Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida est une bactérie à Gram négatif responsable de la furonculose, une infection opportuniste des salmonidés d'élevage représentant en moyenne de 30 à 60 % des diagnostics annuels posés au Québec chez l'Omble de fontaine aquicole (Salvelinus fontinalis). Les méthodes de traitement actuelles contre la furonculose reposent essentiellement sur l'antibiothérapie et l'immunoprophylaxie. Cependant, l'usage intensif d'antibiotiques en aquaculture contribue à l'émergence de souches pathogènes d'A. salmonicida antibiorésistantes (certaines résistant à jusqu'à 8 antibiotiques). De plus, les effets secondaires associés à l'antibiothérapie et la vaccination peuvent causer des altérations maladaptives des interactions hôte-microbiote, en défaveur des bactéries résidentes de l'hôte qui contribuent à la résistance aux infections. C'est pourquoi l'administration de symbiontes bactériens endogènes à des hôtes sensibles en tant que traitement probiotique semble être une solution prometteuse. L'objectif de ce projet de maîtrise était d'initier la recherche et le développement d'un traitement à base de probiotiques endogènes pour prévenir et traiter la furonculose chez l'Omble de fontaine. Dans le cadre de ce projet, des souches de Pseudomonas spp. endogènes de l'Omble de fontaine ont été découvertes sur la base de leur effet d'antagonisme marqué et inductible vis-à-vis A. salmonicida. L'analyse bio-informatique du génome de ces souches a permis de prédire qu'elles appartiennent à l'espèce P. fluorescens, qu'elles sont a priori non pathogènes et qu'elles ne portent aucun gène horizontalement transférable de résistance à des antibiotiques homologués au Canada pour usage en aquaculture. Ces souches seraient donc des candidats probiotiques prometteurs pour prévenir et traiter la furonculose chez l'Omble de fontaine. / Aeromonas salmonicida subsp. salmonicida is a Gram-negative bacterium causing furunculosis, an opportunistic disease of farmed salmonids that accounts for 30 to 60% of yearly diagnoses emitted for the brook charr (Salvelinus fontinalis) in the Quebec province, Canada. Current treatment methods against furunculosis include antibiotherapy and immunoprophylaxis. However, the intensive use of antimicrobials in aquaculture contributes to the emergence of resistant A. salmonicida strains (some of which can resist up to 8 antimicrobials). Moreover, the adverse effects of antibiotherapy and vaccination may cause maladaptive changes in host-microbiota interactions, in disfavour of resident bacteria that contribute to enhance disease resistance. Therefore, using bacterial symbionts as a probiotic treatment appears to be a promising solution to treat furunculosis. The purpose of this Master's project was to pioneer research and development of an endogenous probiotic-based treatment strategy for brook charr against furunculosis. In this project, endogenous Pseudomonas spp. strains from brook charr were identified on the basis of their strong and inducible in vitro antagonistic effect against A. salmonicida. Bioinformatic analyses of those strains' genome sequence predicted that: (i) they belong to the P. fluorescens species group, (ii) they are non-pathogenic a priori, and (iii) they harbor no horizontally-transferable genes that confer resistance to antibiotics approved for use in aquaculture in Canada. These P. fluorescens strains therefore are promising probiotic candidates for in vivo trials on live brook charr.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eine Gerätes, welches die Überwachung von mehreren hundert Mikrobioreaktoren ermöglicht. Dabei sollte es, neben der Reduzierung von Kosten und Arbeitskraft, die konventionellen Pipettiermethoden in der zeitliche Auflösung übertreffen. Weiterhin soll es über eine Gradientenerzeugung verfügen, um sehr feine Variationen der Zusammensetzung des verwendeten Mediums zu ermöglichen. Dafür wurde ein Analysator für fluoreszierenden Tropfen (Fluorescent Droplet Analyser) entwickelt, mit dem ein segmentierter Fluss von mehreren hundert Tropfen erzeugt werden kann und für viele Tage gemessen werden kann. Für die Messung wurde der Analysator mit einer flexiblen Fluoreszenzoptik ausgestattet um unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe oder Molekühle detektieren zu können. Mehrere Experimente wurden durchgeführt, welche das Potentials des Gerätes zeigen. Einzelne Zellen des Pantoffeltierchen (Paramecium tetraurelia) konnten in einzelnen Tropfen eingeschlossen werden und mit einem metabolischen Farbstoffe ihre Stoffwechselaktivität gemessen werden. Ebenfalls wurden viele Experimente mit Pseudomonas fluorescens und E.coli YFP durchgeführt. Durch die flexible Fluoreszenzoptik konnte das Wachstum beider Arten in eine Experiment gemessen werden.