|
|
Study on protective effect of 3-hydroxybutyrate and its derivatives
Černá, Klára ; Smilek, Jiří (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The aim of this thesis is the study of chemical chaperones, as a preservative enzymes before denaturing processes. In the experimental part of the study we investigated the protective effects of five selected potential protective compounds – derivatives of 3-hydroxybutyrate – two model enzymes: lipase and lysozyme. Protective effects of potential chemical chaperones were investigated by dynamic light scattering (DLS), which was determined by the size distribution of the aggregates lipase produced depending on the temperature at the heat-induced denaturation. Further we have been used differential scanning calorimetry (DSC), which was determined by the temperature of the denaturation of lysozyme in the presence or absence of potentially protective substances. The last parameter was to determine the effect of potentially protective agents at different concentrations on the catalytic activity of lipase and determining the residual lipase activity after application of denaturing two factors – the high temperature and freezing. Of all tested structural analogues of 3-hydroxybutyrate was the highest protective effect observed (stabilization of enzyme molecules) with the succinate, which has two carboxyl groups. Conversely, 1,3-butanediol showed virtually no protective activity, indicating that the presence of carboxyl groups on the protective effect of essential. The low protective efficacy butyrate further indicates that it is essential that an effective protectant in addition to the carboxyl group contained as a further functional group – either carboxyl or hydroxyl. More significant protective effect was observed in 3-hydroxybutyrate than in 2-hydroxybutyrate. Interestingly, the effective protectant while at higher concentrations strongly inhibit the enzyme activity of the model enzyme, which is probably related to the solvation and conformations of the protein in the presence of protectant and the availability of the active site for the substrate.
|
|
|
Production of polyhydroxyalkanoates employing Haloferax mediterranei
Hlináková, Kristýna ; Kučera, Dan (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
This bachelor thesis is focused on study of selected effects on production of both polyhydroxyalkanoates (PHA) and extracellular polysaccharides (EPS) by halophile Archae Haloferax mediterranei. Theoretical part deals with a brief characterization of biopolymers and provides overwiev of the relevant microbial producers. The experimental part is focused on selection of a suitable substrate, concentration of sodium chloride and glucose in culture medium for a optimal production of biopolymers. Effects of light and suitable cultivation temperature were studied as well. UV-VIS spectrophotometry and gravimetry were used for analysis of biomas content. The content of PHA was analysed by gas chromatography with FID detection. PHA produced by H. mediterranei is a copolymer P(3HB-co-3HV), 3HV content is about 10%. The mixture of glucose and glycerol proved to be the most suitable substrate for a production of PHA, with a content od 80,6% of PHA. Further, we investigated optimal concetration of NaCl, which was found at 200 g/l. Interestingly, microbial culture responded to various salt concertations by differences in pigment formation. Finally, the last parameter optimalized in this work was temperature of cultivation. The highest content of PHA was obtained at 37°C, but the culture was capable of PHA accumulation and growing also at 50°C.
|
|
|
Utilization of spent wood chips for biotechnological production of PHA
Ladický, Peter ; Sedláček, Petr (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The aim of this work was to study the suitability of wood shavings and sawdust as a substrate for microbial production of PHA by bacteria Burkholderia cepacia and Burkholderia sacchari. In the experimental part of the work the most appropriate approach of hydrolysis of wood shaving and sawdust and the effect of polyphenol and furfural concentration on ability to accumulate PHA was studied. Burkholderia sacchari had greater ability to accumulate PHA compared to Burkholderia cepacia. PHB values 87–89 % were achieved when Bulkholderia sacchari was cultivated on medium that contained detoxified hydrolysate of sawdust. Sawdust is therefore a promising substrate for microbial production of PHA in terms of reducing production costs and high content of PHB in biomass.
