Thesis--Göttingen. / In Periodical Room.

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C. acetobutylicum is an anaerobic bacterium that produces acetic and butyric acids, hydrogen gas, and carbon dioxide during the exponential phase of growth. When the culture pH is allowed to remain near 4.5, the metabolism switches to the production of the neutral compounds (solvents) - acetone, n-butanol, and ethanol. The two metabolic phases are known as the acidogenic and solventogenic phases. The enzyme hydrogenase plays an important role in this bacterium because it converts excess reducing power into hydrogen gas to maintain a balance in the oxidation-reduction state in the cell. During solventogenesis, additional reducing power is used in the production of n-butanol and ethanol, which leaves excess reducing power to be vented as hydrogen gas. There are conflicting reports about the level of hydrogenase in acidogenic and solventogenic cells. There is also evidence that hydrogenase may consume too much reducing power during solventogenensis that it actually decreases the cell's capacity to produce solvents. The purpose of this study was to examine the level of hydrogenase in acidogenic and solventogenic cells and to search for clues that may indicate the presence of multiple forms of hydrogenase in C. acetobutylicum. Both the hydrogen-oxidation (uptake) and the hydrogen-production (evolution) activities were measured in this study. The level of hydrogenase was found higher in acidogenic cells than in solventogenic cells, but there was no difference in the molecular weight of hydrogenase from these two types of cells. A significant increase in the ratio of the hydrogen-uptake over the hydrogen-evolution activity was observed in oxygen or heat-treated cell extracts and in hydrogenase partially purified on a DEAE-cellulose column. The results suggest the presence of more than one type of hydrogenase in this species or hydrogenase activities in the two directions may be differentially altered. These possibilities will be investigated in a future study. / Master of Science

Th. Doct.-Ing.--Sc. agronomiques--Paris-Grignon--Institut national agronomique, 1984. / 1985 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 84-88.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T03:47:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Estudos reportados na literatura indicam que a Clostridium acetobutylicum ATCC 824 não cresce em meio contendo apenas glicerol como fonte de carbono. Este indicativo foi reportado para situações onde o objetivo é a produção de biossolventes, por exemplo, biobutanol. Não há registro de obtenção de biohidrogênio a partir desta bactéria cultivada apenas em glicerol. A presente pesquisa teve como objetivo estudar o potencial de produção de hidrogênio por C. acetobutylicum ATCC 824, aproveitando um resíduo industrial da produção de biodiesel, o glicerol. Ferramentas de engenharia metabólica foram utilizadas para explorar a capacidade da C. acetobutylicum ATCC 824 de crescer e produzir hidrogênio a partir de glicerol como única fonte de carbono. Foi utilizado um modelo metabólico simplificado de 20 reações e 25 metabólitos. Com o resultado da Análise de Balanço de Fluxo (FBA), foi possível prever crescimento e produção de biohidrogênio. Foi estabelecido um protocolo experimental elaborado a partir da literatura e pela primeira vez foi demonstrado que, dadas as condições adequadas, é possível obter crescimento bacteriano e produção de hidrogênio a partir de glicerol como única fonte de carbono pela C. acetobutylicum ATCC 824. A comparação entre os processos de produção de hidrogênio através de glicose e glicerol mostrou que o rendimento da produção de hidrogênio a partir de glicerol nas condições estudadas é inferior à produção a partir de glicose. Uma avaliação dos perfis de produção de hidrogênio, consumo de substrato, e variação do pH do meio de cultura, indicou uma inibição que conduziu a bactéria a apresentar um comportamento predominantemente solventogênico durante as fermentações, o que indica que, apesar de terem permitido crescimento bacteriano, as condições operacionais definidas não são ótimas para esse processo. Podemos concluir também que a capacidade de produção de biohidrogênio a partir de glicerol poderá ser aumentada através da