Cupriavidus metallidurans CH34 is a Gram-negative & / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cupriavidus metallidurans CH34 est une béta-protéobactérie, résistante aux métaux lourds, isolée des sédiments d'une usine de métallurgie non-ferreuse en Belgique. <p>Le génome de cette bactérie contient un chromosome (3.6 Mb), un mégaplasmide (2.6 Mb) et deux plasmides pMOL28 (171 kb) et pMOL30 (234 kb) déjà connus pour porter des gènes de résistance aux métaux lourds. <p>Nous avons d'abord fait le catalogue des gènes impliqués dans la résistance aux métaux lourds et, ensuite, cherché à mesurer leur expression par deux approches transcriptomiques :RT-PCR et puces à ADN.<p> L'analyse du génome montre au moins 170 gènes relatifs à la résistance aux ions métalliques localisés sur les 4 réplicons, principalement sur les deux plasmides. Ces gènes codent essentiellement pour des systèmes d'efflux tel que les HME-RND (transport chimioosmotique avec flux de protons à contresens), les ATPases de type P ou encore pour le système de résistance aux ions Cu(II). Dans le génome de C. metallidurans, nous avons identifié 13 opérons qui codent pour des systèmes HME-RND, seuls trois, localisés sur les plasmides, sont surexprimés en présence de métaux lourds. Huit gènes codent pour des ATPases de type P, dont deux appartiennent à une classe dont les substrats ne sont pas métalliques. Deux ATPases appartiennent à une famille spécialisée pour l'efflux du Cu(II) et les quatre autres à une autre grande famille impliquée dans l'efflux des ions Cd(II), Pb(II) et Zn(II). Les analyses transcriptomiques montrent la surexpression des deux premières classes d'ATPases P en présence des métaux lourds. La mutagenèse du gène zntA (mégaplasmide), codant pour l'une des ATPases, provoque une diminution de la viabilité en présence de Zn(II), Cd(II) et dans une moindre mesure de Pb(II), Tl(I) et Bi(III). <p>Sur pMOL30, la résistance au cuivre implique un groupe de 19 gènes cop codant pour la résistance au cuivre au niveau du périplasme et du cytoplasme, et vraisemblablement pour une forme de stockage du cuivre essentiel. Ces 19 gènes sont surexprimés en présence de cuivre, mais une quinzaine de gènes proches semblent aussi requis pour une expression optimale de la résistance au cuivre. <p>L'annotation des plasmides a mis en évidence la parenté du plasmide pMOL28 avec le plasmide pHG1 (hydrogénotrophie, fixation du CO2) de C. eutrophus H16 et le plasmide pSym (fixation de l'azote) de C. taiwanensis, et chez pMOL30, la présence de deux îlots génomiques concentrant la plupart des résistances aux métaux lourds. Les puces montrent la surexpression de 83 sur 164 gènes dans pMOL28, et de 143 sur 250 gènes dans pMOL30. Elles montrent aussi que les gènes présents sur les deux plasmides sont davantage surexprimés que ceux localisés sur les deux mégaréplicons. Parmi les gènes surexprimés les plus intéressants du plasmide pMOL30, il faut mentionner des transposases tronquées et des gènes impliqués dans la synthèse des membranes (glycosyltransférases). L'analyse de l'expression des gènes plasmidiens de résistance aux métaux lourds montre la surexpression en présence de plusieurs ions métalliques ajoutés indépendamment et pas seulement par les substrats métalliques de ces opérons, ce qui suggère l'intervention de deux types de régulation dont les gènes correspondants sont aussi localisés sur le chromosome et le mégaplasmide.<p>Ce travail met en évidence la spécialisation de la bactérie dans la réponse à un grand spectre de concentrations de métaux lourds, jusqu'à la limite majeure de la toxicité observée pour les bactéries mésophiles hétérotrophes. Cette spécialisation correspond bien aux biotopes industriels de divers continents dans lesquels on l'a trouvée. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie moléculaire / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The diploma thesis is focused on the study of the mechanism of plasticization of polyhydroxyalkanoates (PHA) in vivo, focusing mainly on methods of isolation native PHA granules and physical and chemical methods of initiation their phase transitions. The literature search prepared in this work deals with this microbial polyester and further focuses on individual methods of isolating PHA from bacterial cells. The main task of the experimental work was to optimize the isolation process of native PHA granules, as well as to design and test processes that initiate the PHA crystallization in isolated granules, as well as analytical procedures to correctly detect this phase transition. Isolation of PHA granules from Cupriavidus necator was performed by enzymes, centrifugation several times and sonication of the cells. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and an enzymatic method in which amorphous PHA is selectively degraded by PHA-depolymerase with turbidimetric detection of its loss in dispersion was used to detect PHA crystallization. Techniques based on fluorescence staining of granules (fluorescence spectroscopy and flow cytometry) were used in a more detailed study of the mechanism of PHA plasticization in granules. The results of the analyzes confirmed, among other things, that the optimized procedure makes it possible to isolate granules in the amorphous state, which remain amorphous even after drying and are comparable to native granules in their basic physicochemical properties.