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eine Gerätes, welches die Überwachung von mehreren hundert Mikrobioreaktoren ermöglicht. Dabei sollte es, neben der Reduzierung von Kosten und Arbeitskraft, die konventionellen Pipettiermethoden in der zeitliche Auflösung übertreffen. Weiterhin soll es über eine Gradientenerzeugung verfügen, um sehr feine Variationen der Zusammensetzung des verwendeten Mediums zu ermöglichen. Dafür wurde ein Analysator für fluoreszierenden Tropfen (Fluorescent Droplet Analyser) entwickelt, mit dem ein segmentierter Fluss von mehreren hundert Tropfen erzeugt werden kann und für viele Tage gemessen werden kann. Für die Messung wurde der Analysator mit einer flexiblen Fluoreszenzoptik ausgestattet um unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe oder Molekühle detektieren zu können. Mehrere Experimente wurden durchgeführt, welche das Potentials des Gerätes zeigen. Einzelne Zellen des Pantoffeltierchen (Paramecium tetraurelia) konnten in einzelnen Tropfen eingeschlossen werden und mit einem metabolischen Farbstoffe ihre Stoffwechselaktivität gemessen werden. Ebenfalls wurden viele Experimente mit Pseudomonas fluorescens und E.coli YFP durchgeführt. Durch die flexible Fluoreszenzoptik konnte das Wachstum beider Arten in eine Experiment gemessen werden.:1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Scope of this thesis 2 1.3 State of the art 3 2 Fundamentals 2.1 Millifluidics vs. microfluidics 5 2.1.1 Droplet based microfluidics 6 2.1.2 Surfactant in droplet-based millifluidics 7 2.2 The model of microorganism growth 8 2.3 The fluorescence based detection 9 3 Materials & Methods 3.1 The culture of the microorganisms and preparation 11 3.1.1 The Paramecium tetraurelia 11 3.1.2 Pseudomonas fluorescens 12 3.1.3 Escherichia coli 12 3.1.4 The bacteria culture 13 3.2 The Poisson distribution . 15 3.3 The composition of the emulsion 16 3.4 The fluidic components 17 3.5 Modules of the Fluorescent Droplet Analyser 18 3.5.1 The optocoupled relay card 18 3.5.2 The used fluidic pumps 19 3.5.3 The photonic elements of the FDA 19 3.5.4 The light sources 21 3.5.5 The optical fibres 23 3.5.6 The used detectors 23 3.6 The operating Software 24 4 The Fluorescent Droplet Analyser 4.1 The fluidic network for droplet generation and shuttling 26 4.1.1 Generation of a droplet sequence 28 4.1.2 Measuring a droplet sequence 30 4.2 The electric schematics of the FDA 31 4.3 The light source, guidance, and detection 32 4.3.1 Preparation of the fibres 33 4.3.2 The detection setup 35 4.4 The developed LabView program for operating the FDA 37 4.4.1 The automated measurement process 40 4.4.2 The peak mode 41 4.4.3 The time mode 42 4.4.4 The combined mode 42 4.4.5 The dynamic threshold 42 4.5 The developed VI program for analysing the data of the FDA 44 4.6 Flow characteristics of the FDA 46 4.6.1 Basic flow characteristics 46 4.6.2 Characteristics for shuttling of a droplet sequence 47 4.6.3 Influence of the hydrodynamic resistance 48 5 Monitoring of Paramecium tetraurelia 5.1 Introduction 51 5.2 Generation of a droplet sequence for Paramecium tetraurelia 53 5.3 Metabolic dynamics in droplets 54 5.4 Ecotoxicity assays 58 6 Monitoring of bacteria 6.1 Introduction 63 6.2 Generation of a droplet sequence for the bacteria experiments 64 6.3 Cell number calibration of the FDA 65 6.4 Monitoring of the bacteria growth 68 6.5 Investigation of the of the fluorescence signal 70 6.6 One bacteria cell in a droplet 71 6.7 The determination of the minimum inhibitory concentration 74 6.8 Long-term monitoring 80 6.9 Sectioning of the droplet sequence 80 6.10 Multicolor fluorescence detection 83

Pseudomonas is a diverse genus of Gram-negative bacteria that includes pathogens of plants, insects, and humans as well as environmental strains with no known pathogenicity. Pseudomonas fluorescens itself encompasses a heterologous group of bacteria that are prevalent in soil and on foliar and root surfaces of plants. Some strains of P. fluorescens suppress plant diseases and the genomic sequences of many biological control strains are now available. I used a combination of bioinformatic and phylogenetic analyses along with mutagenesis and biological assays to identify and compare the TonB-dependent outer-membrane proteins (TBDPs) of ten plant-associated strains of P. fluorescens and related species. TBDPs are common in Gram-negative bacteria, functioning in the uptake of ferric-siderophore complexes and other substrates into the cell. I identified 14 to 45 TBDRs in each strain of P. fluorescens or P. chlororaphis. Collectively, the ten strains have 317 TBDPs, which were grouped into 84 types based upon sequence similarity and phylogeny. As many as 13 TBDPs are unique to a single strain and some show evidence of horizontal gene transfer. Putative functions in the uptake of diverse groups of microbial siderophores, sulfur-esters, and other substrates were assigned to 28 of these TBDP types based on similarity to characterized orthologs from other Pseudomonas species. Redundancy of TBDP function was evident in certain strains of P. fluorescens, especially Pf-5, which has three TBDPs for ferrichrome/ferrioxamine uptake, two for ferric-citrate uptake and three for heme uptake. Five TBDP types are present in all ten strains, and putative functions in heme, ferrichrome, cobalamin, and copper/zinc uptake were assigned to four of the conserved TBDPs. The fluorescent pseudomonads are characterized by the production of pyoverdine siderophores, which are responsible for the diffusible UV fluorescence of these