Submitted by Aelson Maciera (aelsoncm@terra.com.br) on 2017-06-23T18:11:28Z No. of bitstreams: 1 DissJRFN.pdf: 1477527 bytes, checksum: cb09da4bfdd14f1e2c076f57d365b7a1 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-06-28T08:18:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJRFN.pdf: 1477527 bytes, checksum: cb09da4bfdd14f1e2c076f57d365b7a1 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-06-28T08:18:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJRFN.pdf: 1477527 bytes, checksum: cb09da4bfdd14f1e2c076f57d365b7a1 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-28T08:24:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissJRFN.pdf: 1477527 bytes, checksum: cb09da4bfdd14f1e2c076f57d365b7a1 (MD5) Previous issue date: 2017-02-23 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / In recent years, the application of attenuated Salmonella spp. has been investigated for development of several biotechnological products, mainly vaccines. However, the implementation of industrial processes to obtain these products depends on the development of strategies for this microorganism high-cell density cultures (HCDC). One of the HCDC’s greatest challenges is overcoming Salmonella’s metabolic limitations, as it presents a high organic acids production (mainly acetic acid) that inhibits biomass formation. In this context, this work proposes two approaches to deal with this problem and implement Salmonella’s HCDC: studying the cultivation of S. typhimurium using glycerol as carbon source to reduce the generation of organic acids; studying the cultivation of a recombinant strain of S. typhimurium expressing the enzyme acetyl-CoA synthetase (ACS) from E. coli, for improved acetate assimilation). Initially, cultures were grown in agitated flasks in minimal media for two carbon sources (glucose or glycerol) for the wild-type and the recombinant strain. After the preliminary experiments, the recombinant strain was cultivated in bioreactor operated in batch mode with minimal medium formulated with glycerol, glucose or acetic acid as carbon source, to evaluate acetate production and assimilation. The wild-type strain was cultivated in a continuous-mode bioreactor on minimal medium with glycerol at D=0.10; 0.17 and 0.22 h-1 to evaluate the S. typhimurium glycerol metabolism. During the cultivations, samples were collected and analyzed by high-performance liquid chromatography to quantify the production of organic acids and substrate consumption. To quantify the concentration of biomass, optical density (600 nm) readings of culture broth and dry cell weight measurements were performed. Agitated flasks and batch cultivations results indicated that the acetate production is reduced in medium with glycerol for both strains, and that the genetically modified cells present a lower acetate accumulation phenotype compared to the wild-type. Continuous cultures of the wild-type strain showed no acetate accumulation for a 0.1 h-1 dilution rate. At rates of 0.17 h-1 and 0.22 h-1 acetate accumulation was observed, but acetate flux was 2-fold lower than the flux reached in chemostat with glucose-formulated medium. Simulations were performed with the STM_v1.0 model using as input data the glycerol and oxygen fluxes estimated from the experimental results. Good predictions were obtained for the biomass, CO2 and acetate fluxes at the higher dilution rates. The results suggest that fed-batch culture using glycerol as carbon source along with an exponential feed to maintain a 0.1 h-1 specific growth rate as a promising strategy to obtain high cellular concentrations of wild-type S. typhimurium. The efficient acetate uptake observed for the recombinant S. typhimurium cells may allow higher values of specific growth rate to be used for this strain, resulting in a higher productivity of biomass. / Nos últimos anos, a aplicação de linhagens atenuadas de Salmonella spp. vem sendo amplamente investigada para o desenvolvimento de diversos produtos biotecnológicos, principalmente vacinas. No entanto, a implementação de processos industriais para a obtenção destes produtos depende do desenvolvimento de estratégias para o cultivo em alta densidade celular (CADC) deste microrganismo. Para isso, um dos grandes desafios a ser superado se refere às limitações metabólicas da Salmonella, uma vez que esta apresenta elevada produção de ácidos orgânicos (principalmente ácido acético) que inibem a formação de biomassa. Neste contexto, este trabalho propõe duas abordagens para lidar com este problema e implementar CADC de Salmonella: estudar o crescimento de Salmonella typhimurium em glicerol avaliando seu metabolismo como uma fonte de carbono menos propensa à geração de ácidos orgânicos; e estudar a produção destes ácidos por uma cepa de S. typhimurium geneticamente modificada para diminuir o acúmulo de acetato (super-expressão do gene acs, de Escherichia coli, que codifica a enzima acetil-CoA sintetase (ACS) responsável pela assimilação de acetato). Inicialmente foram realizados cultivos em frascos agitados em meio mínimo para duas fontes de carbono (glicose ou glicerol), para a cepa selvagem e para a cepa recombinante. Após os experimentos preliminares, foram realizados cultivos em biorreator operado em modo batelada com a cepa modificada em meio mínimo formulado com glicerol, glicose ou ácido acético, como fonte de carbono, a fim de avaliar a produção e a assimilação de acetato. Foram realizados cultivos em biorreator em modo contínuo com a cepa selvagem em meio mínimo com glicerol com D=0,10; 0,17 e 0,22 h-1 para avaliar o metabolismo do glicerol pela S. typhimurium. Ao longo dos cultivos foram coletadas amostras do caldo e analisadas por cromatografia líquida de alta eficiência para quantificar a produção de ácidos orgânicos e o consumo de substrato. Para quantificar a biomassa produzida, foram realizadas medidas de densidade ótica (600 nm) e de massa seca. Os resultados dos cultivos em frascos agitados e das bateladas indicam que, para ambas as cepas, a produção de acetato é reduzida em meio formulado com glicerol, e que as células modificadas geneticamente apresentam um fenótipo de menor acúmulo de acetato comparadas à linhagem selvagem. Os cultivos contínuos realizados com a cepa selvagem mostraram que não houve acúmulo de acetato para a taxa de diluição de 0,1 h-1. Já nas taxas de 0,17 h-1 e 0,22 h-1, apesar de haver acúmulo, o fluxo de produção de acetato foi cerca de 2 vezes menor que o observado em quimiostato em meio formulado com glicose. Foram realizadas simulações com o modelo STM_v1.0, tendo como dados de entrada os fluxos de glicerol e de oxigênio estimados a partir dos dados experimentais. O modelo descreveu bem os fluxos de biomassa, CO2 e acetato para as taxas de diluição mais altas. Os resultados obtidos sugerem o cultivo em batelada alimentada com glicerol como fonte de carbono, e alimentação exponencial definida para manter a velocidade específica de crescimento em 0,1 h-1, como uma estratégia promissora para obter altas concentrações celulares de S. typhimurium selvagem. Para a S. typhimurium recombinante, devido à sua eficiente assimilação de acetato, valores ainda maiores de velocidade específica de crescimento poderiam ser impostos, com elevado aumento de produtividade em biomassa.

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.