This diploma thesis deals with application of evolutionary engineering on PHA producing bacterial strains. Two bacterial strains, Cupriavidus necator H16 and Halomonas halophila, were chosen for the evolutionary experiments. Copper cations (Cu2+) and sodium chloride (NaCl) were chosen as the selective pressure for C. necator H16; acetic acid (AA) and levulinic acid (LA) for Halomonas halophila. The adapted strains were during long-time evolutionary experiments characterized by GC-FID and SEC-MALS. The growth of the adapted strains was studied by the mean of optical density measurement. The amount of viable cells was determined by spectral FC after their expositon to selected stress factors. Specific enzyme activities of enzymes involved in citrate and glyoxalate cycle, enzymes generating NADPH, LA metabolism enzyme and PHA biosynthesis enzymes were determined. The adapted strains were compared with the wild-type of strains. The successfull adaptation of C. necator H16 adapted to Cu2+ was detected. Biomass and PHA production of both wild and adapted H. halophila strains cultivated in lignocellulosis waste were determined. It was found out that H. halophila adapted to the LA is capable of producing more PHA than the wild strain of this bacteria.

This thesis deals with the characterization of bacterial cells capable of polyhydroxyalkanoates (PHA) accumulation. The dissertation thesis is written in the form of a discussed published publications which are attached to the thesis as appendixes. The work develops a study of the current topic of the protective functions of PHA and clarifies protective mechanisms against selected stressors. Firstly, we focused on the protective effects of PHA granules against UV radiation and osmotic stress, specifically hypotonic conditions. In the case of UV exposition, the cells protected themselves by scattering UV radiation on the intracellular granules protecting especially nucleoid. When exposed to osmotic stress, the amorphous state of PHA granules is very important since it is capable of stabilization of cell membranes under hypertonic stress, afterwards, bacterial cells can maintain their integrity during the subsequent hypotonic challenge. In general, the amorphous state of PHA granules is key to ensure the proper biological functions of PHA whether as storage or protective polymer. Therefore, in the next part of this work, we focused on the core of the stabilization mechanism that protects native PHA granules from crystallization and thus the intracellular polymer maintains in a thermodynamically unfavorable amorphous phase state. Based on experimental work, we applied selected stresses because we proposed a new model of stabilization of the amorphous state of PHA granules in vivo. It consists of two mechanisms, where small volumes of PHA granules reduce the rates of crystallization and at the same time the water present in the granules plays the role of a low molecular plasticizer. Due to the metabolic apparatus of bacterial cells, PHA are simultaneously synthesized and degraded which leads to an increment of intracellular concentration of monomers that also figure in the protective effect of PHA. In this context, we aimed at the description of the mechanism of cryoprotective effects of 3-hydroxybutyrate, the monomer of the most common of PHA, poly(3-hydroxybutyrate). Hence, we constructed an equilibrium and non-equilibrium phase diagram of the 3HB-water system to prove that 3HB is a very effective cryoprotectant. This fundamental understanding of the protective properties of PHA monomers could be also used in the food industry or cryopreservation of biological samples.