bacteria. Each of the ten plant-associated strains of P. fluorescens or P. chlororaphis has three to six TBDPs with putative roles in ferric-pyoverdine uptake (Fpv). To confirm the roles of the six Fpv outer membrane proteins in P. fluorescens Pf-5, I introduced deletions into each of the six fpv genes in this strain and evaluated the mutants and the parental strain for heterologous pyoverdine uptake. I identified at least one ferric-pyoverdine that was taken up by each of the six Fpv outer-membrane proteins of Pf-5. By comparing the ferric-pyoverdine uptake assay results to a phylogenetic analysis of the Fpv outer-membrane proteins, I observed that phylogenetically-related Fpv outer-membrane proteins take up structurally-related pyoverdines. I then expanded the phylogenetic analysis to include nine other strains within the P. fluorescens group, and identified five additional types of Fpv outer-membrane proteins. Using the characterized Fpv outer-membrane proteins of Pf-5 as a reference, pyoverdine substrates were predicted for many of the Fpv outer-membrane proteins in the nine other strains. Redundancy of Fpv function was evident in Pf-5, as some pyoverdines were recognized by more than one Fpv. It is apparent that heterologous pyoverdine recognition is a conserved feature, giving these ten strains flexibility in acquiring iron from the environment. Overall, the TBDPs of the P. fluorescens group are a functionally diverse set of structurally-related proteins present in high numbers in many strains. While putative functions have been assigned to a subset of the proteins, the functions of most TBDPs remain unknown, providing targets for further investigations into nutrient uptake by P. fluorescens spp.. The work presented here provides a template for future studies using a combination of bioinformatic, phylogenetic, and molecular genetic approaches to predict and analyze the function of these TBDPs. / Graduation date: 2012

Les maladies constituent présentement la cause la plus importante de perte économique en aquaculture moderne. Chez certaines espèces, notamment les salmonidés (Oncorhynchus sp. et Salmo sp.), on rapporte des pertes annuelles atteignant cinquante pour cent de la production. À l’heure actuelle, les infections fongiques occupent le second rang derrière les maladies bactériennes en fonction de leur importance économique. Ces poissons sont particulièrement vulnérables à une infection fongique causée par Saprolegnia sp. qui infecte habituellement les oeufs morts. Le saprophyte ubiquitaire se propage ensuite aux oeufs sains et aux individus matures. Malheureusement, le traitement efficace de cette infection, souvent primaire et parfois secondaire, est de plus en plus difficile en raison de nouvelles réglementations restrictives entourant le vert de malachite. Jadis, ce colorant constituait le fongicide le plus efficace dans la lutte contre la saprolégniose, mais son potentiel cancérigène en limite maintenant l’utilisation. Jusqu'à présent, aucun traitement disponible n’est aussi efficace que le vert de malachite pour le contrôle de la saprolégniose. Récemment, nous sommes parvenus à isoler trois bactéries capables d’inhiber la croissance de Saprolegnia sp. in vitro. Ces trois Pseudomonas fluorescens proviennent d’une pisciculture dans laquelle survenaient des cas d’infections à Saprolegnia parasitica. En poussant la caractérisation de l’activité grâce à des analyses de chromatographie liquide haute performance et de spectrométrie de masse, nous avons réussi à isoler et à identifier la molécule responsable. L’acide phénazine-1-carboxylique (PCA), sécrété par deux de nos trois souches, cause l’inhibition de la croissance de Saprolegnia. / Disease is the single largest cause of economic losses in aquaculture, and fungal infections are second only to bacterial diseases in economic importance. Fifty percent per year losses due to fungal infections have been reported in a number of species including salmonids, (Oncorhynchus sp., Salmo sp.) which are particularly susceptible to Saprolegnia sp. The ubiquitous saprophyte commonly infects dead fish eggs and spreads to healthy eggs and fry resulting in a deadly, usually secondary, infection. The ability to effectively treat fungal infections has become increasingly difficult with the accrual of restrictions on the use of the most effective fungicide available, namely malachite green due to concerns regarding its carcinogenicity. Hitherto, no new treatment as effective as malachite green has been available to fish farmers. Recently, we have isolated three Pseudomonas fluorescens bacterial strains, from a Saprolegnia parasitica-infected fish farm, adept at the inhibition of the growth of this oomycete in vitro. The inhibitory activity was found to be present in the culture supernatant of the three strains. Further characterization by high performance liquid chromatography and mass spectrometry has been performed to identify the nature of the inhibition. Phenazine-1-carboxylic acid (PCA), produced by two of the three isolates, was found to be able of inhibiting the growth of Saprolegnia. The causal factor producing inhibition for the third isolate remains a mystery.