realização de otimização de parâmetros de operação e composição do meio de cultura. O glicerol bruto proveniente da fabricação do biodiesel por rota ácida mostrou-se um substrato adequado para promover o crescimento da C. acetobutylicum ATCC 824 sem tratamento prévio. A produção de energia elétrica #in situ# através da utilização direta de uma célula a combustível do tipo PEM foi demonstrada. Este é um resultado qualitativo, porém de grande interesse, uma vez que possibilita a aplicação direta da tecnologia aqui desenvolvida sem a necessidade do armazenamento de hidrogênio, que ainda é uma questão problemática cujo processo ainda está em aberto. / Hydrogen is being projected as an important component of the new world energetic matrix as a clean efficient energy carrier. The use of low-priced glycerol streams generated in the production of biodiesel represents a promising route to improve its economic viability. Clostridium has been extensively studied for hydrogen generation with many substrates and these studies imply that C. acetobutylicum ATCC 824 only metabolizes glycerol in the presence of glucose. In this work we provide evidence and describe anaerobic batch fermentations of C. acetobutylicum utilizing glycerol as the only carbon source, and compared growth and product formation with glucose fermentations. In silico FBA studies were carried out considering glycerol as carbon source and they indicated that would be possible to grown a culture using only such substrate. It was described and shown the results of an anaerobic batch fermentation of C. acetobutylicum utilizing glycerol as the only carbon source. The maximum yield of hydrogen produced from pure glycerol was up to 0,133 mol/mol. This yield was obtained from a non-optimized (preliminary) experiment and possibly will be increased when the operational parameters are optimized. The experiments compared growth and product formation of C. acetobutylicum ATCC 824 utilizing both glucose and glycerol as the sole carbon source in batch cultures. Semiquantitative tests were also conducted with raw glycerol from biodiesel production and integrating a PEM fuel cell for online electricity generation. Results show that, although the production of biohydrogen from glycerol is lower when compared with glucose fermentations, it#s possible to produce hydrogen from pure glycerol and directly from biodiesel byproducts. The online electricity generation also show positive results. These results indicated that biodiesel derived glycerol is a promising low-cost renewable feedstock for hydrogen production.

Clostridium acetobutylicum, une bactérie anaérobie stricte, à Gram positif et sporulante est maintenant considérée comme l'organisme modèle pour l'étude du métabolisme complexe desClostridies solvantogènes. Néanmoins, malgré de nombreuses études sur le sujet, les mécanismes moléculaires impliqués dans l'induction de solvantogénèse ne sont pas encore totalement compris. Une souche témoin et trois mutants métaboliques simples avec une délétion dans les phases codantes de gènes clés impliqués dans les formations d’acides / de solvants, à savoir ΔadhE1, ΔadhE2 et ΔbukΔptb300, ont été analysés par une approche globale à l'échelle du système pour mieux caractériser la régulation de la formation de solvant chez C. acetobutylicum d’un point de vue physiologique.Tout d'abord, la souche témoin ΔCA_C1502Δupp a été cultivée en chemostat limité en phosphate sous trois états métaboliques différents: l’acidogénèse, la solvantogénèse, et l'alcoologénèse. Les cultures ont été analysées par une approche de transcriptomique et de protéomique quantitative associée à une analyse fluxomique, basée sur un modèle l’échelle du génome, iCac967, développé au cours de la thèse. Cette étude a permis de mesurer le nombre de molécules d'ARNm par cellule pour tous les gènes dans les trois conditions métaboliques ainsi que le nombre de molécules de protéines cytosoliques par cellule pour environ 700 gènes dans au moins une des trois conditions de régime permanent.