La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours. / Gasification is today one of the most promising strategies to recover energy from waste. This thermo-chemical technology allows a 95% weight reduction of the input and generates inorganic inert ashes as well as a synthesis gas (syngas). Syngas is a gaseous fuel mainly composed of carbon monoxide (CO), hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2). Syngas can be burned to produce heat and electricity. It is also the building block of many high added- value products ranging from ethanol to ammonia and pure hydrogen. Downstream applications of syngas production will depend on its heating value, which is determined by its content in H2. Upgrading the H2 content in syngas is performed by the water-gas shift (WGS) reaction, widely utilized during methane reforming for hydrogen production. During the WGS reaction CO is converted to H2 and CO2 according to: CO + H2O → CO2 + H2. This process is achieved using a metallic catalyst in a heterogeneous gas-phase reaction with CO and steam. The WGS reaction has so far been reserved for large-scale gasification plants and requires high capital and operational expenditures. Hence, smaller scale plants that process low-grade materials (biomass, waste, sludge...), would not have access to such technology. The only possible outcome with the synthesis gas (syngas) produced and which generally has a poor heating value, is to generate heat or at best, electricity. In order to offer small plants access to the WGS reaction and to a higher range of products from their syngas, an alternative to the expensive and energy-intensive established catalyst-based WGS is here considered, such as extreme-thermophilic microbial processes carried out by hydrogenogens. The goal of this thesis was to use Carboxydothermus hydrogenoformans, a thermophilic carboxydotrophic hydrogenogenic bacterium as a biological catalyst for the WGS reaction. This was done by characterizing the impact of a growth-associated biomineralization phenomenon on H2 production and assessing the feasibility and limitations of using the strain in a bioreactor. First, characterization of the predominant inorganic phase when Carboxydothermus hydrogenoformans was inoculated in the DSMZ medium revealed the biomineralization of two crystalline CaP phases. The X-ray diffractometry peaks and Fourier transform infrared spectroscopy spectrum of this biphasic material consistently showed features characteristic of Mg-whitlockite, whereas transmission electron microscopy analysis showed the existence of hydroxyapatite-like nanorods crystals. In both cases, the mode of biomineralization appears to be biologically induced rather than biologically controlled. The impact of the endogenous CaP precipitate on CO mass transfer and H2 production was thus assessed and compared to a medium where no precipitation was observed. In the DSMZ medium, the apparent KLa (0.22 ±0.005 min-1) and H2 production yield (89.11 ±6.69%) were higher than the ones obtained in the modified medium (0.19 ±0.015 min-1 and 82.60 ±3.62% respectively). The presence of the precipitate had no impact on C. hydrogenoformans CO uptake. Overall, the CaP precipitate offers a novel strategy for gas-liquid mass transfer enhancement using CO hydrophobic properties. Second, the conversion of CO into H2 by C. hydrogenoformans was investigated and optimized in a 35 L gas-lift reactor. Upon all operational conditions, the ratio of gas recirculation over CO feed flow rates (QR:Qin) was the major parameter that impacted both biological activity and volumetric gas-liquid mass transfer. The CO conversion performance of the gas lift reactor was kinetically limited over a QR:Qin ratio of 40, and mass transfer limited below that ratio, resulting in a maximum conversion efficiency of 90.4±0.3% and a biological activity of 2.7±0.4 molCO· g–1VSS· day–1. Despite very promising results, CO conversion performance was limited by a low cell density, typical of C. hydrogenoformans planktonic growth. This limitation was found to be the most restrictive factor for higher CO loading rates. Results were compared to the performance of the strain inoculated in a hollow fiber membrane bioreactor where performance, despite the higher cell density and volumetric activity, was biokinetically limited, when not limited by gas–liquid mass transfer, membrane fouling and aging. To avoid any C. hydrogenoformans decay during potential CO shortages, growth of the bacterium on pyruvate as a sole carbon source was characterized. Interestingly, when grown simultaneously on pyruvate and CO, pyruvate consumption was initiated upon CO depletion. This was attributed to the inhibition of pyruvate oxidation by CO, making pyruvate the ideal candidate for an in-situ back-up system.

