A produção de PHAMCL por Pseudomonas putida IPT 046 em cultivo contínuo sob limitação múltipla de nutrientes foi estudada, utilizando glicose e frutose como fontes de carbono. O estudo da limitação em nitrogênio, fósforo e simultânea de nitrogênio e fósforo para indução de acúmulo de polihidroxialcanoato, apontou que maiores valores de polímero foram acumulados quando fósforo foi o nutriente limitante (70%). Limitação em nitrogênio resultou no máximo em 40% de polímero. A limitação simultânea de nitrogênio e fósforo resultou em 68% de polímero, menor consumo de oxigênio para gerar células e maior fator de conversão de fonte de carbono em polímero (0,19 g/g) quando comparado com a limitação em fósforo, 0,16 g/g, ou à limitação em nitrogênio, 0,10 g/g. Oxigênio utilizado para manutenção das células não dependeu do tipo de limitação e dos valores das vazões específicas de alimentação. Um modelo metabólico foi proposto, ajustando aos dados experimentais na condição de limitação em nitrogênio. / Multiple nutrient limited growth of Pseudomonas putida IPT 046 was studied in chemostat culture from glucose and fructose as carbon source. Nitrogen, phosphorus and both nitrogen and phosphorus limitation was performed in order to accumulate medium-chain-length polhydroxyalkanoate. Phosphorus limitation resulted in higher polymer content accumulated (70%). Nitrogen limited assays achieved only 40% of polymer. Nitrogen and phosphorus simultaneous limitation resulted in 68 % polymer content, less oxygen demand to synthesize cells and best yields of carbon into polymer (0,19 g/g) when compared with 0,16 g/g on phosphorus limitation and 0,10 g/g on nitrogen limitation. Oxygen demand for maintenance is the same, independent of limitation strategy or dilution rate performed. A metabolic pathway model was proposed and fitted with nitrogen limited experimental data.

O 1,3-propanodiol (PDO) é um composto químico com muitas aplicações industriais, como síntese de polímeros de tereftalatos, cosméticos e lubrificantes, dentre outros. Este composto pode ser produzido biotecnologicamente a partir do glicerol em condições de anaerobiose. Os principais produtores naturais de PDO são bactérias dos gêneros Klebsiella e Clostridium. No entanto, estes microrganismos podem apresentar riscos à saúde humana, sendo considerados oportunistas e, por isso, requerendo cuidados especiais que dificultam seu emprego em escala industrial. Uma alternativa está no uso de Lactobacillus sp., bactérias que realizam altas conversões de glicerol a PDO e não apresentam estes inconvenientes. Neste estudo, buscou-se melhorar a produtividade da transformação de glicerol em PDO por Lactobacillus reuteri, através de diferentes tipos de bioprocessos. Para isso, o microrganismo foi cultivado em meio MRS (com glicose) contendo glicerol como cosubstrato. Realizaram-se experimentos em batelada, batelada repetida e em processo contínuo (quimiostato) sob diferentes condições. Os melhores resultados foram obtidos nos processos em batelada repetida e em quimiostato. Nos ensaios em batelada repetida, a melhor condição foi nos cultivos em que houve decantação de células. Nesta condição, a produtividade (QPDO) superou em quase 3 vezes o ensaio em batelada comum (4,12 g.L-1.h-1). Em quimiostato, a produtividade alcançada sob a taxa de diluição de 0,5 h-1 foi 20% maior do que o melhor resultado em batelada repetida (4,88 g.L-1.h-1). Estes valores de produtividade são os maiores reportados na literatura até o momento. Além disso, os resultados indicam que o processo em quimiostato não é limitado pelo substrato, mas sim pela concentração de lactato produzido. / 1,3-propanediol (PDO) is a high-value chemical compound which has many industrial applications, such as synthesis of polymers of terephthalates, cosmetics and lubricants, among others. This compound can be produced biotechnologically from glycerol in anaerobiosis. The main natural producers of PDO are bacteria from genera Klebsiella and Clostridium. However, these microorganisms could be dangerous to human health, considered opportunistic and therefore require special care when manipulated on an industrial scale. An alternative is the use of Lactobacillus sp., bacteria which achieve high conversions of glycerol to PDO and do not present these problems. In this study, we aimed to improve the yield of PDO by Lactobacillus reuteri through different types of bioprocesses. For this, the microorganism was grown in MRS medium (with glucose) containing glycerol as co-substrate. Experiments were performed in batch run, repeated batch and continuous mode (chemostat) under different conditions. The best results were found in repeated batch run and chemostat mode. In repeated batch runs, the best condition was found in cultures with settling of cells. In this condition, the productivity (QPDO) reached almost 3 times the value of the simple batch run (4.12 g.L-1.h-1). In chemostat mode, the productivity reached, in the dilution rate of 0.5 h-1, was 20% higher than the best result obtained in repeated batch mode (4.88 g.L-1.h-1). These productivity values are the highest reported in the literature until this date. Furthermore, the results indicate that the chemostat process is not limited by the substrate, but by the concentration of produced lactate.