Les maladies constituent présentement la cause la plus importante de perte économique en aquaculture moderne. Chez certaines espèces, notamment les salmonidés (Oncorhynchus sp. et Salmo sp.), on rapporte des pertes annuelles atteignant cinquante pour cent de la production. À l’heure actuelle, les infections fongiques occupent le second rang derrière les maladies bactériennes en fonction de leur importance économique. Ces poissons sont particulièrement vulnérables à une infection fongique causée par Saprolegnia sp. qui infecte habituellement les oeufs morts. Le saprophyte ubiquitaire se propage ensuite aux oeufs sains et aux individus matures. Malheureusement, le traitement efficace de cette infection, souvent primaire et parfois secondaire, est de plus en plus difficile en raison de nouvelles réglementations restrictives entourant le vert de malachite. Jadis, ce colorant constituait le fongicide le plus efficace dans la lutte contre la saprolégniose, mais son potentiel cancérigène en limite maintenant l’utilisation. Jusqu'à présent, aucun traitement disponible n’est aussi efficace que le vert de malachite pour le contrôle de la saprolégniose. Récemment, nous sommes parvenus à isoler trois bactéries capables d’inhiber la croissance de Saprolegnia sp. in vitro. Ces trois Pseudomonas fluorescens proviennent d’une pisciculture dans laquelle survenaient des cas d’infections à Saprolegnia parasitica. En poussant la caractérisation de l’activité grâce à des analyses de chromatographie liquide haute performance et de spectrométrie de masse, nous avons réussi à isoler et à identifier la molécule responsable. L’acide phénazine-1-carboxylique (PCA), sécrété par deux de nos trois souches, cause l’inhibition de la croissance de Saprolegnia. / Disease is the single largest cause of economic losses in aquaculture, and fungal infections are second only to bacterial diseases in economic importance. Fifty percent per year losses due to fungal infections have been reported in a number of species including salmonids, (Oncorhynchus sp., Salmo sp.) which are particularly susceptible to Saprolegnia sp. The ubiquitous saprophyte commonly infects dead fish eggs and spreads to healthy eggs and fry resulting in a deadly, usually secondary, infection. The ability to effectively treat fungal infections has become increasingly difficult with the accrual of restrictions on the use of the most effective fungicide available, namely malachite green due to concerns regarding its carcinogenicity. Hitherto, no new treatment as effective as malachite green has been available to fish farmers. Recently, we have isolated three Pseudomonas fluorescens bacterial strains, from a Saprolegnia parasitica-infected fish farm, adept at the inhibition of the growth of this oomycete in vitro. The inhibitory activity was found to be present in the culture supernatant of the three strains. Further characterization by high performance liquid chromatography and mass spectrometry has been performed to identify the nature of the inhibition. Phenazine-1-carboxylic acid (PCA), produced by two of the three isolates, was found to be able of inhibiting the growth of Saprolegnia. The causal factor producing inhibition for the third isolate remains a mystery.

No description available.

The groundwater bacterium Pseudomonas fluorescens (CCUG 32456) isolated at a depth of 70 m in the Äspö Hard Rock Laboratory secretes a pyoverdin-mixture with four main components (two pyoverdins and two ferribactins). The dominant influence of the pyoverdins of this mixture could be demonstrated by an absorption spectroscopy study. The comparison of the stability constants of U(VI), Cm(III), and Np(V) species with ligands simulating the functional groups of the pyoverdins results in the following order of complex strength: pyoverdins (PYO) > trihydroxamate (DFO) > catecholates (NAP, 6­HQ) > simple hydroxamates (SHA, BHA). The pyoverdin chromophore functionality shows a large affinity to bind actinides. As a result, pyoverdins are also able to complex and to mobilize elements other than Fe(III) at a considerably high efficiency. It is known that EDTA may form the strongest actinide complexes among the various organic components in nuclear wastes. The stability constants of 1:1 species formed between Cm(III) and U(VI) and pyoverdins are by a factor of 1.05 and 1.3, respectively, larger compared to the corresponding EDTA stability constants. The Np(V)-PYO stability constant is even by a factor of 1.83 greater than the EDTA stability constant. The identified Np(V)-PYO species belong to the strongest Np(V) species with organic material reported so far. All identified species influence the actinide speciation within the biologically relevant pH range. The metal binding properties of microbes are mainly determined by functional groups of their cell wall (LPS: Gram-negative bacteria and PG: Gram-positive bacteria). On the basis of the determined stability constants raw estimates are possible, if actinides prefer to interact with the microbial cell wall components or with the secreted pyoverdin bioligands. By taking pH 5 as an example, U(VI)-PYO interactions are slightly stronger than those observed with LPS and PG. For Cm(III) we found a much stronger affinity to aqueous pyoverdin species than to functional groups of the cell wall compartments. A similar behavior was observed for Np(V). This shows the importance of indirect interaction processes between actinides and bioligands secreted by resident microbes.

