Les cellules ont développé plusieurs voies de signalisation et de réponses transcriptionnelles pour réguler leur taille et coordonner leur croissance et leurs divisions cellulaires. L'intérieur des cellules est naturellement surchargé par des macromolécules. Cet encombrement macromoléculaire, appelé crowding, a été intensément étudié in vitro et est connu pour affecter la cinétique des réactions. Cependant, l'étude des effets d'encombrement in vivo est plus difficile en raison du haut niveau de complexité et d'hétérogénéité à l'intérieur d'une cellule. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux effets de changement du volume cellulaire sur la cinétique de réactions biochimiques chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Pour cela, nous avons induit des stress osmotiques pour comprimer la cellule et étudier l'impact du crowding sur les cinétiques de signalisation. La réduction du volume cellulaire augmente la viscosité interne et peut retarder le fonctionnement de plusieurs voies de signalisation et de processus cellulaires. En augmentant progressivement le niveau de compression, on observe un ralentissement des processus biologiques jusqu'à un point où l'adaptation cellulaire est abolie. Ceci a été observé pour la translocation nucléaire de facteurs de transcription (Hog1, Msn2, Crz1, Mig1 et Yap1) ainsi que pour la mobilité des protéines Abp1 et Sec7. Nous montrons aussi que la compression altère la capacité de plusieurs protéines à diffuser dans le cytoplasme de différents types cellulaires. Nous proposons que ces altérations cinétiques induites par l'augmentation de la viscosité intracellulaire ne soient pas sans rappeler une transition vitreuse. Ces résultats suggèrent l'importance d'un encombrement macromoléculaire optimal permettant aux cellules de fonctionner correctement.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-08-17T12:44:53Z No. of bitstreams: 1 CECÍLIA ELISA DE SOUSA MUNIZ - DISSERTAÇÃO (PPGEQ) 2017.pdf: 1566496 bytes, checksum: 6a11f4784c5c418c014738b1b8624c76 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-17T12:44:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CECÍLIA ELISA DE SOUSA MUNIZ - DISSERTAÇÃO (PPGEQ) 2017.pdf: 1566496 bytes, checksum: 6a11f4784c5c418c014738b1b8624c76 (MD5) Previous issue date: 2017-10-05 / Com os produtos tradicionais fontes de proteína se tornando mais caros a cada dia, surge a necessidade de desenvolver novos produtos alimentícios com alto valor nutricional e que ainda assim sejam de baixo custo, podendo ser consumido pela população de todas as classes econômicas. As barras de cereais já representam uma alternativa de complemento alimentar à base de carboidratos e fibras, sendo assim, esta pesquisa teve como objetivo elaborar barras de cereais que contenham na sua composição resíduos agroindustriais, que submetidos ao processo de enriquecimento proteico por via microbiana, irão aumentar o teor proteico e nutricional deste respectivo produto, além de torna-los mais baratos. O microrganismo utilizado foi a levedura Saccharomyces cerevisiae, e os resíduos escolhidos para tal objetivo foram o bagaço do caju e as cascas de goiabas. Inicialmente fez-se o preparo dos resíduos, os quais foram secos em estufa com circulação de ar a 55±2°C até peso constante. A caracterização físico-química dos resíduos do caju e da goiaba mostrou que, estes poderiam ser submetidos ao processo fermentativo de enriquecimento proteico e posteriormente como ingredientes na elaboração das barras de cereais, apresentando teores suficiente de açúcares redutores, pectina e fibras, além de um pH adequado ao meio de cultivo. Para o enriquecimento proteico utilizou-se a levedura em uma concentração de 3%, para o resíduo do caju e de 5% para o resíduo da goiaba, sob temperatura de 30ºC durante 9h de cultivo. Tanto o resíduo do caju quanto o da goiaba teve o seu teor de proteína elevado em quatro vezes. Após a obtenção dos resíduos enriquecidos proteicamente foram elaboradas quatro formulações de barras de cereais, onde a aveia foi substituída parcialmente pelos resíduos agroindustriais, (F0) formulação de referência sem adição de nenhum dos resíduos, (F1) constituída apenas pelo resíduo do caju, (F2) constituída apenas pelo resíduo da goiaba e (F3) constituída pelos dois resíduos, goiaba e caju. As barras de cereais elaboradas foram caracterizadas físico-químicamente quanto ao teor de água, cinzas, lipídeos, carboidratos, proteína e fibra alimentar, apresentando resultados bastante satisfatórios, principalmente quanto ao teor de proteína, em torno de 12% para a formulação F1, valor este superior ao encontrado nas barras de cereais comercializadas no mercado. Posteriormente elas foram submetidas a análise microbiológica para verificar a ausência/presença de coliformes totais, coliformes fecais e salmonela sp., os resultados obtidos apresentaram contagens inferiores ás máximas estipuladas pela RDC n° 12 atendendo portanto, aos requisitos da legislação vigente. Por fim as formulações foram avaliadas sensorialmente em uma academia da cidade por um grupo de 40 julgadores os quais avaliaram os atributos: cor, aroma, sabor, textura e aceitação global, utilizando uma escala hedônica de 9 pontos, além da intenção de compra, utilizando uma escala hedônica de 5 pontos. Os resultados obtidos foram satisfatórios, para todas as barras de cereais analisadas pelos julgadores os quais afirmaram que gostaram moderadamente (7) e que possivelmente comprariam (4) caso elas fossem comercializadas. / With traditional sources of protein becoming more expensive every day, there is a need to develop new food products with high nutritional value that are still low cost and can be consumed by the population of all economic classes. The cereal bars already represent an alternative food complement based on carbohydrates and fibers, so, this research aims to elaborate cereal bars containing in their composition agroindustrial residues, which undergo the process of microbial protein enrichment, will increase the protein and nutritional content of this respective product, besides making them cheaper. The microorganism used was the yeast