Original title:
Evoluční a genové inženýrství bakteriálních producentů polyhydroxyalkanoátů
Translated title:
Evolutionary and genetic engineering of bacterial producers of polyhydroxyalkanoates
Authors:
Nováčková, Ivana ; Patáková, Petra (referee) ; Koutný, Marek (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2023
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[cze][eng]
Předložená disertační práce se zabývá tematikou evolučního a genového inženýrství bakteriálních producentů polyhydroxyalkanoátů (PHA). Vyjma tato témata přímo související s názvem práce je rozvinuta o problematiku biotechnologické produkce PHA na modelových hydrolyzátech lignocelulosové biomasy s využitím extrémofilních mikroorganismů a dále o vývoj alternativního způsobu izolace PHA. Rozvíjející témata přitom volně navazovala na předchozí experimenty a reflektovala aktuálně řešené projekty na pracovišti. Disertační práce je vypracovaná formou komentované diskuse publikovaných prací, které jsou její součástí ve formě příloh. Evoluční inženýrství bylo aplikováno především na modelový PHA produkující bakteriální kmen Cupriavidus necator H16. Adaptací na kyselinu levulovou byly získány izoláty produkující kopolymer P(3HB-co-3HV) s vyšším zastoupením frakce 3HV, což vede ke zlepšení vlastností polymeru pro další zpracování. Stejně tak i růst kultur a množství celkových PHA v biomase bylo vyšší. Dlouhodobou adaptací téhož kmene na osmotický stres a přítomnost měďnatých iontů byly získány izoláty charakterizované v rámci druhé publikace. Ze získaných dat bylo možné pozorovat rozdíly v adaptačním procesu, kdy adaptace na osmotický stres byla postupná, zatímco u mědi byl pozorován výrazný skok nárůstu biomasy a PHA signalizující rychlou adaptaci. Na základě analýz byla diskutována významná úloha PHA při adaptaci kmene C. necator H16 na testované stresory, která nespočívala pouze v nárůstu množství polymeru v biomase, nicméně v posílení celého cyklu, což vede také ke zvýšení poolu monomerních jednotek vykazujících protektivní účinky. Adaptací na -kaptolakton, unikátní prekurzor 4HB, byl získán kopolymer P(3HB-co-4HB). Jeho vlastnosti jsou opět výhodnější než u homopolymeru P(3HB), a to už při nízkém zastoupení 4HB, kterého jsme dosáhli také v laboratorním bioreaktoru. Dalšího navýšení frakce 4HB by mohlo být dosaženo s využitím delečních mutantů s absencí relevantních genů, jež byly více diskutovány. Produkce PHA na modelech hydrolyzátů lignocelulosové biomasy pocházející například z potravinářství byla testována v kombinaci s využitím extrémofilních producentů, kdy byla diskutována preference obsažených monosacharidů (hexos, pentos) pro jednotlivé producenty. Pro přiblížení se reálným hydrolyzátům byla testována také odolnost kmenů vůči relevantním potenciálním mikrobiálním inhibitorům. Náchylnosti halofilních a termofilních producentů PHA k osmotickému namáhání bylo využito při vývoji alternativního izolačního přístupu, který by snížil ekonomickou i ekologickou zátěž celého procesu oproti standardní extrakci využívající chlorovaná rozpouštědla. Aplikací detergentu SDS v nízkých koncentracích při současném temperaci při vyšších teplotách vedla k zisku polymeru vysoké čistoty současně bez ztráty výtěžku. Dále se nabízí možnost recyklace využitého SDS.
This doctoral thesis deals with the topic of evolutionary and genetic engineering of polyhydroxyalkanoates (PHA) producing bacteria. Apart from these topics, the issue of biotechnological production of PHA on model hydrolysates of lignocellulosic biomass with the use of extremophilic microorganisms is also studied, as well as the development of an alternative method of PHA isolation. The themes were freely linked to previous experiments and reflected the currently solved projects in a working group. Doctoral thesis is prepared in the form of a commented discussion of published works, which are part of it in the form of appendices. Evolutionary engineering was mainly applied to the model PHA producing bacterial strain Cupriavidus necator H16. By adaptation to levulinic acid, isolates producing copolymer P(3HB-co-3HV) with a higher content of the 3HV fraction were obtained, which leads to improved properties of the polymer for further processing. As well as culture growth also the amount of total PHA in the biomass was higher. By long-term adaptation of the same strain to osmotic stress and the presence of copper ions, the isolates which are characterized in the second publication, were obtained. Based on obtained data, it was possible to observe differences in the adaptation process, where the adaptation to osmotic stress was gradual, while a significant step in the increase of biomass and PHA signaling faster adaptation was observed for copper. Based on the analyses, the significant role of PHA in the adaptation of the C. necator H16 strain to the tested stressors was discussed, it did not consist only in the increase in the amount of polymer in the biomass, but also in enhancement of whole PHA cycle, which also leads to an increase of the pool of monomeric units showing protective functions. By adaptation to -captolactone, a unique precursor of 4HB, the copolymer P(3HB-co-4HB) was obtained. The properties of this copolymer are again more favorable than of the homopolymer P(3HB), even with a low content of 4HB, which we also achieved in a laboratory bioreactor. A further increase in the 4HB fraction could be achieved using deletion mutants with the absence of relevant genes, which is discussed more in the text. The production of PHA on models of lignocellulosic biomass hydrolysates originating from, for example, the food industry was tested in combination with the use of extremophile producers, when the preference of the contained monosaccharides (hexoses, pentoses) for individual producers was discussed. For the purpose to get closer to real hydrolysates, the resistance of the strains to relevant potential microbial inhibitors was also tested. The susceptibility of halophilic and thermophilic PHA producers to osmotic stress was used in the development of an alternative isolation approach that would reduce the economic and ecological burden of the process compared to standard extraction using chlorinated solvents. Application of SDS detergent at low concentrations while simultaneously exposing the cells to higher temperatures led to the gain of high purity polymer without loss of yield. The recycling process of used SDS is also a possibility.
Keywords:
Evolutionary engineering; extremophilic microorganisms; genetic engineering; isolation of PHA; polyhydroxyalkanoates (PHA); SDS; Evoluční inženýrství; extrémofilní mikroorganismy; genové inženýrství; izolace PHA; polyhydroxyalkanoáty (PHA); SDS
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/210151
guest ::