|
|
|
Utilzation of physico-chemical analyses in study on microbial stress-response
Slaninová, Eva ; Pekař, Miloslav (referee) ; Sedláček, Petr (advisor)
This diploma thesis deals with the utilization of physico-chemical analysis in study on microbial stress–response. The main content of this work was to propose and optimize techniques and methods which are generally used in different industries. Two bacterial strains, Cupriavidus necator H16 and its mutant strain Cupriavidus necator PHB-4 producing polyhydroxyalkanoates (PHA) under certain conditions, were used as model microorganisms. Initially, microscopic teques such as transmission electron microscopy (TEM), cryo scanning electron microscopy (cryo SEM) and atomic force microscopy (AFM) were proposed and tested for the characteriozation of morphological differences of bacteria. Furthermore, viscoelastic properties of bacteria were determined and compared by the oscillatory tests of the rheology method considering another type of samples. Thermal analysis methods, differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) in particular, focused on water transport and behavior of intracellular water influenced by presence of the granules of PHB in bacteria. The last technique, utilized in the study, was dynamic and electrophoretic light dispersion during pH changes for characterization of the surface properties of bacteria such as size, zeta potential and the isoelectric point.
|
|
|
Analysis of bacrerial cells employing flow cytometry and flurescence microscopy
Müllerová, Lucie ; Mravec, Filip (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
This thesis focuses on fluorescent analysis of viability and PHA content in bacterial cultures, the main methods of investigation were flow cytometry and fluorescent microscopy. In order to determine viability of C. necator H16, several viability probes were tested, nevertheless, only BacLightTM kit and propidium iodide can be used to estimate portion of viable and live bacterial cell in samples. Further, Acridine orange was used to monitor physiological state of bacterial culture and two hydrophobic probes, Nile Red and BODIPY 493/503, were used to investigate PHA content in bacterial cells. Application of BODIPY 493/503 seems to be promising since this probe does not require permeabilization of bacteria cells and it can be used along with propidium iodide. Furthermore, several fluorophores were tested in the microscopic part. In was found that concentrations used in cytometric analyses were too high for microscopic use. Emission from the SYTO9 fluorophore is seen mainly in the green channel but because of the high concentration some emission was visible in the red channel. Cells stained with BODIPY 493/503 had very high fluorescence intensities when the stain concentration was 10 . At the same time, negative amplitudes of fluorescence were measured in both strains of C. necator, but in case of C. necator H16 that amplitude was much more pronounced. In this strain surprising high concentration of BODIPY stain was observed on the surface of PHB granules. Anisotropy of the fluorophore was nearing 0 which is very surprising.
|
|
|
Study on resistance of bacteria to selected stress factors
Miléřová, Miluše ; Samek,, Ota (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The aim of the master thesis was to study the effect of the accumulation of polyhydroxyalkanoates (PHA) for bacterial resistance to selected stress factors. In the theoretical part the selected stress factors, polyhydroxyalkanoates and the involvement of polyhydroxyalkanoates into stress response of bacteria were reviewed. In the experimental part we used bacteria Cupriavidus necator H16 and its mutant strain Cupriavidus necator H16/PHB-4 unable of polyhydroxybutyrate (PHB) accumulation. The resistance of above-mentioned bacterial strains against thermal and osmotic stress was tested. According to the results of the experiment, when the bacteria were exposed to three different concentrations of NaCl (50, 100 and 200 g/l) PHB accumulating strain showed a higer resistance to hyperosmotic stress than the strain unable of PHB accumulation. There was demonstrated with Raman spectroscopy that in the hyperosmotic environment induced crystallization of the intracellular PHB granules. Transmission electron microscopy indicated that strain Cupriavidus necator H16/PHB-4 is subject to plasmolysis during hyperosmotic stress. As a consequence the hyperosmomotic stress occurs to the aggregation intracellular PHB granules in strain Cupriavidus necator H16 but there is no plasmolysis or is much less intensive.
