Cyanobacteria belong to the oldest organisms of our planet. They use photosynthesis to produce ATP and gain biomass from carbon dioxide. The cyanobacteria Nostoc punctiforme is a filamentous bacterium that consists of two different types of cells, vegetative cells and heterocysts. The type of cell it differentiates into depends on the media they grow in. In an ammonium-rich medium, the N.punctiforme consists of vegetative cells that differentiate into heterocysts when in the medium is changed to a low-concentration ammonium medium. The ammonium-binding nitrogenase in the heterocysts does not work in an oxidative environment. During oxidative stress, N.punctiforme produces Dps (DNA binding protein from starved cells) which protects DNA. In the heterocysts the nitrogenase produces hydrogen as a side product. The hypothesis is that Dps is cell specific. In order to study this protein, a fusion of the promotor of Dps and GFP (Green Flourescent Protein) was constructed. To detect GFP, optimization of a Western Blot (WB) for GFP was performed. Protein samples were analyzed in strains of N.punctiforme. In strain 12A, the production of GFP was visualized but the band was not specific. Several attempts of optimization of the WB procedure were performed, but none of them showed clear specific protein detection in the N.punctiforme strains. Further optimization of the WB protocol is needed.

Mälaren är Sveriges tredje största sjö och även den dricksvattentäkt som försörjer flest människor i Sverige med vatten. Ett hot mot Mälarens vattenkvalité är algblomningar då vissa cyanobakterier producerar giftiga cyanotoxiner. Under 60-talet ledde övergödningen i Mälaren till kraftiga algblomningar och för att kunna råda bot på problemet infördes ett övervakningsprogram som nu har följt Mälarens utveckling i snart 60 år. I denna studie undersöktes med hjälp av detta övervakningsprogram vid vilka förhållanden cyanobakterier, framförallt de kvävefixerande Nostocales, frodas i Mälaren. Därefter önskades slutsatser kunna dras om vilka åtgärder som kan vara lämpliga för hålla nere populationen och därmed inte utgöra en risk för dricksvattenkvalitén.  Först genomfördes en långtidsstudie för att analysera vilka parametrar som historiskt har haft den tydligaste kopplingen till biovolymen växtplankton, cyanobakterier och Nostocales med hjälp av en multivariat regressionsmodell (PLS). Från detta framgick att de undersökta parametrarna kunde förklara 29 % av variationen i biovolymen för växtplankton, 41 % för cyanobakterier och 45 % för Nostocales. För växtplankton var pH och siktdjup de parametrar som kunde förklara störst del av variationen i biovolym och för cyanobakterier och Nostocales var istället vattentemperaturen, oorganiskt kväve/totalfosfor samt halten oorganiskt kväve de parametrar som hade tydligast koppling till biovolymen.  Därefter genomfördes en säsongsstudie för att kunna förklara nutida halter och säsongsvariationer för fem av Mälarens mätstationer (Ekoln, Galten, Granfjärden, Görväln och Södra Björkfjärden). Variationen av halten cyanobakterier kopplades närmast till temperaturen eftersom cyanobakterierna till stor del var begränsade till sommar och sensommar. Övriga växtplankton kunde däremot förekomma i höga halter även under våren. Att Ekoln hade betydligt högre halter oorganiskt kväve än Galten skulle kunna förklara skillnaden i andelen Nostocales mellan de två mätstationerna, där Galten hade en stor andel Nostocales och Ekoln en låg andel. Dock kunde kvävehalten inte förklara skillnader i fördelning mellan kvävefixerande och icke kvävefixerande cyanobakterier för de andra mätstationerna. Galtens stora tillrinning, grunda förhållanden och artrikedom skulle även kunna förklara bassängens höga halter av växtplankton under hela året.  Då temperaturen visat sig vara den parameter med tydligast koppling till cyanobakteriernas tillväxt är att begränsa den globala uppvärmningen den viktigaste åtgärden för att förhindra en ökad algblommning i framtiden. Kring resterande parametrar var slutsatser svåra att dra och i och med osäkerheten i frågan är en fortsatt noggrann miljöövervakning och handlingsplan när problemen väl uppstår av stor vikt. / Lake Mälaren is the third largest lake in Sweden and the source of drinking water for two million people. A threat to the water quality of Lake Mälaren is algal blooms since some cyanobacteria produce toxic cyanotoxins. In the 1960s, eutrophication in Lake Mälaren led to heavy algal blooms and in order to handle the problem, a monitoring program was introduced that has now followed Lake Mälaren's development for almost 60 years. In this study, the conditions under which cyanobacteria, especially the nitrogen-fixing Nostocales, thrive in Lake Mälaren was analysed using data from the monitoring program. Thereafter the goal was to draw conclusions regarding which measures may be needed to keep the population down so as not to pose a risk to drinking water quality. To begin with, a long-term study was conducted to analyse which parameters have historically had the clearest connection to the biovolume of phytoplankton, cyanobacteria and Nostocales using a multivariate regression model (PLS). This showed that the examined parameters could explain 29 % of the variation in phytoplankton biovolume, 41 % of the variation in the cyanobacteria biovolume and 45 % of the variation in Nostocales biovolume. For phytoplankton, pH and water transparency were the parameters that could explain most of the variation in biovolume, and for cyanobacteria and Nostocales, water temperature, the ratio between inorganic nitrogen and total phosphorus and the content of inorganic nitrogen were the parameters most clearly linked to the biovolume. Thereafter, a seasonal study was conducted to help explain current levels and seasonal variations for five of Lake Mälaren's measuring stations (Ekoln, Galten, Granfjärden, Görväln and Södra Björkfjärden). The variation of the cyanobacteria level was most closely linked to the temperature, as cyanobacteria was mostly limited to the summer. The ratio between inorganic nitrogen and total phosphorus and the content of inorganic nitrogen seemed to be an explanation for the difference between the high share of Nostocales in Galten where nitrogen was scarce, and the low proportions in Ekoln where nitrogen was abundant, but did not explain the distribution between nitrogen-fixing and non nitrogen-fixing cyanobacteria in the other basins. Galten's large inflow, shallow conditions and species richness could also explain the basin's high levels of phytoplankton throughout the year. With temperature as the parameter most clearly linked to the content of cyanobacteria, limiting global warming is the most important of measures to prevent increased algal blooms in the future. With regard to the remaining parameters, conclusions were difficult to draw and due to the uncertainty in the matter, continued close environmental monitoring and an action plan once the problems arise are of great importance.