Styrol-Monooxygenasen (SMOs) spielen im bakteriellen Abbau von Styrol eine wichtige Rolle. Sie epoxidieren den Kohlenwasserstoff zu (S)-Styroloxid und waren bis vor kurzem vor allem aus Gram-negativen Vertretern wie Pseudomonaden bekannt. Das Grampositive nocardioforme Bodenbakterium Rhodococcus opacus 1CP kann Styrol als Energie- und Kohlenstoffquelle nutzen und verfügt über zwei Typen von SMOs. Neben StyA2B, einer fusionierten FAD:NADH-Oxidoreduktase (StyB) und Monooxygenase (StyA2) findet sich eine weitere Monooxygenase StyA1, deren Gen direkt stromaufwärts zu styA2B lokalisiert ist. Zusätzlich zum natürlichen Fusionsprotein StyA2B gelang kürzlich die Konstruktion künstlicher Fusionen StyAL1B und StyAL2B aus Pseudomonas fluorescens ST. Um sowohl StyA1/StyA2B als auch die künstlichen Fusionen StyAL1B und StyAL2B für eine biotechnologische Anwendung nutzen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit angestrebt, ihre spezifische Oxygenierungsaktivität (StyA1/StyA2B: 0,24 U/mg) mit Hilfe der error prone PCR zu erhöhen. Um Veränderungen der katalytischen Aktivität in einer großen Zahl von Mutanten schnell zu erkennen, ist ein einfacher Screeningtest erforderlich. Die Fähigkeit von SMOs zur Oxidation von Indol zu blauem Indigo bietet diese Möglichkeit. Allerdings ist hierfür die Expression löslicher Proteine eine wesentliche Voraussetzung. Versuche zur Veränderung der Gene styA2B und styA1A2B mit Hilfe eines kommerziellen error prone PCR Kits lieferten ca. 300 bis 1.200 mutmaßlich veränderte Klone, welche jedoch keinerlei Aktivität für den Indolumsatz zeigten. Als Ursache wurde eine Expression der Proteine in Form inaktiver Inclusion Bodies vermutet. Die Fusionsproteine StyAL1B und StyAL2B bilden lösliches Protein, welche Indol zum blauen Farbstoff Indigo umsetzen. Verschiedene Kultivierungsbedingungen wurden auf den Umsatz von Indol untersucht. Dabei wurde erkannt, dass die Klone sich nicht identisch bezüglich ihrer Proteinlöslichkeit verhalten. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wurde ein Test für das Aktivitätsscreening von Styrol-Monooxygenasen auf Platte entwickelt. Die Erhöhung der NaCl-Konzentration im Medium steigerte die Indoloxidation, welche sich jedoch durch zusätzliche physiologisch Faktoren schwer beeinflussen lassen. Auch für die Fusionsproteine erfolgte die Durchführung einer error prone PCR. Der Schritt der error prone PCR stellte kein Problem dar, jedoch die Einbindung des veränderten Genfragmentes in den Vektor, beziehungsweise dessen Transformation in E. coli. Alternative Strategien, wie die Nutzung alternativer DNA Polymerasen und eines konventionellen Konzepts, bei dem veränderte Gene in geschnittene Expressionsvektoren ligiert werden, führte zu keinen detektierbaren Klonen. Die Kultivierung von identischen Klonen auf Festmedium wirkte sich aufgrund nicht näher identifizierter Einflüsse auf das Verhalten bezüglich der Indoloxidation sehr unterschiedlich aus. Um diese Einflüsse zu minimieren, erfolgte die Untersuchung des Systems in einer Flüssigkultur. Im Blickpunkt stand hierbei die Indigoproduktion von E. coli BL21 (pET_StyAL2B) die in Abhängigkeit der optischen Dichte der Kultur untersucht wurde. / Styrene monooxygenases (SMOs) play an important role in the bacterial degradation of styrene. They epoxidize the hydrocarbon highly enantioselective to (S)-styrene oxide. Most of the styrene monooxygenases known so far were identified in Gram-negative microorganisms like pseudomonads. Rhodococcus opacus 1CP, a Gram-positive nocardioform actinobacterium, which uses styrene as energy and carbon source was recently found to possess a novel type of SMO, StyA2B. This protein represents a natural fusion between an FAD:NADH oxidoreductase (StyB) and a single monooxygenase subunit (StyA2) and might act in combination with another single oxygenase StyA1 in strain 1CP. Two artificial analogs to StyA2B, designated StyAL1B and StyAL2B, were recently prepared by a fusion of styA and styB of Pseudomonas fluorescens ST and both showed oxygenating activity. For StyA1/StyA2B as well as the artificial fusion proteins StyAL1B and StyAL2B, it was tried to enhance the specific oxygenation activity in order to support their biotechnological applicability. The method of error prone PCR was used for that purpose. In order to identify favorable modifications with increased catalytic activity from a high number of mutants, an easy and simple screening test is necessary. Therefore, it is reasonable to use the ability of SMOs to oxidize indole to the blue dye indigo. However, the expression of SMOs as soluble proteins is an important requirement for any activity screening. Attempts to modify the genes styA2B and styA1/styA2B by means of a commercial error prone PCR kit yielded 300 to 1,200 potential mutants. Unfortunately, none of the obtained colonies showed any indole-oxidizing activity and the formation of insoluble inclusion bodies was assumed to be a likely explanation. In contrast to StyA2B and StyA1, recombinant expression of the artificial fused SMOs StyAL1B und StyAL2B should yield detectable amounts of active proteins. In fact, cultivation of clones expressing both types of proteins showed a blue coloration. Since the coloration of clones from one single solid medium evolved in a non-uniform manner, cultivation conditions were varied in order to identify factors which promote a more uniform tendency for indole oxidation. Although a high NaCl concentration in the medium was shown to favor indole oxidation, the latter one seems to be influenced by additional physiological factors, hardly to control. For the artificially fused proteins an error prone PCR was carried out, too. Although the initial step of mutagenic PCR was found to be successful, completing the vector system by a second ll-up PCR reaction failed. Alternative strategies like the usage of alternative DNA polymerases as well as a conventional cloning approach of various genes into a digested expression vector did not lead to detectable clones. The cultivation of identical clones on petri dishes provided no uniform tendency for indole oxidation and thus did not allow the reliable comparison of mutants in respect of their specific SMO activities. Cultivation of mutants in liquid medium should lead to more reproducible conditions and for that purpose a method was successfully established to quantify indigo formation and cell density.