In this thesis, the interactions of U(VI) with one representative each of the domains Bacteria (Paenibacillus sp. JG TB8) and Archaea (Sulfolobus acidocaldarius) are compared. We demonstrate that at highly acidic conditions (pH ≤ 3), U(VI) is bound to cells of the both strains exclusively via organic phosphate groups. In contrast to this, the U(VI) complexation modes differ between the studied strains at moderate acidic conditions. These differences are assigned to the different cell wall structures of both strains as well as to their different physiological characteristics. We also demonstrate that the aeration conditions can strongly influence the uranium accumulation of facultative anaerobic microorganisms at moderate acidic pH conditions. This finding could clearly be assigned to the dependency of the intrinsic phosphatase activity on the aeration conditions. The second part of this thesis deals with the outermost surface layer (SlaA-layer) of S. acidocaldarius. It was shown that this surface protein is not involved in the U(VI) complexation at highly acidic conditions, covering the physiological pH optimum of S. acidocaldarius. Hence the SlaA layer does not provide a protective function against U(VI) to the cells of this acidophilic archaeon. However, we demonstrated that purified SlaA-layer ghosts (i.e. empty cell sacculi) efficiently interact with gold ions and are a good macromolecular template for the formation of magnetic gold nanoparticles. / In dieser Doktorarbeit werden die Wechselwirkungen von U(VI) mit je einem Vertreter der Bakterien (Paenibacillus sp. JG TB8) und Archeen (Sulfolobus acidocaldarius) verglichen. Wir konnten zeigen, dass U(VI) im sehr sauren Milieu (pH ≤ 3) ausschließlich durch organische Phosphatgruppen an die Zellen beider Stämme gebunden ist. Im Gegensatz dazu unterscheiden sich die Mechanismen der U(VI)-Komplexierung beider untersuchter Stämme bei mäßig sauren Bedingungen voneinander. Diese Unterschiede basieren auf den unterschiedlichen Zellwandstrukturen und physiologischen Eigenschaften beider Stämme. Wir konnten außerdem zeigen, dass die atmosphärischen Bedingungen die Urankomplexierung durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen bei mäßig sauren Bedingungen stark beeinflussen kann. Dieses Ergebnis konnte eindeutig auf die von den atmosphärischen Bedingungen-abhängige, enzymatische Aktivität der zelleigenen Phosphatase zurückgeführt werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der äußeren Oberflächenschicht (SlaA-layer) von S. acidocaldarius. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Oberflächenprotein nicht an der U(VI)-Komplexierung bei stark sauren pH, welcher dem physiologischen pH Optimum von S. acidocaldarius entspricht, beteiligt ist. Damit stellt der SlaA-layer keinen Schutz gegen Uran für die Zellen dieses azidothermophilen Archaeons dar. Allerdings konnten wir zeigen, dass isolierte „SlaA-layer ghosts“ (d.h. leere Zellhüllen) mit Goldionen interagieren und sich daher als makromolekulares Template für die Herstellung magnetischer Gold Nanopartikel eignen.

In this thesis, the interactions of U(VI) with one representative each of the domains Bacteria (Paenibacillus sp. JG TB8) and Archaea (Sulfolobus acidocaldarius) are compared. We demonstrate that at highly acidic conditions (pH ≤ 3), U(VI) is bound to cells of the both strains exclusively via organic phosphate groups. In contrast to this, the U(VI) complexation modes differ between the studied strains at moderate acidic conditions. These differences are assigned to the different cell wall structures of both strains as well as to their different physiological characteristics. We also demonstrate that the aeration conditions can strongly influence the uranium accumulation of facultative anaerobic microorganisms at moderate acidic pH conditions. This finding could clearly be assigned to the dependency of the intrinsic phosphatase activity on the aeration conditions. The second part of this thesis deals with the outermost surface layer (SlaA-layer) of S. acidocaldarius. It was shown that this surface protein is not involved in the U(VI) complexation at highly acidic conditions, covering the physiological pH optimum of S. acidocaldarius. Hence the SlaA layer does not provide a protective function against U(VI) to the cells of this acidophilic archaeon. However, we demonstrated that purified SlaA-layer ghosts (i.e. empty cell sacculi) efficiently interact with gold ions and are a good macromolecular template for the formation of magnetic gold nanoparticles. / In dieser Doktorarbeit werden die Wechselwirkungen von U(VI) mit je einem Vertreter der Bakterien (Paenibacillus sp. JG TB8) und Archeen (Sulfolobus acidocaldarius) verglichen. Wir konnten zeigen, dass U(VI) im sehr sauren Milieu (pH ≤ 3) ausschließlich durch organische Phosphatgruppen an die Zellen beider Stämme gebunden ist. Im Gegensatz dazu unterscheiden sich die Mechanismen der U(VI)-Komplexierung beider untersuchter Stämme bei mäßig sauren Bedingungen voneinander. Diese Unterschiede basieren auf den unterschiedlichen Zellwandstrukturen und physiologischen Eigenschaften beider Stämme. Wir konnten außerdem zeigen, dass die atmosphärischen Bedingungen die Urankomplexierung durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen bei mäßig sauren Bedingungen stark beeinflussen kann. Dieses Ergebnis konnte eindeutig auf die von den atmosphärischen Bedingungen-abhängige, enzymatische Aktivität der zelleigenen Phosphatase zurückgeführt werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der äußeren Oberflächenschicht (SlaA-layer) von S. acidocaldarius. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Oberflächenprotein nicht an der U(VI)-Komplexierung bei stark sauren pH, welcher dem physiologischen pH Optimum von S. acidocaldarius entspricht, beteiligt ist. Damit stellt der SlaA-layer keinen Schutz gegen Uran für die Zellen dieses azidothermophilen Archaeons dar. Allerdings konnten wir zeigen, dass isolierte „SlaA-layer ghosts“ (d.h. leere Zellhüllen) mit Goldionen interagieren und sich daher als makromolekulares Template für die Herstellung magnetischer Gold Nanopartikel eignen.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Down syndrome (DS), a genetic disorder that affects ~1 in 700 live births, is caused by trisomy of human chromosome 21 (Hsa21). Individuals with DS are affected by a wide spectrum of phenotypes which vary in severity and penetrance. However, cognitive and skeletal impairments can be commonly observed in all individuals with DS. To study these phenotypes, we utilized the Ts65Dn mouse model that carries three copies of approximately half the gene orthologs found on Hsa21 and exhibit similar phenotypes as observed in humans with DS. Individuals with DS and Ts65Dn mice have deficits in bone mineral density (BMD), bone architecture, bone strength, learning and memory. Over-expression of DYRK1A, a serine-threonine kinase encoded on Hsa21, has been linked to deficiencies in DS bone homeostasis and cognition. Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), an aromatic polyphenol found in high concentrations in green tea, is a selective inhibitor of DYRK1A activity. Normalization of DYRK1A activity by EGCG therefore may have the potential to ameliorate skeletal and cognitive deficits. We hypothesized that supplements containing EGCG obtained from health food stores/ online vendors will not be as effective as EGCG from a chemical company in correcting bone deficits associated with DS. Our results suggest that EGCG improves the bone mineral density of trisomic femurs significantly better than the supplements while the EGCgNOW supplement from NOW FOODS improves trabecular and cortical bone structure. The results from HPLC analysis of supplements showed the presence of other catechins in EGCgNOW and degradation analysis revealed the rapid degradation of supplements. Therefore we hypothesize that the presence of EGCG degradation products and other green tea catechins in supplements may play a role in the differential skeletal effects we observed. We further hypothesized that a three week treatment of adolescent mice with EGCG will lead to an improvement in the learning and memory deficits that are observed in trisomic animals in comparison to control mice. However, our results indicate that three weeks of low-dose EGCG treatment during adolescence is insufficient to improve hippocampal dependent learning and memory deficits of Ts65Dn mice. The possibility remains that a higher dose of EGCG that begins at three weeks but lasts throughout the behavioral test period may result in improvement in learning and memory deficit of Ts65Dn mice.

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Biomineralized structures are complex functional hierarchical assemblies composed of biomineral building blocks joined together by an organic phase. The formation of individual mineral units is governed by the cellular tissue component that orchestrates the process of biomineral nucleation, growth, and morphogenesis. These processes are imprinted in the structural, compositional, and crystallographic properties of the emerging biominerals on all scales. Measurement of these properties can provide crucial information on the mechanisms that are employed by the organism to form these complex 3D architectures and to unravel principles of their functionality. Nevertheless, so far, this has only been possible at the macroscopic scale, by averaging the properties of the entire composite assembly, or at the mesoscale, by looking at extremely small parts of the entire picture. In this study, the newly developed synchrotron-based dark-field X-ray microscopy method is employed to study the link between 3D crystallographic properties of relatively large calcitic prisms in the shell of the mollusc Pinna nobilis and their local lattice properties with extremely high angular resolution down to 0.001°. Mechanistic links between variations in local lattice parameters and spacing, crystal orientation, chemical composition, and the deposition process of the entire mineral unit are unraveled.

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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (STAT3) is known to be related to bone metabolism. Mutation of STAT3 causes a rare disorder in which serum levels of IgE are elevated. This causes various skeletal problems similar to osteoporosis. To examine the effect of STAT3 in the osteoclast, we obtained two osteoclast specific STAT3 knockout mouse models: one using the CTSK promoter to drive Cre recombinase and another using a TRAP promoter. Examination of these mice at 8 weeks of age revealed a decreased trabecular bone volume in CTSK specific STAT3 knockout mice along with a slight decrease in osteoclast number in both CTSK and TRAP specific STAT3 knockout females. We also noticed changes in bone mineral density and bone mechanical strength in females. These data suggest that STAT3 plays a part in the function of the osteoclast.