Cette thèse porte sur l'analyse mathématique de modèles de compétition de plusieurs espèces microbiennes sur un seul nutriment dans un chémostat. L'objectif est de montrer la coexistence des espèces par divers mécanismes pour affirmer la biodiversité que l'on trouve dans les écosystèmes aquatiques et terrestres ainsi que dans les bioréacteurs. Nous nous somme intéressés principalement à trois mécanismes de coexistence :1- La compétition inter-spécifique entre les populations de micro-organismes et intra-spécifiques entre les individus de la même espèce.2- La floculation où l'espèce la plus compétitive inhibe sa propre croissance par la formation des flocs pour pouvoir coexister avec les autres espèces. En fait, ces bactéries en flocs consomment moins du substrat que les bactéries isolées puisqu'ils ont un moins bon accès au substrat, étant donné que cet accès au substrat est proportionnel à la surface extérieur du floc.3- La densité-dépendance dont le modèle peut être construit à partir du modèle de floculation en supposant que la dynamique de floculation est plus rapide que la croissance des espèces. Dans ce modèle densité-dépendant, le taux de croissance et le taux de prélèvement dépendent non seulement de la densité du substrat mais aussi de la densité de la biomasse.Enfin, nous avons étudié un modèle de digestion anaérobie à trois étapes avec dégradation enzymatique du substrat (matière organique) dont une partie peut être sous forme particulaire. L'analyse mathématique montre que ce modèle peut présenter la quadri-stabilité avec lessivage d'aucune, d'une ou de deux espèces selon la condition initiale. / This thesis focuses on the mathematical analysis of models of several species in competition on a single nutrient in a chemostat. The objective is to show the coexistence of microbial species by different mechanisms to affirm the biodiversity found in aquatic and terrestrial ecosystems as well as in bioreactors. We are interested mainly in three mechanisms of coexistence :1- The inter-specific competition between populations of micro-organisms and intra-specific between individuals of the same species.2- The flocculation where the species who wins the competition inhibits its growth by the formation of flocs to be able to coexist with the other species. In fact, these flocs consume less substrate than isolated bacteria since they have less access to the substrate, given that this access to the substrate is proportional to the outside surface of the floc.3- The density-dependence which the model can be construct from the flocculation model by assuming that the dynamics of flocculation is faster than the growth of the species. In this density-dependent model, the growth rate and removal rate depend not only on the density of substrate but also of the density of biomass.Finally, we studied a 3-step model of anaerobic digestion with enzymatic degradation of the substrate (organic matter) that can partly be under a solid form. The mathematical analysis shows that this model may exhibit the quadri-stability with washout of none, one or two species according to the initial condition.

No description available.

Streptococcus gordonii is a primary coloniser of the tooth surface where it efficiently ferments carbohydrates at pH levels above 6.0. By not being able to maintain the pH of dental plaque to a level required for enamel dissolution, the dominance of S. gordonii in dental plaque is considered a sign of a healthy oral cavity. However, upon entering the bloodstream and encountering a rise in pH, S. gordonii may become pathogenic, being one of the major causative organisms associated with infective endocarditis. Proteome analyses of S. gordonii grown at steady state in a chemostat allowed the phenotypic changes associated with alterations in pH levels characteristic of these two environments to be determined. As an initial starting point to this study, a two-dimensional electrophoresis (2- DE) reference map of S. gordonii grown at pH 7.0 was produced. Although only 50% of the S gordonii genome was available in an annotated form during the course of this study, the closely related Streptococcus pneumoniae genome (with which S. gordonii shares 97.24% DNA sequence homology) had been completed in 2001. The use of both of these databases allowed many of the S. gordonii proteins to be identified by mass spectrometry. Four hundred and seventy six protein spots, corresponding to 250 different proteins, or 12.5% of the S. gordonii proteome, were identified, giving rise to the first comprehensive proteome reference map of this oral bacterium. Of the 250 different proteins, 196 were of cellular origin while 68 were identified from the extracellular milieu. Only 14 proteins were common to both compartments. Of particular interest among the 54 uniquely identified extracellular proteins was a homologue of a peptidoglycan hydrolase that has been associated with virulence in S. pneumoniae. Among the other proteins identified were ones involved in transport and binding, energy metabolism, translation, transformation, stress response and virulence. Twelve cell envelope proteins were identified as well as 25 others that were predicted to have a membrane association based on the presence of at least one transmembrane domain. The study also confirmed the existence of 38 proteins previously designated as �hypothetical� or with no known function. Mass spectral data for over 1000 protein spots were accumulated and archived for future analysis when sequencing of the S. gordonii genome is finally completed. Following the mapping of the proteome of S. gordonii, alterations in protein spots associated with growth of the bacterium at pH intervals of 0.5 units in the pH range 5.5 - 7.5 were determined. Only 16 protein spots were shown to be significantly altered in their level of expression despite the range of pH studied. Among the differentially expressed proteins was a manganese-dependent inorganic pyrophosphatase (PpaC), which regulates expression of adhesins required for coaggregation. The expression of PpaC was highest at pH 6.5 - 7.0, the pH of a healthy oral cavity, indicating that PpaC may play an important part in dental plaque formation. Another differentially expressed protein was the heat-inducible transcription repressor (HrcA). Alterations in HrcA were consistent with its role as a negative repressor in regulating heat-shock proteins at low pH, even though no changes in the level of heat-shock proteins were observed as the pH declined. This result gave rise to the hypothesis that the possible reason cariogenic bacteria, such as Streptococcus mutans, can out compete S. gordonii at low pH might simply be due to their ability to manipulate their proteome in a complex manner for survival and persistence at low pH, unlike S. gordonii. This may imply some prevailing level of genetic regulation that is missing in S. gordonii.