Styrol-Monooxygenasen (SMOs) spielen im bakteriellen Abbau von Styrol eine wichtige Rolle. Sie epoxidieren den Kohlenwasserstoff zu (S)-Styroloxid und waren bis vor kurzem vor allem aus Gram-negativen Vertretern wie Pseudomonaden bekannt. Das Grampositive nocardioforme Bodenbakterium Rhodococcus opacus 1CP kann Styrol als Energie- und Kohlenstoffquelle nutzen und verfügt über zwei Typen von SMOs. Neben StyA2B, einer fusionierten FAD:NADH-Oxidoreduktase (StyB) und Monooxygenase (StyA2) findet sich eine weitere Monooxygenase StyA1, deren Gen direkt stromaufwärts zu styA2B lokalisiert ist. Zusätzlich zum natürlichen Fusionsprotein StyA2B gelang kürzlich die Konstruktion künstlicher Fusionen StyAL1B und StyAL2B aus Pseudomonas fluorescens ST. Um sowohl StyA1/StyA2B als auch die künstlichen Fusionen StyAL1B und StyAL2B für eine biotechnologische Anwendung nutzen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit angestrebt, ihre spezifische Oxygenierungsaktivität (StyA1/StyA2B: 0,24 U/mg) mit Hilfe der error prone PCR zu erhöhen. Um Veränderungen der katalytischen Aktivität in einer großen Zahl von Mutanten schnell zu erkennen, ist ein einfacher Screeningtest erforderlich. Die Fähigkeit von SMOs zur Oxidation von Indol zu blauem Indigo bietet diese Möglichkeit. Allerdings ist hierfür die Expression löslicher Proteine eine wesentliche Voraussetzung. Versuche zur Veränderung der Gene styA2B und styA1A2B mit Hilfe eines kommerziellen error prone PCR Kits lieferten ca. 300 bis 1.200 mutmaßlich veränderte Klone, welche jedoch keinerlei Aktivität für den Indolumsatz zeigten. Als Ursache wurde eine Expression der Proteine in Form inaktiver Inclusion Bodies vermutet. Die Fusionsproteine StyAL1B und StyAL2B bilden lösliches Protein, welche Indol zum blauen Farbstoff Indigo umsetzen. Verschiedene Kultivierungsbedingungen wurden auf den Umsatz von Indol untersucht. Dabei wurde erkannt, dass die Klone sich nicht identisch bezüglich ihrer Proteinlöslichkeit verhalten. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wurde ein Test für das Aktivitätsscreening von Styrol-Monooxygenasen auf Platte entwickelt. Die Erhöhung der NaCl-Konzentration im Medium steigerte die Indoloxidation, welche sich jedoch durch zusätzliche physiologisch Faktoren schwer beeinflussen lassen. Auch für die Fusionsproteine erfolgte die Durchführung einer error prone PCR. Der Schritt der error prone PCR stellte kein Problem dar, jedoch die Einbindung des veränderten Genfragmentes in den Vektor, beziehungsweise dessen Transformation in E. coli. Alternative Strategien, wie die Nutzung alternativer DNA Polymerasen und eines konventionellen Konzepts, bei dem veränderte Gene in geschnittene Expressionsvektoren ligiert werden, führte zu keinen detektierbaren Klonen. Die Kultivierung von identischen Klonen auf Festmedium wirkte sich aufgrund nicht näher identifizierter Einflüsse auf das Verhalten bezüglich der Indoloxidation sehr unterschiedlich aus. Um diese Einflüsse zu minimieren, erfolgte die Untersuchung des Systems in einer Flüssigkultur. Im Blickpunkt stand hierbei die Indigoproduktion von E. coli BL21 (pET_StyAL2B) die in Abhängigkeit der optischen Dichte der Kultur untersucht wurde.:Eidesstattliche Erklärung II Danksagung III Zusammenfassung IV Abstract VI Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XIII Abkürzungsverzeichnis XIV 1 Einleitung 1 1.1 Styrol - ein Produkt der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Styrol-Monooxygenasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Abbauwege von Styrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Struktur, Vorkommen und Eigenschaften klassischer Zweikomponenten Styrol-Monooxygenasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.3 Das neuartige Styrol-Monooxygenase-System StyA1/StyA2B aus Rhodococcus opacus 1CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.4 Künstlich verlinkte SMO aus Pseudomonas uorescens ST . . . . . 7 1.2.5 Biotechnologischer Einsatz von Styrol-Monooxygenasen . . . . . . . 8 1.3 Strategien des Protein-Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 Arbeitsmethoden zur Veränderung von DNA . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Error prone PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Arbeitsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 Material und Methoden 13 2.1 Bakterienstämme und Plasmide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Kultivierungsmedien und -bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Kultivierungsmedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Kultivierungstemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.1 Primer und Primerdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2 Standard-PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4 Fehlerbehaftete Polymerase-Kettenreaktion (epPCR) . . . . . . . . . . . . 17 2.4.1 Synthese der mutagenen Megaprimer . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.2 EZClone Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.3 Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.4 Modi zierung des Protokolls des EZClone Reaktion Schrittes . . . . 20 2.5 Aufreinigung von PCR-Produkten aus der Lösung . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 TAE-Agarose-Gelelektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.7 DNA-Extraktion aus Agarosegelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.8 Bestimmung der DNA-Konzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.9 Restriktionsverdau von DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.10 Ligation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.11 Herstellung von kompetenten Zellen (E.coli DH5ff, E. coli BL21) . . . . . 23 2.11.1 Chemisch kompetente Zellen nach der CaCl2-Methode (42) . . . . . 