|
|
|
Controlled Production and Degradation of Selected Biomaterials
Obruča, Stanislav ; Demnerová, Kateřina (referee) ; Vávrová, Milada (referee) ; Němec, Miroslav (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
Předložená disertační práce se zabývá studiem produkce a degradace polymerních materiálů s využitím mikroorganismů. Hlavní pozornost je upřena ke studiu produkce polyesterů bakteriálního původu - polyhydroxyalkanoátů. Tyto materiály jsou akumulovány celou řadou bakterií jako zásobní zdroj uhlíku, energie a redukční síly. Díky svým mechanickým vlastnostem, kterými silně připomínají tradiční syntetické polymery jako jsou polyetylén nebo polypropylén, a také díky své snadné odbouratelnosti v přírodním prostředí, jsou polyhydroxyalkanoáty považovány za ekologickou alternativu k tradičním plastům vyráběným z ropy. Polyhydroxyalkanoáty mají potenciál najít řadu aplikací v průmyslu, zemědělství ale také v medicíně. Významná část předložené práce je zaměřena na produkci polyhydroxyalkanoátů z odpadních substrátů pocházejících především z potravinářských výrob. Testována byla odpadní syrovátka nebo odpadní oleje z různých zdrojů. Právě využití levných odpadních substrátů je strategií, která by mohla přispět ke snížení ceny polyhydroxyalkanoátů a tím usnadnit jejich masové rozšíření. Podle výsledků dosažených v této práci jsou právě odpadní olejové substráty velice perspektivní cestou k ekonomicky rentabilní biotechnologické produkci polyhydroxyalkanoátů. Další část předložené práce se zabývá studiu spojení metabolické role polyhydroxyalkanoátů a stresové odpovědi bakterií. V této práci bylo zjištěno, že expozice bakteriální kultury řízené dávce etanolu nebo peroxidu vodíku významně navýší dosažené výtěžky a to o přibližně 30 %. Po aplikaci výše zmíněných stresových faktorů došlo k aktivaci metabolických drah vedoucí k odbourání stresového faktoru z média. Výsledkem bylo navýšení poměru NAD(P)H/NAD(P)+, což vedlo k částečné inhibici Krebsova cyklu a naopak aktivaci biosyntetické dráhy polyhydroxyalkanoátů. Mimoto došlo k významnému navýšení molekulové hmotnosti výsledných materiálů. Podle těchto výsledků se regulovaná aplikace vhodně zvolených stresových podmínek zdá být zajímavou strategií, která vede nejen k navýšení celkových výtěžků, ale také významnému zlepšení vlastností polymeru. Poslední část disertační práce se zabývala studiem procesu biodegradace polyuretanových materiálů. Polyuretanové eleastomery byly modifikovány rozličnými biopolymery za účelem navýšení jejich biodegradability. Tyto materiály byly posléze vystaveny působení směsné termofilní kultury jako modelového systému, který simuluje přirozené konsorcium bakterií. Přítomnost testovaných materiálů v kultivačním médiu vedla k neobvyklým růstovým charakteristikám bakteriální kultury. V průběhu prvních několika dní byl růst kultury silně inhibován, nicméně po překonání této neobvykle dlouhé lag-fáze došlo k intenzivnímu nárůstu kultury. Hlavní podíl na hmotnostním úbytku testovaných materiálů během experimentů měl samovolný rozpad materiálů, nicméně byl pozorován i vliv bakteriální kultury, kdy míra biotické degradace závisela na použitém modifikačním činidle. Nejvyšší míra biotické degradace byla pozorována u polyuretanového materiálu modifikovaného acetylovanou celulózou. Lag-fáze byla způsobena uvolněním nezreagovaného katalyzátoru (dibutylcínlaurát) a polyolu do kultivačního média. Bakteriální kultura se však po čase dokázala na přítomnost toxických látek v médiu adaptovat nebo je dokázala eliminovat.