Cette thèse s'attache à la commande de certains systèmes écologiques en chemostat (appareil de culture de micro--organismes en laboratoire). Nous commençons par un aperçu des modèles de compétition et de chaîne trophique dans le chemostat ainsi qu'un rappel des concepts basiques de la théorie de la commande adaptée aux équations du chemostat. Ceci nous permet de montrer quelques applications pratiques et aussi de mettre en évidence la complexité mathématique de la commande.<br /><br />La première partie considère la commande robuste d'un chemostat simple qui présente des imprécisions déterministes tant dans le modèle que dans la sortie, ainsi que des retards dans la sortie. Nous construisons une famille de boucles de rétroaction qui stabilise le modèle dans un polytope déterminé<br />par la grandeur des imprécisions. Cette famille stabilise aussi la sortie autour d'une consigne en présence des retards, mais en l'absence d'imprécision<br />sur le modèle et la sortie.<br /><br />La deuxième partie considère la commande en boucle<br />fermée d'un modèle de compétition entre espèces<br />qui permet la coexistence de celles--ci. Nous généralisons un résultat proposé par P. De Leenher et H.Smith dans deux directions: considération de fonctions de croissance plus générales et prise en compte de la mortalité des espèces.<br /><br />La troisième partie considère la commande en boucle ouverte d'une chaîne trophique dans un chemostat. Nous présentons une méthode de réduction de dimension qui permet de caractériser l'ensemble d'atteignabilité du système et d'obtenir un <br />résultat sur la commandabilité partielle de la chaîne.

L'objet de cette thèse est la formulation, l'étude de modèles<br />structurés de croissance cellulaire dans un chemostat, appareil de culture de micro-organismes en laboratoire, et l'estimation de certaines variables d'état pour ces modèles. Après de bref rappels sur la biologie des espèces considérées et la présentation du dispositif expérimental, nous introduirons les modèles classiques utilisés pour décrire le chemostat ainsi que les modèles structurés prenant en compte la division cellulaire notamment. Nous construirons et étudierons alors deux modèles en équations différentielles ordinaires de dimension 3 mettant en valeur la croissance et la division d'une cellule. Nous<br />terminerons cette partie par la construction et l'étude d'un modèle basé sur des réactions biochimiques décrivant le stockage d'une cellule. La deuxième partie de cette thèse concerne l'estimation de certaines variables d'état. Ainsi, les notions d'observabilité et d'observateur seront introduites. Des observateurs classiques seront construits pour les modèles de croissance décrits dans la première partie. Enfin, comme en biologie les modèles sont souvent mal connus, nous construirons des estimateurs hybrides, donnant les variables d'état non mesurables en utilisant les variables mesurées et la connaissance partielle du modèle. Nous terminerons ces deux parties par d'autres applications possibles.