23 2.11.2 TOP10 chemischkompetente Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.12 Transformation nach der Hitzeschock-Methode (19) . . . . . . . . . . . . . 24 2.13 Plasmidpräparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.14 Bestimmung der Indigobildung durch Klone mit mutmaÿlicher SMO-Aktivität 24 2.14.1 Abschätzung der Indigobildung durch Augenschein . . . . . . . . . 25 2.14.2 Quanti zierung der Indigobildung mittels UV/Vis-Spektrophotometrie 25 2.14.3 Quanti zierung der Indigobildung aus Flüssigkulturen . . . . . . . . 26 3 Ergebnisse 27 3.1 Versuche der error prone PCR von StyA2B aus Rhodococcus opacus 1CP . 27 3.1.1 Isolation von Templat-DNA und Durchführung der error prone PCR 28 3.1.2 Screening von Transformanden auf Fähigkeit zur Indol-Oxidation . 29 3.1.3 Herstellung und Aktivitätsscreening von E. coli DH5ff pET_StyA2B 30 3.2 Versuche der error prone PCR von styA1/styA2B aus Rhodococcus opacus 1CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Durchführung der error prone PCR und Aktivitätsscreening von StyA1/StyA2B in pBluescript KS(+) . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Durchführung des Aktivitätsscreening von StyA1/StyA2B in pET16bP 32 3.3 Fusionsproteine StyAL1B und StyAL2B aus Pseudomonas uorescens ST . 33 3.3.1 Optimierung der Zusammensetzung des LB-Mediums für das Aktivitätsscreenings von pET_StyAL2B in E. coli BL21 nach einer Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.2 Ein uss der Belüftung auf die Neigung von E. coli BL21 (pET_StyAL2B) Kolonien zur Oxidation von Indol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.3 Bestimmung der Indigobildung mittels UV/Vis-Spektroskopie . . . 40 3.3.4 Zeitliche Entwicklung der Indigokonzentration einer Flüssigkultur von E. coli BL21 (pET_StyAL2B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.5 Error prone PCR von pET_StyAL2B mit Gene Morph II EZ Clone Kit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.6 Error prone PCR nach der klassischen Methode mit pET_StyAL1B und pET_StyAL2B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4 Diskussion der Ergebnisse 49 4.1 Die error prone PCR als attraktive Methodik zur Optimierung von Styrol- Monooxygenasen hinsichtlich katalytischer Eigenschaften . . . . . . . . . . 49 4.2 Der Aktivitätsnachweis als mutmaÿlich limitierender Schritt in der Modi- zierung von StyA2B und StyA1/StyA2B mit Hilfe der error prone PCR . 51 4.3 Die künstlich fusionierten Styrol-Monooxygenasen StyAL2B und StyAL1B erlauben ein Aktivitätsscreening auf Platte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4 Die Entwicklung einer Methodik zur Quanti zierung der spezi schen Indigobildung eines Expressionsklons der Styrol-Monooxygenase StyAL2B . . . 58 4.5 Fehleranalyse zur error prone PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5.1 Fehler in der klassischen error prone PCR für pET_StyAL1B und pET_StyAL2B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Literaturverzeichnis 65 / Styrene monooxygenases (SMOs) play an important role in the bacterial degradation of styrene. They epoxidize the hydrocarbon highly enantioselective to (S)-styrene oxide. Most of the styrene monooxygenases known so far were identified in Gram-negative microorganisms like pseudomonads. Rhodococcus opacus 1CP, a Gram-positive nocardioform actinobacterium, which uses styrene as energy and carbon source was recently found to possess a novel type of SMO, StyA2B. This protein represents a natural fusion between an FAD:NADH oxidoreductase (StyB) and a single monooxygenase subunit (StyA2) and might act in combination with another single oxygenase StyA1 in strain 1CP. Two artificial analogs to StyA2B, designated StyAL1B and StyAL2B, were recently prepared by a fusion of styA and styB of Pseudomonas fluorescens ST and both showed oxygenating activity. For StyA1/StyA2B as well as the artificial fusion proteins StyAL1B and StyAL2B, it was tried to enhance the specific oxygenation activity in order to support their biotechnological applicability. The method of error prone PCR was used for that purpose. In order to identify favorable modifications with increased catalytic activity from a high number of mutants, an easy and simple screening test is necessary. Therefore, it is reasonable to use the ability of SMOs to oxidize indole to the blue dye indigo. However, the expression of SMOs as soluble proteins is an important requirement for any activity screening. Attempts to modify the genes styA2B and styA1/styA2B by means of a commercial error prone PCR kit yielded 300 to 1,200 potential mutants. Unfortunately, none of the obtained colonies showed any indole-oxidizing activity and the formation of insoluble inclusion bodies was assumed to be a likely explanation. In contrast to StyA2B and StyA1, recombinant expression of the artificial fused SMOs StyAL1B und StyAL2B should yield detectable amounts of active proteins. In fact, cultivation of clones expressing both types of proteins showed a blue coloration. Since the coloration of clones from one single solid medium evolved in a non-uniform manner, cultivation conditions were varied in order to identify factors which promote a more uniform tendency for indole oxidation. Although a high NaCl concentration in the medium was shown to favor indole oxidation, the latter one seems to be influenced by additional physiological factors, hardly to control. For the artificially fused proteins an error prone PCR was carried out, too. Although the initial step of mutagenic PCR was found to be successful, completing the vector system by a second ll-up PCR reaction failed. Alternative strategies like the usage of alternative DNA polymerases as well as a conventional cloning approach of various genes into a digested expression vector did not lead to detectable clones. The cultivation of identical clones on petri dishes provided no uniform tendency for indole oxidation and thus