Der hierarchisch strukturierte und hoch geordnete Aufbau von Calciumphosphat und Kollagen in Knochen und Zähnen wird von den Zellen mit Hilfe bestimmter Moleküle erreicht. Diese organischen Moleküle, zumeist Proteine, beeinflussen durch die räumliche Anordnung ihrer Ladung das Präzipitations- und Wachstumsverhalten der mineralischen Phase. Die in dieser Arbeit beschriebenen Computersimulationen zeigen, dass ein Calciumphosphatkomplex mit deprotoniertem Phosphat am stabilsten ist. Vermutlich nimmt die Bindungsenergie pro Oberfläche des Komplexes mit wachsender Größe bis zu einem Ca9(PO4)6 -Komplex (Posner Klaster) linear zu. Die Präzipitation von Calciumphosphat aus wässriger Lösung führt häufig zu amorphen Kugeln mit 50-500 nm Durchmesser, die sphärische Unterstrukturen von ca. 5 nm Durchmesser zeigen und bei großer Dichte zu einer amorphen Schicht verschmelzen. Geringe Unterschiede in der Präparation können aber schon zu stäbchenförmigen oder plättchenartigen Kristalliten führen. Phosphoserin ist eine der wichtigsten Aminosäuren bei der Anbindung von Proteinen an Calciumphosphat. Das Computermodell zeigt an der gesamten Oberfläche dieser Aminosäure ein deutliches elektrisches Potential, dies begünstigt die Wechselwirkung mit Ionen. FT-IR- und NMR-Untersuchungen zeigen, dass Phosphoserin bei Kopräzipitation mit Calciumphosphat höchstwahrscheinlich in die mineralische Phase eingebaut wird. Serin zeigt bei der Kopräzipitation ab 1 mM einen Einfluss auf die Morphologie von Calciumphosphat, während Phosphoserin schon bei 0,01 mM einen deutlichen Einfluss zeigt. Elektronenspray-Ionisations-Massenspektroskopie (ESI-MS) bestätigt die relativ zum Serin intensivere Wechselwirkung von Phosphoserin mit Calciumphosphat. Das wichtigste Protein zur Vermeidung ektopischer Mineralisierung ist Fetuin. Dieses Protein stabilisiert die transient auftretenden amorphen Calciumphosphatkugeln (ACP-Kugeln) und erlaubt so dem Körper deren Entsorgung. Fetuin verhindert das Verschmelzen von ACP-Kugeln, wenn diese in großer Dichte auftreten, wobei deren feine Unterstruktur erhalten bleibt. Trotz des starken inhibitorischen Verhaltens wird das Auflösen von Brushit durch die Anwesenheit von Fetuin praktisch nicht beschleunigt. Auch auf die Kinetik der Assemblierung von Kollagen zeigt Fetuin praktisch keinen Einfluss. Des Weiteren wurde das Nukleationsverhalten des häufigsten, nichtkollagenen Knochenproteins, dem Osteocalcin (OC), mittels ESI-MS beobachtet. Die Untersuchungen von Osteocalcin in Calciumphosphatlösung zeigten Komplexe mit bis zu 8 Ca2+, der größte identifizierbare Komplex bestand aus [OC Ca2 (PO4 )2 Na4 ]+. Um die Mineralisierung von Kollagen genauer zu untersuchen, wurden assemblierte Kollagenfibrillen in der Flüssigzelle eines Atomkraftmikroskops (AFM) mit Calciumphosphat nachmineralisiert. Hierbei wurde eine gleichmäßige Anlagerung der offenbar amorphen mineralischen Phase beobachtet. Die Inkubation der Fibrillen mit Phospholipidvesikeln führte zu einem Aufweichen der Fibrillen. Des Weiteren wurden Phospholipidvesikel hergestellt, um den Calciumphosphatniederschlag in einem räumlich stark begrenzten Abschnitt zu untersuchen. Die Vesikel wurden mit REM und AFM abgebildet und so verschiedene Präparationsmethoden verglichen. Es konnten plättchenförmige Kristallite an der Vesikelmembran gezüchtet werden, während bei Anwesenheit von Phosphoserin globuläre Objekte auftraten. Eine Arbeitshypothese wurde entwickelt, die das unterschiedliche Wachstumsverhalten von Calciumphosphat in wässriger Lösung mit einer positiv geladenen Hydrathülle um den Calciumphosphatkeim erklärt. Die Protonen stammen vom deprotonierten Phosphat des Mineralkeims und können sich auf Grund der adsorbierten Wassermoleküle nicht sofort in der Lösung verteilen. Diese Hülle aus H3O+ verhindert das beliebige Anlagern von Ionen an den Mineralkeim und lenkt so dessen Morphologie.