Saccharomyces cerevisiae, and the residues chosen for this purpose were the cashew bagasse and the guava husks. Initially the waste was prepared, which were dried in an oven with air circulation at 55 ± 2 ° C until constant weight. The physico-chemical characterization of the cashew and guava residues showed that they could be submitted to the fermentative process of protein enrichment and later as ingredients in the elaboration of the cereal bars, presenting sufficient levels of reducing sugars, pectin and fibers, besides a pH suitable for culture medium. For protein enrichment, the yeast was used at a concentration of 3% for the cashew residue and 5% for the guava residue, at a temperature of 30 ° C for 9h of culture. Both the cashew and guava residue had their protein content elevated fourfold. After obtaining the protein enriched residues, four formulations of cereal bars were elaborated, where the oats were replaced partially by the agroindustrial residues, (F0) reference formulation without addition of none of the residues, (F1) constituted only by the cashew residue, F2) constituted only by guava residue and (F3) constituted by the two residues, guava and cashew. The elaborated cereal bars were physicochemically characterized as water, ash, lipids, carbohydrates, protein and dietary fiber, presenting satisfactory results, mainly regarding the protein content, around 12% for the formulation F1, value higher than that found in cereal bars marketed on the market. Subsequently, they were submitted to microbiological analysis to verify the absence/presence of total coliforms, fecal coliforms and salmonella sp., the results obtained were lower than the maximum stipulated by RDC n° 12, thus meeting the requirements of current legislation. Finally, the formulations were evaluated sensorially in a gymnasium of the city by a group of 40 judges who evaluated the attributes: color, aroma, flavor, texture and global acceptance, using a hedonic scale of 9 points, besides the intention to buy, using a hedonic scale of 5 points. The results obtained were satisfactory for all cereal bars analyzed by the judges who stated that they liked moderately (7) and that they would possibly buy (4) if they were marketed.

The N-terminal tails of histone proteins protrude from the nucleosome core and are extensively post-translationally modified. These modifications are proposed to affect many DNA-based processes such as transcription, DNA replication and repair. Post-translational modifications on histone tails do not act independently but are subject to crosstalk. One example of crosstalk is on histone H3 between lysine 14 (H3K14) and trimethylated lysine 4 (H3K4me3), a modification found at the 5’ end of most active or poised genes. In this work, Western blots and chromatin immunoprecipitation (ChIP) experiments show that different amino acid substitutions at histone H3 position 14 cause varying degrees of H3K4me3 loss, indicating that H3K14 is not essential for H3K4me3 but acts as a modulator of H3K4me3 levels. A neighbouring residue, H3P16 is also important for H3K4me3 and may operate in concert with H3K14 to control H3K4me3. These crosstalk pathways have gene-specific effects and the levels of H3K4me3 are influenced to different extents on genes that fall into functionally distinct classes. A model is proposed to explain how H3K14/H3P16 may exert these varying effects on H3K4me3 at individual genes. In addition to its ability to regulate H3K4me3, H3K14 also influences the levels of two modifications on H3K18, acetylation and monomethylation. A ChIP-sequencing experiment has shown that H3K18me1, a previously uncharacterised modification in S. cerevisiae, is widely distributed throughout the genome and correlates strongly with histone H3 levels. The potential for a functional acetyl/methyl switch at H3K18 is explored. Together, these data indicate that, with gene-specific effects, crosstalk between histone modifications may be even more complex than originally thought.

L’environnement naturel des levures est constitué d’une communauté de cellules. Les chercheurs, cependant, préfèrent étudier les levures dans des environnements plus simples et homogènes, comme des cultures en cellule unique ou en population, s’affranchissant ainsi de la complexité de la croissance spatiotemporelle, la différentiation, l’auto-organisation, ainsi que la façon dont ces caractéristiques sont formées et s’entrelacent à travers l’évolution et l’écologie. Nous avons mis en place un dispositif microfluidique multicouches permettant la croissance de colonie de levures dans des environnements dynamiques, spatialement structurés, contrôlés, partant d’une monocouche de levures à une colonie multicouches. La croissance des colonies, dans son ensemble comme à des positions spécifiques, est le résultat de la formation d’un gradient de nutriment au sein de celles-ci - gradient qui trouve son origine dans le différent taux de diffusion des nutriments, des taux d’absorption de ceux-ci par les cellules, ainsi que de leurs concentrations initiales. Lorsqu’un nutriment en quantité limitante (par exemple le glucose ou un acide aminé) est épuisé, à une distance spécifique de la source de nutriments, les cellules au sein de la colonie cessent de croitre. Nous avons été en mesure de moduler cette distance spécifique en variant la concentration initiale de nutriments ainsi que le taux d’absorption des cellules. Les motifs d’expression de gènes de la colonie nous ont donné des informations sur la formation de micro environnements spécifiques ainsi que sur le développement subséquent, la différentiation et l’auto-organisation. Nous avons quantifié les motifs d’expression de sept gènes de transport du glucose (HXT1-7), chacun exprimé spécifiquement suivant la concentration de glucose, ce qui nous a permis de reconstituer la formation de gradients de glucose au sein d’une colonie. En étudiant des gènes spécifiques de la fermentation et de la respiration, nous avons pu observer la différentiation en deux sous-populations. Nous avons de plus cartographié l’expression de gènes impliqués dans différentes parties du métabolisme des