ΔadhE1 et ΔadhE2 ont été analysés ensemble et comparés à la souche témoin dans les mêmes conditions par une analyse transcriptomique et fluxomique globale. En condition solvantogène, seul le mutant ΔadhE1 présentait des changements significatifs montrant une diminution de la production de butanol et des changements d'expression au niveau transcriptionel dans de nombreux gènes. En particulier, adhE2 était surexprimé montrant qu’AdhE2 peut remplacer partiellement AdhE1 pour la production de butanol en solvantogénèse. En condition alcoologène, seul le mutant ΔadhE2 a montré des changements frappants dans l'expression des gènes et des flux métaboliques, avec notamment une perte totale de la production de butanol.Il est par conséquent démontré que AdhE2 est essentiel pour la production de butanol en alcoologénèse et que les flux métaboliques ont été réorientés vers la formation du butyrate. En condition acidogène, les flux métaboliques n'ont pas été significativement modifiés chez les deux mutants, mise à part la perte complète de la formation de butanol chez ΔadhE2, mais de manière surprenante des changements importants ont été observés, par analyse transcriptionnelle, dans l'expression de nombreux gènes. En outre, la plupart des gènes sur- ou sous-exprimés de manière significative dans cette condition physiologique, le sont pour les deux mutants.Le mutant ΔbukΔptb300 a également été analysé et comparé à la souche témoin dans les mêmes onditions par une analyse transcriptomique et fluxomique globale. En condition acidogène, le principal métabolite était le butanol et un nouveau composé est aussi produit qui a été identifiécomme étant du 2-hydroxy-valérate. En condition solvantogène, une augmentation de la production de butanol a été obtenue par rapport à la souche de contrôle et un rendement très élevé de formation de butanol a été atteint. En condition alcoologène, le produit principal était le lactate. En outre, au niveau transcriptionnel, adhE2 connu comme un gène exprimé spécifiquement en alcoologénèse, était étonnamment fortement exprimé dans tous les états métaboliques chez le mutant. / Clostridium acetobutylicum, a Gram-positive, strictly anaerobic, spore-forming bacterium is now considered as the model organism for the study of the complex metabolism of solventogenic Clostridia. Nevertheless, the molecular mechanisms involved in the induction ofsolventogenesis are not totally understood. A control strain and three single metabolic mutants with in frame deletion in key genes involved in acid/solvent formations, namely ΔadhE1, ΔadhE2, and ΔbukΔptb300, were analyzed by a system scale approach to better characterize the regulation of solvent formation in C. acetobutylicum from a physiological point of view.First of all, the control strain ΔCA_C1502Δupp was cultured in phosphate-limited chemostat under three different metabolic states, acidogenesis, solventogenesis, and alcohologenesis. Thecultures were analyzed by a quantitative transciptomic and proteomic approach, and finally associated with a fluxomic analysis, based on the reconstructed genome-scale model, iCac967 developed during the thesis. This study provided the number of mRNA molecules per cell for all genes under the three metabolic conditions as well as the number of cytosolic protein molecules per cell for approximately 700 genes under at least one of the three steady-state conditions.ΔadhE1 and ΔadhE2 were analyzed together to be compared to the control strain under same conditions in transcriptomic and fluxomic level. Under solventogenesis, only ΔadhE1 mutant exhibited significant changes showing decreased butanol production and transcriptional expression changes in numerous genes. In particular, adhE2 was overexpressed; thus, AdhE2 can partially replace AdhE1 for butanol production under solventogenesis. Under alcohologenesis, only ΔadhE2 mutant exhibited striking changes in gene expression and metabolic fluxes, and butanol production was completely lost. Therefore, it was demonstratedthat AdhE2 is essential for butanol production and thus metabolic fluxes were redirected towardbutyrate formation. Under acidogenesis, metabolic fluxes were not significantly changed in both mutants except the complete loss of butanol formation in ΔadhE2, but numerous changes in gene expression were observed. Furthermore, most of the significantly up- or downregulated genes under this condition showed the same pattern of change in both mutants.