Cette thèse porte sur des expériences d'évolution de bactéries, avec le but d'explorer expérimentalement comment des transferts horizontaux d'ADN au sein d'une population de bactéries peuvent ou non modifier l'évolution de cette population. La méthode utilisée pour permettre des échanges d'ADN à l'intérieur de la population repose sur la propriété de transformation naturelle de la bactérie Acinetobacter baylyi. Une expérience pilote sans brassage de génomes a été faite sur 3000 générations et nous avons analysé par séquençage les mutations et la diversité apparues pendant cette expérience. On observe une structure en multiples sous-populations compatible avec un régime d'interférence clonale. Une expérience d'évolution avec échange d'ADN ainsi qu'une expérience contrôle avec une bactérie non compétente ont été réalisées dans les mêmes conditions sur 1300 générations. Des séquençages de génomes ont été effectués sur des populations et des clones à différents temps de chaque expérience d'évolution afin de mettre en évidence les mutations apparues ainsi que leur fréquence dans la population. La diversité dans l'expérience d'évolution avec brassage est nettement plus élevée jusqu'à 970 générations et est due à différents types de mutations alors que dans l'expérience sans brassage, la diversité est essentiellement due à des SNP. Cependant dans l'expérience avec brassage, on observe à 1300 générations une baisse de la diversité qui est liée à la fixation d'une mutation dans un gène essentiel pour la transformation. Ces résultats préliminaires laissent penser que le brassage a un avantage à court terme mais qu'à long terme l'avantage lié à l'échange s'amenuise

Bluberries (Vaccinium sp.) are rich in polyphenols that are responsible for lowering the risk of developing several chronic degenerative diseases. However, the effect of food matrix interactions on the bioaccessibility and bioavailability of polyphenols is not well understood. In this research free and complexed polyphenols found in blueberry extracts were characterized and their antioxidant activity as well as antiproliferative activities against colon cancer cells (HT-29) and normal colon cells (CRL-1790) were evaluated. The blueberry food matrix and different carbohydrate-rich synthetic matrices were characterized and their biological activities assessed alone and in complexed state with polyphenols. The degradation of polyphenols during their transit through the gastrointestinal tract (GIT) was evaluated using an in vitro digestion model. Biological activities of blueberry polyphenols and their parent metabolites produced during colonic fermentation were estimated by in vitro antioxidant assays and cell proliferation analysis using HT-29 and CRL-1790 cell lines. HPLC analysis revealed the presence of 7 phenolic compounds and 13 anthocyanins in all samples. Although the concentration of the polyphenols varied among the samples, free and complexed polyphenols showed significant antioxidant and antiproliferative activities. Polyphenol complexes were analyzed using transmission electron microscopy (TEM) revealing the presence of electron dense complexes ranging from 100 – 200 nm. Pectinase treatment disrupted the structure of the complexes, suggesting the pectin nature of the polyphenol complexes. The antioxidant- and antiproliferative activities of the blueberry food matrix alone was below 10% compared to almost 90% and 70% of free and complexed polyphenols, respectively. Polyphenols and anthocyanins were highly stable during simulated gastric digestion step with approximately 93% and 99% of recovery, respectively. The intestinal digestion process decreased the polyphenol- and anthocyanin- contents by 49% and 15 % respectively. During colonic digestion, the complex polyphenol mixtures were degraded to a limited number of phenolic compounds. Only acetylated anthocyanins were detected in low amounts after the colonic digestion process. After simulated colonic digestion, the isolated catabolites showed lowered antioxidant activity and cell growth inhibition potential. Understanding the interactions that occur among polyphenols and different food matrices may help to produce more stable foods with better bioavailability. / The National Council of Science and Technology of Mexico (CONACYT)

L'objet de cette thèse est l'étude mathématique et numérique d'un système de compétition de plusieurs espèces pour une ressource dans un milieu hétérogène. Lorsque le milieu est homogène, il est connu qu'un tel système, appelé système de chemostat, vérifie le principe d'exclusion compétitive : au plus une espèce peut survivre. Nous proposons deux modèles spatialement structurés et étudions le rôle de l'hétérogénéité spatiale dans les phénomènes de coexistence. Le premier modèle est un système d'équations matricielles et le second un système de réaction-diffusion. Notre première contribution est de montrer que les solutions du système de réaction-diffusion sont uniformément bornées en temps et en espace en norme L infini. Nous étudions ensuite le cas des petits taux de migration dans le modèle discret et montrons que la coexistence est possible. Dans le cas des grands taux de migration, nous montrons à l'aide du théorème de la variété centrale que pour chacun des deux modèles, le principe d'exclusion compétitive est vérifié. Nous construisons finalement des solutions stationnaires de coexistence pour deux espèces à l'aide d'une méthode de bifurcations globales. Cette construction nous amène à définir la notion de domaine de coexistence dans l'espace des paramètres. Dans les derniers chapitres, nous illustrons et étendons numériquement les résultats précédents. Nous montrons en particulier comment le domaine de coexistence dépend du taux de migration et de l'hétérogénéité spatiale.