glucides, suivi et quantifié la dynamique spatio-temporelle de croissance et d’expression génétique et finalement modélisé la croissance de la colonie ainsi que la formation du gradient de nutriment. Pour la première fois, nous avons observé la croissance, la différentiation et l’auto-organisation des colonies de S. cerevisiae avec une résolution spatio-temporelle jusqu’à maintenant inégalée / The natural environment of yeast is often a community of cells but researchers prefer to study them in simpler homogeneous environments like single cell or bulk liquid cultures, losing insight into complex spatiotemporal growth, differentiation and self-organization and how those features are intertwined and shaped through evolution and ecology. I developed a multi-layered microfluidic device that allows us to grow yeast colonies in spatially controlled dynamically structured changing environments from a monolayer of single yeast cells to a multi-layered colony. Colony growth, as a whole and at specific locations, is a result of the nutrient gradient formation within a colony through interplay of nutrient diffusion rates, nutrient uptake rates by the cells and starting nutrient concentrations. Once a limiting nutrient (e.g. glucose or amino acids) is depleted at a specific distance from the nutrients source the cells within a colony stop to grow. I was able to modulate this specific distance by changing the starting nutrient concentrations and uptake rates of cells. Colony gene expression patterns gave us information on specific micro environments formation and consequential development, differentiation and self-organization. I quantified the patterns of expression of seven glucose transporter genes (HXT1-7), each of them specifically expressed depending on the glucose concentration. This enabled us to reconstruct glucose gradients formation in a colony. I further followed the expression of fermentation and respiration specific genes and observed differentiation between two subpopulations. We also mapped other genes specific for different parts of carbohydrate metabolism, followed and quantified the spatiotemporal dynamics of growth and gene expression, and finally modelled the colony growth and nutrient gradient formation. For the first time, we were able to observe growth, differentiation and self-organization of S. cerevisiae colony with such an unprecedented spatiotemporal resolution

One of the main reasons for the treatment failure of infections caused by pathogenic microorganisms is the overexpressing of efflux membrane proteins, which actively remove drugs from cells, leading to a phenomenon called multidrug resistance MDR. In this work, we focused on the functional characterization of the MDR pump Pdr5p in the yeast Saccharomyces cerevisiae. We have verified that diS-C3(3) fluorescence method can be used to determine the binding sites where the substrates bind in the binding pocket of the pump ScPdr5p. We focused on the study of the ScPdr5p binding pocket using triazole derivatives: ravuconazole, voriconazole and fluconazole. Using disc diffusion assay, we showed that all three studied triazoles are substrates of the pump ScPdr5p. We have found that these structural analogs have a significantly different effect on the inhibition of the potentiometric fluorescent probe diS-C3(3) transport by the pump ScPdr5p, and also that ravuconazole and voriconazole compete with each other for transport by the pump ScPdr5p. We have used a fluorescent approach to study the binding of azoles to the binding pocket of pump ScPdr5p using benchmark substrates, that bind selectively to only one binding site in the binding pocket of the pump ScPdr5p, and we have supported the hypothesis that ravuconazole...

L’adaptation des individus à un environnement dépend d’une combinaison de caractères adaptatifs, les traits d’histoire de vie, qui impactent la valeur sélective. Pour comprendre comment les organismes s’adaptent à leur environnement, on peut étudier quelles sont les traits composants la valeur sélective et comment ils dépendent de l’environnement biotique et abiotique. Au cours de cette thèse, je me suis intéressé aux composantes de la valeur sélective dans un environnement saisonnier et à ses conséquences sur la dynamique évolutive des traits quantitatifs.Pour cela, j’ai utilisé une approche de modélisation mathématique d’une évolution expérimentale de l’espèce modèle Saccharomyces cerevisiae en cultures successives en batch. La levure de boulanger S. cerevisiae ici étudiée présente un cycle de vie respiro-fermentaire : en présence de glucose, elle le consomme par fermentation tout en produisant de l’éthanol, qui sera consommé dans un deuxième temps par respiration. Les souches de levures évoluent au cours de cycles successifs de fermentation-respiration. A intervalles de temps réguliers, des cellules sont transférées dans un nouveau milieu contenant du glucose où elles effectuent un nouveau cycle. J’ai développé un modèle mathématique d’équations différentielles pour étudier quels sont les traits sélectionnés dans les différentes saisons dans ce dispositif expérimental et comment l’environnement abiotique, l’environnement biotique et les relations entre les traits, impactent leur évolution.Dans un premier temps, j’ai développé et paramétré un modèle d’équations différentielles décrivant la dynamique d’une population multi-souches au cours d’un batch (chapitre 1). J’ai ensuite proposé une décomposition de la valeur sélective et étudié quels traits sont sous sélection, et comment les pressions de sélection changent avec la composition de la population (chapitre 2). Deux types de traits sélectionnés ont pu être mis en évidence : les traits d’histoire de vie, liés au taux de croissance et à la mortalité, et les traits de transition, qui correspondent à la façon dont les souches réagissent aux changements de l’environnement. J’ai également montré que l’importance de chacune des composantes de la valeur sélective est lié à ces traits et à des traits non sélectionnés, via la longueur des différentes saisons. Au cours de l’évolution, ces composantes sont modifiées ce qui modifie la force de la