ΔbukΔptb300 was also analyzed to be compared to the control strain under same conditions in transcriptomic and fluxomic level. Under acidogenic conditions the primary metabolite was butanol and a new compound, 2-hydroxy-valerate was produced while under solventogenesis, increased butanol production was obtained compared to control strain under same condition and a very high yield of butanol formation was reached. Under alcohologenesis, the major product was lactate. Furthermore, at the transcriptional level, adhE2 known as a gene specifically expressed in alcohologenesis, was surprisingly highly expressed in all the metabolic states in the mutant.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2009. / Made available in DSpace on 2012-10-24T17:08:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 271051.pdf: 997154 bytes, checksum: 8735fd46cbd33f36153222b2f54cb7d9 (MD5) / Devido à vasta biodiversidade encontrada em seu território, o Brasil dispõe de uma grande variedade de resíduos agrícolas e agroindustriais, cujo bioprocessamento é de grande interesse econômico e social. É importante fomentar a demonstração das vantagens existentes e encorajar o investimento no desenvolvimento de novas tecnologias para se obter ganho energético a partir de recursos renováveis, que são produzidos em grande quantidade. O resíduo industrial, depois de gerado, necessita de destino adequado, pois, além de criar potenciais problemas ambientais, representam perdas de matérias-primas e energia, exigindo investimentos significativos em tratamentos para controlar a poluição. A produção de hidrogênio através de resíduos orgânicos não somente favorece o ambiente, mas também produz uma fonte de energia limpa. O resíduo líquido do processamento da mandioca, manipueira, constitui-se em um substrato de baixo custo, renovável e abundante no setor agrícola, além de ser rico em carboidratos. O objetivo deste trabalho foi estudar o efeito da concentração do substrato (manipueira) no crescimento celular e na produção de gás hidrogênio, por uma cultura pura de Clostridium acetobutylicum ATCC 824. Uma série de ensaios em batelada foi aplicada para tal fim, com concentrações de 30, 15, 10, 7.5 e 5 g DQO/L. A digestão anaeróbia da manipueira foi realizada em bioreatores de 500 mL, operando com temperatura de 36°C e pH 7. Resultados indicaram que não houve consumo total da matéria orgânica existente no substrato. Os resultados obtidos revelaram que a aplicação de concentrações de 30 e 15 gDQO/L, resultou em menor rendimento de hidrogênio, bem como numa eficiência menor de conversão de substrato. Por outro lado, concentrações menores, como 10, 7,5 e 5 gDQO/L resultaram em maiores rendimentos, sendo que o melhor rendimento de hidrogênio se deu na menor concentração de manipueira (5 gDQO/L), e alcançou 2.41 moles/mol glicose, com base no limite teórico por fermentação, de 4 moles de H2 a partir de 1 mol de glicose. Os resultados indicam que a mandioca pode ser utilizada para produção de hidrogênio, o que confirma a habilidade de uma cultura de Clostridium acetobutylicum em fermentar resíduos agroindustriais ricos em carboidratos. / Due to the large biodiversity found in its territory, Brazil has a wide variety of agricultural and agro-industrial wastes, generating a big social and economical interest in bioprocessing these wastes. It is important to encourage the demonstration of the existing benefits and investments in developing new technologies to gain more energy from renewable resources, which are produced in large quantity. The industrial waste, when generated, needs appropriate destination because, besides creating environmental problems in potential, represents losses of raw materials and energy, requiring significant investments in treatments to control pollution. The production of hydrogen from organic wastes not only favors the environment, but also produces a clean source of energy. The liquid residue from the processing of cassava, manipueira, is a low cost substrate, renewable and abundant in the agricultural sector, besides being rich in carbohydrates. The aim of this work was to study the effect of substrate concentration (manipueira) in cell growth and hydrogen gas production by a pure culture of Clostridium acetobutylicum ATCC 824. Series of batch tests were applied for this purpose, with concentrations of 30, 15, 10, 7.5 and 5 g COD / L. The anaerobic digestion of manipueira was performed in 500-mL bioreactors, operating with 36°C