did not allow the reliable comparison of mutants in respect of their specific SMO activities. Cultivation of mutants in liquid medium should lead to more reproducible conditions and for that purpose a method was successfully established to quantify indigo formation and cell density.:Eidesstattliche Erklärung II Danksagung III Zusammenfassung IV Abstract VI Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XIII Abkürzungsverzeichnis XIV 1 Einleitung 1 1.1 Styrol - ein Produkt der Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Styrol-Monooxygenasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Abbauwege von Styrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Struktur, Vorkommen und Eigenschaften klassischer Zweikomponenten Styrol-Monooxygenasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.3 Das neuartige Styrol-Monooxygenase-System StyA1/StyA2B aus Rhodococcus opacus 1CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.4 Künstlich verlinkte SMO aus Pseudomonas uorescens ST . . . . . 7 1.2.5 Biotechnologischer Einsatz von Styrol-Monooxygenasen . . . . . . . 8 1.3 Strategien des Protein-Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 Arbeitsmethoden zur Veränderung von DNA . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Error prone PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Arbeitsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 Material und Methoden 13 2.1 Bakterienstämme und Plasmide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Kultivierungsmedien und -bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 Kultivierungsmedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 Kultivierungstemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.1 Primer und Primerdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2 Standard-PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4 Fehlerbehaftete Polymerase-Kettenreaktion (epPCR) . . . . . . . . . . . . 17 2.4.1 Synthese der mutagenen Megaprimer . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.2 EZClone Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.3 Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.4 Modi zierung des Protokolls des EZClone Reaktion Schrittes . . . . 20 2.5 Aufreinigung von PCR-Produkten aus der Lösung . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 TAE-Agarose-Gelelektrophorese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.7 DNA-Extraktion aus Agarosegelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.8 Bestimmung der DNA-Konzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.9 Restriktionsverdau von DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.10 Ligation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.11 Herstellung von kompetenten Zellen (E.coli DH5ff, E. coli BL21) . . . . . 23 2.11.1 Chemisch kompetente Zellen nach der CaCl2-Methode (42) . . . . . 23 2.11.2 TOP10 chemischkompetente Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.12 Transformation nach der Hitzeschock-Methode (19) . . . . . . . . . . . . . 24 2.13 Plasmidpräparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.14 Bestimmung der Indigobildung durch Klone mit mutmaÿlicher SMO-Aktivität 24 2.14.1 Abschätzung der Indigobildung durch Augenschein . . . . . . . . . 25 2.14.2 Quanti zierung der Indigobildung mittels UV/Vis-Spektrophotometrie 25 2.14.3 Quanti zierung der Indigobildung aus Flüssigkulturen . . . . . . . . 26 3 Ergebnisse 27 3.1 Versuche der error prone PCR von StyA2B aus Rhodococcus opacus 1CP . 27 3.1.1 Isolation von Templat-DNA und Durchführung der error prone PCR 28 3.1.2 Screening von Transformanden auf Fähigkeit zur Indol-Oxidation . 29 3.1.3 Herstellung und Aktivitätsscreening von E. coli DH5ff pET_StyA2B 30 3.2 Versuche der error prone PCR von styA1/styA2B aus Rhodococcus opacus 1CP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Durchführung der error prone PCR und Aktivitätsscreening von StyA1/StyA2B in pBluescript KS(+) . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Durchführung des Aktivitätsscreening von StyA1/StyA2B in pET16bP 32 3.3 Fusionsproteine StyAL1B und StyAL2B aus Pseudomonas uorescens ST . 33 3.3.1 Optimierung der Zusammensetzung des LB-Mediums für das Aktivitätsscreenings von pET_StyAL2B in E. coli BL21 nach einer Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.2 Ein uss der Belüftung auf die Neigung von E. coli BL21 (pET_StyAL2B) Kolonien zur Oxidation von Indol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.3 Bestimmung der Indigobildung mittels UV/Vis-Spektroskopie . . . 40 3.3.4 Zeitliche Entwicklung der Indigokonzentration einer Flüssigkultur von E. coli BL21 (pET_StyAL2B) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.5 Error prone PCR von pET_StyAL2B mit Gene Morph II EZ Clone Kit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.6 Error prone PCR nach der klassischen Methode mit pET_StyAL1B und pET_StyAL2B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4 Diskussion der Ergebnisse 49 4.1 Die error prone PCR als attraktive Methodik zur Optimierung von Styrol- Monooxygenasen hinsichtlich katalytischer Eigenschaften . . . . . . . . . . 49 4.2 Der Aktivitätsnachweis als mutmaÿlich limitierender Schritt in der Modi- zierung von StyA2B und StyA1/StyA2B mit Hilfe der error prone PCR . 51 4.3 Die künstlich fusionierten Styrol-Monooxygenasen StyAL2B und StyAL1B erlauben ein Aktivitätsscreening auf Platte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4 Die Entwicklung einer Methodik zur Quanti zierung der spezi schen Indigobildung eines Expressionsklons der Styrol-Monooxygenase StyAL2B . . . 58 4.5 Fehleranalyse zur error prone PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5.1 Fehler in der klassischen error prone PCR für pET_StyAL1B und pET_StyAL2B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Literaturverzeichnis 65