação de biorreator e de aeração (aeróbias e anaeróbias). Os resultados obtidos em cultivos em batelada e em quimiostatos evidenciaram que o metabolismo da S. typhimurium difere bastante do metabolismo da E. coli, espécies consideradas semelhantes com relação ao metabolismo do carbono central. A principal diferença observada entre essas duas bactérias foi a elevada produção de acetato pelas células de S. typhimurium LT2, mesmo em baixas velocidades de crescimento nas quais este metabólito não é produzido por diversas estirpes de E. coli. Atualmente, modelos metabólicos em escala genômica são ferramentas importantes para que o comportamento do fenótipo de diversos organismos sejam melhor compreendidos. Assim, avaliou-se o modelo STM_v1.0 reconstruído para S. typhimurium LT2, comparando-se dados obtidos experimentalmente, em quimiostatos, e os preditos pelo modelo. No entanto, como este modelo foi baseado no modelo da E. coli, os resultados simulados para produção de biomassa foram superestimados e, consequentemente, os fluxos de acetato foram inferiores aos obtidos experimentalmente. Sendo assim, para se obter dados experimentais úteis para aprimorar o modelo e para uma compreensão maior do metabolismo de S. typhimurium, utilizou-se a técnica de análise dos fluxos metabólicos com substrato isotopicamente marcado, permitindo a determinação dos fluxos das principais vias do metabolismo do carbono central da bactéria em estudo. Essa análise revelou diferenças na utilização das vias metabólicas em função da velocidade específica de crescimento, sendo que na menor taxa de diluição avaliada, D = 0,24 h-1, a glicose foi predominantemente catabolizada pelas vias pentose fosfato e glicólise, enquanto na taxa de diluição de 0,48 h-1, a via principal de oxidação da glicose foi a Entner- Doudoroff. Além disso, também observou-se um fluxo relativamente maior na via do ciclo do ácido cítrico na maior taxa de diluição estudada.

O copolímero biodegradável poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxihexanoato) P(3HB-co-3HHx) é um polihidroxialcanoato (PHA) que apresenta várias aplicações. A bactéria Burkholderia sacchari acumula P(3HB-co-2mol%3HHx), a partir de glicose e ácido hexanoico. Com o objetivo de obter P(3HB-co-3HHx) com diferentes teores de 3HHx por B. sacchari, foram construídas linhagens recombinantes, contendo genes do operon phaPCJ de Aeromonas spp. Os recombinantes produziram P(3HB-co-3HHx), a partir de ácidos hexanoico, láurico e linoleico, com teores de 3HHx entre 1,88-18 mol%. Experimentos em biorreator com o recombinante, alimentada na fase de acúmulo por glicose 140 g/L e ácido hexanoico entre 0-45 g/L, resultaram copolímeros com composições variando de 0 a 20 mol% de 3HHx. Os copolímeros assim produzidos foram extraídos e analisados quanto às propriedades físicas. A análise de fluxos metabólicos indicou que a produção de PHA pode ser aumentada com mudanças no metabolismo central e deleção/superexpressão de genes. / The biodegradable copolymer poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) P(3HB-co-3HHx) is a polyhydroxyalkanoate (PHA) presenting various applications. The bacterium Burkholderia sacchari accumulated P(3HB-co-2mol%3HHx) from glucose and hexanoic acid. In order to obtain P(3HB-co-3HHx) with different 3HHx amounts by B. sacchari, recombinant strains containing phaPCJ operon genes from Aeromonas spp were constructed. Recombinant strains produced P(3HB-co-3HHx) from hexanoic, lauric and linoleic acids, with contents of 3HHx ranging from 1.88 to 18 mol%. Experiments with the recombinant in bioreactor, fed in the accumulation phase by glucose 140 g.l-1and hexanoic acid 0-45 g.l-1, resulted in copolymers with compositions ranging from 0 to 20 mol% of 3HHx. The copolymers produced were extracted and analyzed for physical properties. The metabolic flux analysis indicated that PHA production can be increased by modifying the central metabolism and deleting/ overexpressing genes.

O copolímero biodegradável poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxihexanoato) P(3HB-co-3HHx) é um polihidroxialcanoato (PHA) que apresenta várias aplicações. A bactéria Burkholderia sacchari acumula P(3HB-co-2mol%3HHx), a partir de glicose e ácido hexanoico. Com o objetivo de obter P(3HB-co-3HHx) com diferentes teores de 3HHx por B. sacchari, foram construídas linhagens recombinantes, contendo genes do operon phaPCJ de Aeromonas spp. Os recombinantes produziram P(3HB-co-3HHx), a partir de ácidos hexanoico, láurico e linoleico, com teores de 3HHx entre 1,88-18 mol%. Experimentos em biorreator com o recombinante, alimentada na fase de acúmulo por glicose 140 g/L e ácido hexanoico entre 0-45 g/L, resultaram copolímeros com composições variando de 0 a 20 mol% de 3HHx. Os copolímeros assim produzidos foram extraídos e analisados quanto às propriedades físicas. A análise de fluxos metabólicos indicou que a produção de PHA pode ser aumentada com mudanças no metabolismo central e deleção/superexpressão de genes. / The biodegradable copolymer poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) P(3HB-co-3HHx) is a polyhydroxyalkanoate (PHA) presenting various applications. The bacterium Burkholderia sacchari accumulated P(3HB-co-2mol%3HHx) from glucose and hexanoic acid. In order to obtain P(3HB-co-3HHx) with different 3HHx amounts by B. sacchari, recombinant strains containing phaPCJ operon genes from Aeromonas spp were constructed. Recombinant strains produced P(3HB-co-3HHx) from hexanoic, lauric and linoleic acids, with contents of 3HHx ranging from 1.88 to 18 mol%. Experiments with the recombinant in bioreactor, fed in the accumulation phase by glucose 140 g.l-1and hexanoic acid 0-45 g.l-1, resulted in copolymers with compositions ranging from 0 to 20 mol% of 3HHx. The copolymers produced were extracted and analyzed for physical properties. The metabolic flux analysis indicated that PHA production can be increased by modifying the central metabolism and deleting/ overexpressing genes.