temperature and pH 7. Results confirmed what authors stated earlier, that there wasn't total consumption of organic matter in the experiments. Results showed that application of 30 and 15 gCOD/L, resulted in lower yields of hydrogen and a lower substrate conversion efficiency. Furthermore, lower concentrations, as 10, 7.5 and 5 gCOD/L resulted in higher incomes, and the best hydrogen yield was obtained with the lowest concentration of manipueira (5 gCOD/L), reaching 2.41 mol/mol glucose, based on the theoretical limit of 4 mol hydrogen/ mol glucose. The results indicate that cassava can be used to produce hydrogen, which confirms the ability of Clostridium acetobutylicum in bioprocesses with agroindustrial wastes rich in carbohydrates.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. / Made available in DSpace on 2012-10-23T02:04:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 266536.pdf: 789781 bytes, checksum: 513f3537889086fea6dc7582df4145e7 (MD5) / A produção biológica de hidrogênio é uma excelente alternativa de produção de energia. Dentre os processos biológicos de produção de hidrogênio, os fermentativos são os mais vantajosos do ponto de vista industrial. Clostridium acetobutylicum é uma bactéria muito utilizada industrialmente, tem um metabolismo fermentativo complexo que produz muitos metabólitos, incluindo hidrogênio com bons rendimentos e, freqüentemente, mostra um padrão de fermentação bifásico. Após produzir ácido acético, ácido butírico e hidrogênio durante a fase de crescimento exponencial, inicia-se a formação de solventes (etanol, acetona e butanol). Os rendimentos de hidrogênio podem ser melhorados com o uso de engenharia metabólica por meio de um redirecionamento do fluxo de elétrons para a produção de hidrogênio. O objetivo deste trabalho é investigar o metabolismo da C. acetobutylicum, visando encontrar as principais etapas que controlam a produção de hidrogênio. Para obter esse entendimento foram aplicadas duas ferramentas de engenharia metabólica: Análise de Fluxo Metabólico e Análise de Controle Metabólico. Dados da literatura foram usados como entrada nos modelos matemáticos construídos para as análises. A primeira ferramenta usada, Análise de Fluxo Metabólico, permitiu quantificar os fluxos internos do metabolismo da bactéria em estudo, sob duas condições de cultivo diferentes. O resultado dessa análise fornece um mapa de distribuição de fluxos. Também permite obter a sensibilidade dos fluxos medidos em relação ao fluxo de interesse Os modelos mostraram quais são as vias de maior sensibilidade, ou seja, as vias mais indicadas para possíveis modificações por manipulação genética. A segunda etapa desse trabalho foi aplicação de Análise de Controle Metabólico a fim de encontrar as etapas da via metabólica que controlam a produção de hidrogênio. Foi construído um modelo cinético e a partir dele foram obtidos os coeficientes de controle de fluxo, esse modelo foi ajustado com base nos próprios coeficientes de controle de fluxo apontados. O modelo obtido foi analisado e mostrou que as principais etapas que afetam a produção de hidrogênio são a via glicolítica e a via de regeneração do NADH. Pequenas variações na atividade enzimática dessas etapas produzirão grande efeito na produção de hidrogênio. Diante dessas ferramentas é possível prever melhores estratégias de modificações genéticas sítio-dirigidas. As conclusões deste trabalho estão baseadas em estudos in silico e não eliminam a necessidade de comprovação experimental.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. / Made available in DSpace on 2012-10-23T21:47:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2013-07-16T20:16:38Z : No. of bitstreams: 1 260699.pdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Este trabalho reúne ferramentas computacionais de biologia de sistemas num aplicativo chamado GEnSys (Genomic Engineering System), desenvolvido usando o MATLAB®, e que é formado por um conjunto de módulos interdependentes que permite a análise e simulação de redes de reações bioquímicas. Os módulos implementados realizam as seguintes tarefas: simulação dinâmica determinística, análise de controle metabólico, análise de fluxo metabólico, análise de balanço de fluxo e determinação de modos elementares. Uma característica importante do GEnSys é que não há a