sélection sur chaque trait. Ce phénomène de boucles de rétroaction éco-évolutives permet de mieux comprendre pourquoi la valeur sélective est fréquence-dépendante.Dans un second temps, j’ai utilisé des simulations d’un modèle de dynamique adaptative pour montrer que l’existence d’un trade-off entre deux traits dans la population ancêtre pouvaient entraîner l’émergence d’autres relations entre un trait sélectionné et un trait non-sélectionné au cours de l’évolution (chapitre 3).Enfin, pour mettre en regard les prédictions issues de modèles théoriques et des observations expérimentales, j’ai analysé deux jeux de données à travers le prisme de mon modèle mathématique (chapitre 4). Le premier jeu de données concerne le phénotypage de souches évoluées en batch successifs et leurs ancêtres. L’estimation des paramètres du modèle pour chacune des souches du jeu de données et leur analyse montrent que les traits liés à l’éthanol, sa consommation et sa production ont été principalement sélectionnés. Le second jeu de données, obtenu à partir de compétitions entre plusieurs couples de souches aillant des traits d’histoire de vie contrastés, a permis de mettre en évidence des différences de valeur sélective entre souches et de les relier avec des différences de traits phénotypiques, en cohérence avec les prédictions théoriques. / Adaptation of species to their environment involves combinations of traits, and in particular life history traits, that influence an organism's selective value. To understand the complexity of adaptation, it is appropriate to decipher the contributions of traits to fitness in the presence of different biotic and abiotic environments. In this thesis, I have investigated fitness components when the environment is seasonal, revealing how such components drive the evolutionary dynamics of quantitative traits.My work is based on the mathematical modeling of experimental evolutions in successive batch cultures of Saccharomyces cerevisiae (baker's yeast). The life cycle of this yeast species is of the respiration-fermentation type: (i) in the presence of glucose, it grows by fermentation, transforming glucose into ethanol; (ii) once glucose has been consumed, it grows by respiration, consuming this time ethanol. This sequence corresponds to the two « seasons » in a batch culture and leads to a cycle of successive batches if cells are periodically transferred into fresh medium. By using differential equations for the time courses, my thesis work shows how growth dynamics and environmental features (abiotic or biotic) generate selection pressures on the different traits during these successive seasons, thereby determining evolutionary trajectories.To describe batch dynamics, I first developed and calibrated a set of differential equations describing the growth dynamics of a population of yeast cells throughout a batch, allowing for one or multiple strains to be present (Chapter 1). Based on this model where cells divide without changing genotype, I then showed that a strain's fitness can be understood in terms of just a few components that are easily specified mathematically. I was then able to determine which traits were under selection and how the corresponding selection pressures were affected by the abundances of each strain in the yeast population (Chapter 2). Selected traits were found to be of two types: life history traits associated with growth and mortality rates, and “transition” traits that correspond to the way a strain reacts to environmental change. I also showed that the contributions of the different fitness components are tied to both selected and non-selected traits via the lengths of seasons. Thus, during population dynamics arising across successive batches, these components change, modifying the selection pressure on each trait. One therefore has a feedback loop, revealing why fitness is frequency-dependent in this system.Next, using the fitness decomposition, I studied adaptive dynamics in successive batch cultures. In such a framework where genotypic changes were allowed, and assuming that there was a trade-off between two traits, I showed that adaptive evolutionary dynamics could lead to the emergence of new relations between selected and non-selected traits (Chapter 3).Furthermore, in order to compare my theoretical predictions to experimental results, I used mathematical and statistical models to analyze two datasets (Chapter 4). The first dataset provides trait measurements in “evolved” strains, i.e., strains obtained after evolution across successive batches, as well as of those same traits in the “ancestral” strains at the origin of the experimental evolution. Parameters inference for the different strains showed that selection had operated mainly on ethanol-related traits (production and consumption). A second dataset was obtained from batch experiments putting strains in competition with one another; the analysis showed that my theoretical modeling well predicted the roles of the different traits for determining the relative fitness of the strains.

The current increased use of antifungal agents has resulted in the development of resistance to these drugs. Search for new antifungals with different mechanisms of action overcoming the multidrug resistance is thus underway. Surface-active antifungals have the advantages of minimizing host toxicity and the emergence of drug resistance. We have developed a fluorescence method based on the use of the potentiometric fluorescent probe diS-C3(3), substrate of two major S. cerevisiae MDR pumps, Pdr5p and Snq2p. It allows us to monitor with high sensitivity and in real time changes in the activities of both pumps and also in membrane potential. We present here an efficient strategy for identifying pump inhibitors with minimal side effects on membrane integrity, and compare the potencies of different inhibitors towards MDR pumps. New efficient inhibitors of MDR pumps could potentially be used in conjunction with current antimicrobials that are MDR pump substrates. The method can be also used to determine the mechanism of action of surface-active drugs and their lowest effective concentrations.