|
|
|
Utilization of lignocellulose materials for biotechnological production of polyhydroxyalkanoates
Kučera, Dan ; Márová, Ivana (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
Tato diplomová práce se zabývala možnostmi utilizace lignocelulosového materiálu jako obnovitelného zdroje k produkci polyhydroxyalkanoátů (PHA) biotechnologickými metodami. Teoretická část práce se zaměřuje na charakterizaci rostlinné odpadní biomasy, její enzymatickou sacharifikaci a možnosti produkce a izolace hydrolytických enzymů. Dále se pak literární rešerše zabývá bakteriální produkcí PHA a možností využití lignocelulosové biomasy pro jejich produkci. V rámci experimentální části byly vybrané odpadní substráty hydrolyzovány chemickou a enzymatickou cestou. Jako odpadní substráty byly použity výlisky z jablek, hroznového vína a řepky olejné a kávová sedlina. Získané hydrolyzáty byly použity k produkci PHA bakteriálním kmenem Burkholderia cepacia. Nejslibnějším substrátem se jevily výlisky z jablek. Ukázalo se, že vybraný bakteriální kmen je schopen utilizovat odpadní substráty i bez předchozí úpravy. Supernatant po skončení kultivace jevil následující aktivity: proteasovou, lipasovou (0.47 nmol/(mL•min)), celulasovou pro CMC (6.05 nmol/(mL•min)) a filtrační papír (4.63 nmol/(mL•min)) a xylanasovou (1.71 nmol/(mL•min)). Tyto enzymy mohou představovat zajímavý vedlejší produkt výroby PHA z odpadních zemědělských materiálů. V rámci této práce byl také posouzen vliv délky kultivace a způsob hydrolýzy na výslednou produkci PHA a enzymatickou aktivitu průmyslově zajímavých enzymů.
|
|
|
Influence of selected parameters on biotechnological production of polyhydroxyalkanoates
Eremka, Libor ; Pekař, Miloslav (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The aim of this work is to study microbial production of polyhydroxyalkanoates (PHA). Theoretical part is focused on production of PHA using microoganisms and transgenic plants. Bacterial strain Cupriavidus necator H16 was used for laboratory production of PHA. Various waste oils were used as sole carbon and energy source. Salt of propionic adic and 1-propanol were used as intermediate for 3-hydroxyvalerate monomer (3HV) unit. Incorporation of 3HV to polymer can improve material features of PHA. The major part of experimental work was focused to study influence of aeration (concentration of dissolved oxygen) to bacterial growth, selected metabolic pathways and formation of PHA. Furthermore, influence of aeration to monomer composition of polymer was evaluated. According to experimental conclusion of this work it was approved dependance between aeration and monomer composition of PHA. Moreover, it was approved that higher concentration of oxygen supports bacterial growth and influences PHA content in cells. In addition, NADPH is one of the substrates influencing flux of acetyl-CoA throughout the metabolism; higher intracellular concentration of NADPH inhibits TCA cycle and enhances accumulation of PHA in cells. For this reason, specific enzymatic aktivity of several selected intracelular enzymes were measured, including those enzymes which can generate NADPH.
|
|
|
Controlled biotechnological production of polyhydroxyalkanoates
Šnajdar, Ondřej ; Pekař, Miloslav (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
Předložená diplomová práce se zabývá produkcí polyhydroxyalkanoátů (PHA) bakterií Cupriavidus necator H16. Cílem práce byla příprava, selekce a charakterizace mutantních kmenů schopných vyšší produkce PHA. V teoretické části byla zpracována literární rešerše zabývající se nejdůležitějšími typy PHA, bakterií Cupriavidus necator a způsoby indukce mutageneze. V experimentální části byly připraveny mutantní kmeny pomocí fyzikální a chemické mutageneze. Mutantní kmeny schopné nadprodukce PHA byly selektovány pomocí kultivace na minerálním médium s olejem. Pro další studium byly vybrány 4 mutantní kmeny schopné nadprodukce PHA. Tyto mutantní kmeny byly dále podrobeny biochemické charakterizaci. Byly naměřeny specifické aktivity vybraných intracelulárních enzymů včetně enzymů podílejících se na biosyntéze PHA. Také byla naměřena resistence mutantů vůči oxidačnímu stresu. Bylo zjištěno, že mutantní kmeny schopné nadprodukce PHA mají vyšší aktivity enzymů produkujících NADPH. NADPH je jeden z klíčových substrátů ovlivňujících směr toku acetyl-CoA metabolizmem. Vyšší intracelulární koncentrace NADPH parciálně inhibuje Krebsův cyklus a aktivuje akumulaci PHA. Aktivity acetoacetyl-CoA reduktázy a PHA syntázy, enzymů zapojených do syntézy PHA, těchto mutantů proto byly také vyšší stejně jako molekulová hmotnost připravených polymerů. Aplikace fyzikálních a chemických mutagenů je způsob, kterým lze připravit biotechnologicky perspektivní mutantní kmeny schopné nadprodukce PHA.
|
guest ::