necessidade da entrada direta da matriz estequiométrica que representa o modelo biológico, pois existe um módulo que lê um arquivo contendo as reações da rede metabólica, escritas em uma sintaxe específica. Este procedimento gera automaticamente a matriz estequiométrica da rede. Para tanto, foi criada uma linguagem formal batizada de Linguagem de Reações Bioquímicas (LRB), flexível e intuitiva. Por exemplo, os nomes dos reagentes e produtos de uma reação podem conter caracteres especiais, tais como +, -, espaço e apóstrofo. Esses símbolos são comuns nos nomes dos compostos bioquímicos. Da forma como foi projetado, o GEnSys pode ser facilmente extendido para outros tipos de métodos de análise envolvendo a matriz estequiométrica. A partir de dados da literatura foram modeladas e simuladas diversas redes metabólicas. Para a Clostridium acetobutylicum foram consideradas todas as reações usadas para a produção de ácidos, solventes e hidrogênio molecular a partir de dois substratos distintos: glicose e glicerol. A rede modelada captura importantes aspectos qualitativos, de acordo com padrão de distribuição de fluxos (velocidades de reação) desta bactéria. Em um dos casos analisados foi possível obter valores quantitativos próximos aos valores reportados na literatura. Foram determinados 29 modos elementares de fluxo para a produção de hidrogênio molecular pela C. acetobutylicum. Destes, há 13 modos distintos envolvidos na produção de H2: seis a partir da glicose, seis a partir do glicerol e um relativo ao NADH, o qual foi considerado externo. Um estudo de caso em que a regulação da expressão gênica é importante foi conduzido comparando-se as simulações estocástica e determinística da via de biossíntese do triptofano da Escherichia coli. Todos os mecanismos de regulação conhecidos do operon trp (transcrição, tradução e inibição enzimática) foram considerados nas simulações estocástica e determinística. Em ambas, o comportamento da atividade da enzima antranilato sintase foi avaliado e comparado aos valores experimentais para uma E. coli selvagem. This work considers a set of computational systems biology tools, written as a MATLAB® toolbox called GEnSys (Genomic Engineering System). GEnSys comprises several interdependent modules that allow analysis and simulation of biochemical reaction networks. The developed implemented modules perform the following tasks: deterministic dynamic simulation, metabolic control analysis, metabolic flux analysis, flux balance analysis and determination of elementary modes. An important GEnSys feature is that the stoichiometric matrix representing the biological model does not have to be supplied directly. A module that reads an external file describing the metabolic network, in a specified, proposed syntax (the Biochemical Reaction Language - LRB), automatically produces the stoichiometric matrix. LRB is a flexible but intuitive language, that also allows the use of common biochemical symbols such as +, -, blank space and primes. Due to its design strategy, GEnSys may be easily extended for other analytical methods involving the stoichiometric matrix. Several metabolic networks were modeled from literature data and simulated using the developed tools. For Clostridium acetobutylicum all important reactions involved in the production of acids, solvents and molecular hydrogen, using two substrates, glucose and glycerol, were considered. The modeled network captures essential qualitative behavior, according to expected flux distribution from that bacterium. In one of the analysed cases, good quantitative agreement with literature data was found. Twenty-nine flux elementary modes for the molecular hydrogen production were found, thirteen of them involved in the H2 biosynthesis: six from glucose, six from glycerol, and one regarding NADH production. NADH was considered an external metabolite. A comparison between stochastic and deterministic simulation was carried out using a model where genetic regulation is important, the tryptophan biosynthesis by Escherichia coli. All known regulatory mechanisms for the trp operon (transcription, translation and enzymatic inhibition) were taken into account. In both cases, the catalytic behavior of the anthranilate synthase enzyme was evaluated and compared to experimental values reported to wild type E. coli.