Antibiotika sind für die Behandlung von bakteriellen Infektionskrankheiten in der Human- und Veterinärmedizin von immenser Bedeutung. Angesichts der Korrelation zwischen Antibiotika-Einsatzmengen und der Häufigkeit resistenter Organismen ist eine unsachgemäße bzw. übermäßige Verwendung dieser antibakteriellen Wirkstoffe sowie deren Eintrag über die Kläranlagen in die Umwelt äußerst problematisch. Neben Vermeidungs- und Verminderungsstrategien besteht ein Ansatz zur Problemlösung in der Entwicklung innovativer Technologien zur Entfernung von Antibiotikarückständen aus Wässern, da konventionelle Kläranlagen dieser Anforderung nicht vollständig genügen. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und charakterisierte biologische Verfahren basiert auf genetisch modifizierten Saccharomyces cerevisiae-Zellen, welche spezielle Enzyme sezernieren, die zur Umsetzung von Antibiotika herangezogen werden können. Als Modellsystem diente die enzymatische Hydrolyse des β-Lactam-Antibiotikums Ampicillin mit der β-Lactamase TEM-1. Unter Verwendung von enzymhaltigen Hefe-Kulturüberständen gelang es, die grundsätzliche Eignung des Systems zur Entfernung dieses Antibiotikums nachzuweisen. Untersuchungen mit weiteren β-Lactam-Antibiotika zeigten in Übereinstimmung mit der Literatur, dass TEM-1 Penicilline und Cephalosporine der 1. Generation hydrolysieren kann. Am Beispiel der TEM-8 wurde die Übertragbarkeit des Expressionssystems auf andere Lactamase-Varianten erfolgreich demonstriert. Das erweiterte Wirkspektrum dieses Enzyms, welches neben Penicillinen auch Monobactame und Cephalosporine bis zur 4. Generation umfasst, konnte bestätigt werden. Eine mittels Histidin-tag gereinigte TEM-1-His wurde eingesetzt, um systematisch den Einfluss verschiedener Faktoren, wie Temperatur, Substratkonzentration oder pH-Wert, unbeeinflusst von der Matrix der Hefe-Kulturüberstände untersuchen zu können. In diesem Zusammenhang wurde auch die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Modell- auf Realwässer, wie Kläranlagenzu- und -ablauf, untersucht, mit dem Ergebnis, dass zumindest die TEM-1 temporär in allen getesteten Matrices aktiv ist. Mit dem Ziel, auch weitere Antibiotikaklassen transformieren zu können, wurden Esterase Ere-A-produzierende Zellen zur Umsetzung von Makrolid-Antibiotika, wie Erythromycin, herangezogen. Die Analyse der gebildeten Transformationsprodukte ergab, dass die antibakterielle Wirkung jeweils durch hydrolytische Spaltung des β-Lactam- bzw. des Makrolid-Ringes irreversibel verloren geht. Somit kann dieses biologische Verfahren prinzipiell zur gezielten Inaktivierung von Antibiotika eingesetzt werden, wobei der größte Vorteil in der erheblichen Beschleunigung der natürlicherweise ablaufenden Umsetzungsprozesse besteht. Diese Methode kann als ergänzende Technologie bei der Aufbereitung von Konzentraten und Wässern aus Spezialanwendungen angewendet werden.:Glossar Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Antibiotika und Antibiotikaresistenzen 2.1.1 Antibiotika: Definition, Bedeutung, Einsatzmengen, Klassifikation 2.1.2 Wirkmechanismen: Antibiotika versus Antibiotikaresistenzen 2.1.3 Antibiotika und antibiotikaresistente Organismen in der Umwelt 2.1.4 β-Lactam-Antibiotika 2.1.5 Resistenzen gegenüber β-Lactam-Antibiotika 2.1.6 Makrolid-Antibiotika 2.1.7 Resistenzen gegenüber Makrolid-Antibiotika 2.2 Gentechnische Methoden zur gezielten Proteinbiosynthese 2.3 Der eukaryotische Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae 2.4 Enzymkinetik 2.5 Spurenstoffanalytik mittels LC-MS/MS-Technik 2.5.1 Einleitung, Entwicklung und Bedeutung 2.5.2 Elektrospray-Ionisation 2.5.3 Der Quadrupol als Massenanalysator 2.5.4 Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie 3 Material und Methoden 3.1 Verwendete Geräte und Chemikalien 3.2 Arbeiten mit gentechnisch veränderte S. cerevisiae-Zellen 3.2.1 Eingesetzte S. cerevisiae-Stämme 3.2.2 Nährmedien und Kultivierung 3.3 Gewinnung von rekombinanten, in S. cerevisiae exprimierten Enzymen 3.3.1 Gewinnung von β-Lactamase-haltigen Kulturüberständen und gereinigter MFα-TEM-1-His 3.3.2 Zellaufschluss zur Gewinnung der intrazellulären Enzyme 3.4 Einsatz der rekombinanten Enzyme zur Umsetzung von β-Lactam- und Makrolid-Antibiotika 3.4.1 Herstellung und Lagerung von Antibiotika-Stammlösungen, internen Standards und Pufferlösungen 3.4.1.1 Antibiotika-Stammlösungen 3.4.1.2 Interne Standards 3.4.1.3 Herstellung von Kaliumphosphatpuffer 3.4.2 Einsatz von enzymhaltigen Kulturüberstand 3.4.2.1 Nitrocefin-Assay 3.4.2.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.2.3 Variation der Antibiotika Konzentration 3.4.2.4 Untersuchungen mit TEM-8-haltigen Kulturüberständen 3.4.3 Einsatz von gereinigter TEM-1 β-Lactamase 3.4.3.1 Proteinbestimmung 3.4.3.