Climate change and its effects on our society is a steadily growing problem. In 2010, the industry sector accounted for more than 30% of the global greenhouse gas emissions. The chemical industry is one of the industrial subsectors responsible for the highest emissions of greenhouse gas. To reach the climate goals it is therefore urgent to find more sustainable options for production of chemicals in general. Synthetic biology and microbial cell factories are growing fields that have received much attention for inferring promising sustainable alternative production routes for various compounds. When it comes to microbial cell factories, cyanobacteria infer many advantages over heterotrophs. Cyanobacteria can for instance convert atmospheric CO2 into valuable compounds through photosynthesis using the light reaction and the Calvin-Benson cycle. In the present work, the freshwater cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 is metabolically engineered to produce 1,2-propanediol; an important chemical feedstock for which there is a great interest in finding a sustainable production route as an alternative to the current petrochemical one. Seven different constructs are designed for introduction and expression of a three-step heterologous metabolic pathway for 1,2-propanediol production. Two strains of Synechocystis are successfully engineered, with the heterologous pathway chromosomally integrated at the Neutral Site I through homologous recombination with an integrative plasmid targeting this genomic site. One of the three heterologous genes (mgsA) of the pathway was successfully translated as shown in a Western immunoblot. In a SDS-PAGE a band of 40 kDa was detected, corresponding to the size of both the sADH and YqhD enzymes.

Cyanobakterier är intressanta mikroorganismer för produktion av biobränslen från solljus, vatten och atmosfärisk koldioxid och anses därför vara potentiella mikrobiella cellfabriker. Men på grund av långsam tillväxt och låg produktion är genteknologi processen intensiv och tidskrävande för cyanobakterier. En alternativ metod till prototypteknik för metabola vägar är att använda cellfri metabolisk teknik där cellysat av överuttryckta enzymer används. I detta projekt försökte vi utveckla en metod för cellfri metabolisk ingenjörsteknik för cyanobakterien Synechocystis PCC 6803 med hjälp av den övre mevalonatvägen som exempelreaktionsväg. Vi började med att utveckla tre fluorescensbaserade metoder för att detektera proteinöveruttryck med hjälp av de tre enzymerna från mevalonatreaktionsvägen. Dessa metoder använde fusering av YFP-proteinet till målproteinet, en delad GFP-reporterprotein eller translationskoppling. Ett av de överuttryckta enzymerna verkade vara giftigt för Synechocystis-celler så flera inducerbara promotorer användes för att försöka uttrycka enzymet. Den högst uttryckande konstruktionen för varje gen valdes ut och proteiner extraherades och blandades i en cellfri metabolisk ingenjörsreaktion. Även om inget mevalonat kunde detekteras med hjälp av gaskromatografi i detta projekt, berodde detta sannolikt på otillräckligt högt proteinöveruttryck av mevalonatgenerna. / Cyanobacteria are desirable microorganisms for the production of biofuels from sunlight, water and atmospheric carbon dioxide, and are therefore considered potential microbial cell factories. But due to slow growth rate and low production rates, the engineering processes for bioproduction is labour intensive and time consuming. An alternative method to prototype metabolic pathway engineering is to use cell-free metabolic engineering, where cell lysates of enriched enzymes are used. In this project, we attempted to develop a method for cell-free metabolic engineering for the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 using the upper mevalonate pathway as an example pathway. We started by developing three fluorescence-based methods for detecting protein overexpression using the three enzymes from the mevalonate pathway. These methods used YFP fusion to target proteins, a split GFP reporter tag or translation coupling. One of the overexpressed enzymes appeared to be toxic to Synechocystis cells so several inducible promoters were used to try and express the enzyme. The highest expressing construct for each gene was selected and proteins were extracted and mixed in a cell free metabolic engineering reaction. Although no mevalonate could be detected using gas chromatography in this project, this was likely due to insufficiently high protein overexpression of the mevalonate pathway genes.