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.3.3 Variation der Enzymkonzentration 3.4.3.4 Einfluss der Art des Puffers 3.4.3.5 Pufferkonzentration und Leitfähigkeit 3.4.3.6 Variation des pH Wertes 3.4.3.7 Einfluss der Temperatur 3.4.3.8 Variation des eingesetzten β-Lactam-Antibiotikums (Substrat) 3.4.3.9 Variation der AMP-Konzentration 3.4.3.10 Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstante Km bei der AMP-Umsetzung mittels TEM-1-His 3.4.3.11 Aktivität und Stabilität der TEM-1-His in Realwässern 3.4.3.12 Bestimmung der spezifischen Enzymaktivität 3.4.4 Einsatz von zellfreien Rohextrakten 3.4.4.1 Allgemeine Versuchsbedingungen 3.4.4.2 Untersuchungen zur Esterase Ere-A 3.5 LC-MS/MS-Analytik 3.5.1 Probenvorbereitung und Herstellung von Kalibrierstandards 3.5.2 HPLC-Parameter 3.5.2.1 Zusammensetzung der Eluenten 3.5.2.2 HPLC-Methoden 3.5.3 Massenspektrometrische Parameter 3.5.4 Auswertung mittels Analyst 3.5.5 Leistungsgrenzen für die qualitative und quantitative AMP Bestimmung 3.5.6 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Einsatz von TEM-1-haltigem Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.1.1 Entwicklung einer Versuchsvorschrift zum Nachweis der Enzymaktivität gegenüber β-Lactam-Antibiotika im Kulturüberstand 4.1.1.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität mittels Nitrocefin-Assay 4.1.1.2 Versuche mit β-Lactam-Antibiotika 4.1.1.3 Probenvorbereitung 4.1.2 Optimierung einer HPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung von β-Lactam-Antibiotika unter Berücksichtigung der Probenmatrix 4.1.3 Nachweis der Antibiotika Umsetzung mit TEM-1-haltigen Kulturüberständen 4.1.4 Wirksamkeit der TEM-1-haltigen Kulturüberstände in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.1.4.1 Einfluss der Enzymkonzentration 4.1.4.2 Einfluss der Leadersequenz 4.1.4.3 Einfluss des pH-Wertes 4.1.4.4 Einflüsse auf die Enzymkonzentration im Kulturüberstand 4.1.4.5 Enzymatische Stabilität bei Lagerung 4.1.4.6 Variation der Substratkonzentration 4.1.4.7 Substratspezifität 4.1.5 Zwischenfazit 4.2 Einsatz von TEM-8-haltigem-Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.2.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-8 4.2.1.1 Auswahl der Modellsubstanzen AMP und CEF 4.2.1.2 Versuche zum Nachweis der TEM-8-Aktivität in nicht-gepuffertem Kulturüberstand 4.2.1.3 Nachweis der TEM-8-Aktivität unter Verwendung von MES-gepuffertem Kulturmedium 4.2.2 Wirksamkeit der TEM-8-haltigen Kulturüberständen in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.2.2.1 Einfluss der Leadersequenz 4.2.2.2 Einfluss des Polyhistidin-tags 4.2.2.3 Substratspezifität 4.2.3 Vergleich TEM-1 und TEM-8 4.2.3.1 Prinzipielle Unterschiede in der Kultivierung zur Gewinnung von TEM-8 4.2.3.2 Versuche zur AMP-Umsetzung 4.2.3.3 Abnahme der AMP-Konzentration in den Kontrollproben 4.2.3.4 Versuche zur CEF-Umsetzung 4.2.4 Zwischenfazit 4.3 Einsatz von isolierter TEM-1-His zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.3.1 Nachweis der Enzymaktivität 4.3.2 Wirksamkeit des Enzyms TEM-1-His in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.3.2.1 Variation der Enzymkonzentration 4.3.2.2 Variation der Pufferkonzentration und Pufferart 4.3.2.3 Variation des pH-Wertes 4.3.2.4 Variation der Temperatur 4.3.2.5 Variation des Substrates 4.3.2.6 Variation der Substratkonzentration 4.3.2.7 Kinetik der enzymatischen Reaktion mit TEM-1-His 4.3.2.8 Untersuchungen zur Umsetzung in Realwässern 4.3.2.9 Langzeitstabilität der isolierten TEM-1-His 4.3.3 Zwischenfazit: spezifische enzymatische Aktivität der TEM-1-His in Abhängigkeit von verschiedenen Versuchsparametern 4.4 Einsatz von Esterase Ere-A-haltigen Rohextrakten 4.4.1 Nachweis der Enzymaktivität im Rohextrakt 4.4.2 Wirksamkeit der Esterase Ere-A in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.4.2.1 Einfluss verschiedener Puffer 4.4.2.2 Einfluss von C- und N-terminal angefügten Sequenzen 4.4.2.3 Substratspezifität 4.4.3 Zwischenfazit 4.5 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4.5.1 Vorbemerkungen 4.5.2 Transformationsprodukte bei der Umsetzung von β-Lactam-Antibiotika 4.5.3 Einsatz der Esterase Ere A zur Transformation von Makrolid-Antibiotika 4.5.3.1 Transformationsprodukte von Erythromycin 4.5.3.2 Transformationsprodukte von Clarithromycin 4.5.3.3 Transformationsprodukte von Roxithromycin 4.5.4 Zwischenfazit 5 Zusammenfassung 6 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A-1 Weitere Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie A-2 Verwendete Geräte und Chemikalien A-3 HPLC-Methoden A-4 Massenspektrometrische Parameter A-5 Erster Versuch zum Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-1-haltigen Kulturüberstand A-6 Nachweis der Inhibitorwirkung von Sulbactam in Kombination mit TEM-1-His A-7 TEM-1: Variation der Substratkonzentration A-8 TEM-8: Substratspezifität A-9 Vergleich der AMP-Umsetzung mit TEM-1- und TEM-8-haltigen Kulturüberständen sowie den Rohextrakten A-10 TEM-1-His: Variation des pH-Wertes A-11 TEM-1-His: Substratspezifität A-12 Ere-A: Variation der Puffer A-13 Ere-A: Substratspezifität Selbstständigkeitserklärung / Antibiotics play an important role in human and veterinary medicine for the treatment of bacterial infectious diseases. However, regarding the known correlation between the quantities of antibiotics applied and the frequency of resistant organisms, the improper and excessive use of these antibacterial agents leads to serious problems. Their presence in the environment is largely caused by sewage systems due to their incomplete removal in conventional wastewater treatment plants. Therefore, besides avoidance and reduction strategies, one approach to address this issue is to develop innovative technologies for the removal of antibiotic residues from water. The biological method developed and characterized within this work is based on genetically modified Saccharomyces cerevisiae cells, which secrete special enzymes that can be used for the transformation of antibiotics. The enzymatic hydrolysis of the β-lactam-antibiotic ampicillin by the β-lactamase TEM-1 was employed as a model system. By using enzyme-containing yeast culture supernatants, it was possible to prove the suitability of the developed system for the removal of the mentioned antibiotic. The obtained results with other β-lactam-antibiotics showed in accordance with the literature, that TEM-1 was able to hydrolyse penicillins and the cephalosporins of the first-generation. Taking TEM-8 as an example, the transferability of this expression system to alternative lactamase was successfully demonstrated. The activity of this enzyme toward an extended substrate spectrum, which includes not only penicillins but also monobactams and cephalosporins up to the fourth-generation, could be confirmed. The histidine-tagged purified TEM-1-His was used to systematically investigate the influence of various factors, such as temperature, substrate concentration or pH value, independently from the matrix of the yeast culture supernatants. Furthermore, the transferability of the results from model to real water (e. g. influent and effluent from a sewage treatment plant) was investigated with the result that TEM-1 was at least temporarily active in all tested matrices. In order to be able to transform other classes of antibiotics, esterase Ere-A-producing cells were employed to transform macrolide antibiotics, such as erythromycin. The analysis of the formed transformation products revealed that the antibacterial activity is irreversibly lost by the hydrolytic cleavage of the β-lactam or macrolide ring. Therefore, the biological process can be generally used for the selective inactivation of antibiotics, affording a considerable acceleration of the naturally occurring transformation process as its greatest advantage. This method is considered to be a complementary technology for the treatment of concentrates and water from special applications.:Glossar Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Antibiotika und Antibiotikaresistenzen 2.1.1 Antibiotika: Definition, Bedeutung, Einsatzmengen, Klassifikation 2.1.2 Wirkmechanismen: Antibiotika versus Antibiotikaresistenzen 2.1.3 Antibiotika und antibiotikaresistente Organismen in der Umwelt 2.1.4 β-Lactam-Antibiotika 2.1.5 Resistenzen gegenüber β-Lactam-Antibiotika 2.1.6 Makrolid-Antibiotika 2.1.7 Resistenzen gegenüber Makrolid-Antibiotika 2.2 Gentechnische Methoden zur gezielten Proteinbiosynthese 2.3 Der eukaryotische Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae 2.4 Enzymkinetik 2.5 Spurenstoffanalytik mittels LC-MS/MS-Technik 2.5.1 Einleitung, Entwicklung und Bedeutung 2.5.2 Elektrospray-Ionisation 2.5.3 Der Quadrupol als Massenanalysator 2.5.4 Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie 3 Material und Methoden 3.1 Verwendete Geräte und Chemikalien 3.2 Arbeiten mit gentechnisch veränderte S. cerevisiae-Zellen 3.2.1 Eingesetzte S. cerevisiae-Stämme 3.2.2 Nährmedien und Kultivierung 3.3 Gewinnung von rekombinanten, in S. cerevisiae exprimierten Enzymen 3.3.1 Gewinnung von β-Lactamase-haltigen Kulturüberständen und gereinigter MFα-TEM-1-His 3.3.2 Zellaufschluss zur Gewinnung der intrazellulären Enzyme 3.4 Einsatz der rekombinanten Enzyme zur Umsetzung von β-Lactam- und Makrolid-Antibiotika 3.4.1 Herstellung und Lagerung von Antibiotika-Stammlösungen, internen Standards und Pufferlösungen 3.4.1.1 Antibiotika-Stammlösungen 3.4.1.2 Interne Standards 3.4.1.3 Herstellung von Kaliumphosphatpuffer 3.4.2 Einsatz von enzymhaltigen Kulturüberstand 3.4.2.1 Nitrocefin-Assay 3.4.2.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.2.3 Variation der Antibiotika Konzentration 3.4.2.4 Untersuchungen mit TEM-8-haltigen Kulturüberständen 3.4.3 Einsatz von gereinigter TEM-1 β-Lactamase 3.4.3.1 Proteinbestimmung 3.4.3.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.3.3 Variation der Enzymkonzentration 3.4.3.4 Einfluss der Art des Puffers 3.4.3.5 Pufferkonzentration und Leitfähigkeit 3.4.3.6 Variation des pH Wertes 3.4.3.7 Einfluss der Temperatur 3.4.3.8 Variation des eingesetzten β-Lactam-Antibiotikums (Substrat) 3.4.3.9 Variation der AMP-Konzentration 3.4.3.10 Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstante Km bei der AMP-Umsetzung mittels TEM-1-His 3.4.3.11 Aktivität und Stabilität der TEM-1-His in Realwässern 3.4.3.12 Bestimmung der spezifischen Enzymaktivität 3.4.4 Einsatz von zellfreien Rohextrakten 3.4.4.1 Allgemeine Versuchsbedingungen 3.4.4.2 Untersuchungen zur Esterase Ere-A 3.5 LC-MS/MS-Analytik 3.5.1 Probenvorbereitung und Herstellung von Kalibrierstandards 3.5.2 HPLC-Parameter 3.5.2.1 Zusammensetzung der Eluenten 3.5.2.2 HPLC-Methoden 3.5.3 Massenspektrometrische Parameter 3.5.4 Auswertung mittels Analyst 3.5.5 Leistungsgrenzen für die qualitative und quantitative AMP Bestimmung 3.5.6 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Einsatz von TEM-1-haltigem Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.1.1 Entwicklung einer Versuchsvorschrift zum Nachweis der Enzymaktivität gegenüber β-Lactam-Antibiotika im Kulturüberstand 4.1.1.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität mittels Nitrocefin-Assay 4.1.1.2 Versuche mit β-Lactam-Antibiotika 4.1.1.3 Probenvorbereitung 4.1.2 Optimierung einer HPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung von β-Lactam-Antibiotika unter Berücksichtigung der Probenmatrix 4.1.3 Nachweis der Antibiotika Umsetzung mit TEM-1-haltigen Kulturüberständen 4.1.4 Wirksamkeit der TEM-1-haltigen Kulturüberstände in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.1.4.1 Einfluss der Enzymkonzentration 4.1.4.2 Einfluss der Leadersequenz 4.1.4.3 Einfluss des pH-Wertes 4.1.4.4 Einflüsse auf die Enzymkonzentration im Kulturüberstand 4.1.4.5 Enzymatische Stabilität bei Lagerung 4.1.4.6 Variation der Substratkonzentration 4.1.4.7 Substratspezifität 4.1.5 Zwischenfazit 4.2 Einsatz von TEM-8-haltigem-Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.2.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-8 4.2.1.1 Auswahl der Modellsubstanzen AMP und CEF 4.2.1.2 Versuche zum Nachweis der TEM-8-Aktivität in nicht-gepuffertem Kulturüberstand 4.2.1.3 Nachweis der TEM-8-Aktivität unter Verwendung von MES-gepuffertem Kulturmedium 4.2.2 Wirksamkeit der TEM-8-haltigen Kulturüberständen in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.2.2.1 Einfluss der Leadersequenz 4.2.2.2 Einfluss des Polyhistidin-tags 4.2.2.3 Substratspezifität 4.2.3 Vergleich TEM-1 und TEM-8 4.2.3.1 Prinzipielle Unterschiede in der Kultivierung zur Gewinnung von TEM-8 4.2.3.2 Versuche zur AMP-Umsetzung 4.2.3.3 Abnahme der AMP-Konzentration in den Kontrollproben 4.2.3.4 Versuche zur CEF-Umsetzung 4.2.4 Zwischenfazit 4.3 Einsatz von isolierter TEM-1-His zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.3.1 Nachweis der Enzymaktivität 4.3.2 Wirksamkeit des Enzyms TEM-1-His in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.3.2.1 Variation der Enzymkonzentration 4.3.2.2 Variation der Pufferkonzentration und Pufferart 4.3.2.3 Variation des pH-Wertes 4.3.2.4 Variation der Temperatur 4.3.2.5 Variation des Substrates 4.3.2.6 Variation der Substratkonzentration 4.3.2.7 Kinetik der enzymatischen Reaktion mit TEM-1-His 4.3.2.8 Untersuchungen zur Umsetzung in Realwässern 4.3.2.9 Langzeitstabilität der isolierten TEM-1-His 4.3.3 Zwischenfazit: spezifische enzymatische Aktivität der TEM-1-His in Abhängigkeit von verschiedenen Versuchsparametern 4.4 Einsatz von Esterase Ere-A-haltigen Rohextrakten 4.4.1 Nachweis der Enzymaktivität im Rohextrakt 4.4.2 Wirksamkeit der Esterase Ere-A in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.4.2.1 Einfluss verschiedener Puffer 4.4.2.2 Einfluss von C- und N-terminal angefügten Sequenzen 4.4.2.3 Substratspezifität 4.4.3 Zwischenfazit 4.5 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4.5.1 Vorbemerkungen 4.5.2 Transformationsprodukte bei der Umsetzung von β-Lactam-Antibiotika 4.5.3 Einsatz der Esterase Ere A zur Transformation von Makrolid-Antibiotika 4.5.3.1 Transformationsprodukte von Erythromycin 4.5.3.2 Transformationsprodukte von Clarithromycin 4.5.3.3 Transformationsprodukte von Roxithromycin 4.5.4 Zwischenfazit 5 Zusammenfassung 6 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A-1 Weitere Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie A-2 Verwendete Geräte und Chemikalien A-3 HPLC-Methoden A-4 Massenspektrometrische Parameter A-5 Erster Versuch zum Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-1-haltigen Kulturüberstand A-6 Nachweis der Inhibitorwirkung von Sulbactam in Kombination mit TEM-1-His A-7 TEM-1: Variation der Substratkonzentration A-8 TEM-8: Substratspezifität A-9 Vergleich der AMP-Umsetzung mit TEM-1- und TEM-8-haltigen Kulturüberständen sowie den Rohextrakten A-10 TEM-1-His: Variation des pH-Wertes A-11 TEM-1-His: Substratspezifität A-12 Ere-A: Variation der Puffer A-13 Ere-A: Substratspezifität Selbstständigkeitserklärung