|
|
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.
|
|
|
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.
|
|
|
Study of polyhydroxybutyrate production in bacteria
Melušová, Soňa ; Babák, Libor (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
Presented work is focused on study of polyhydroxybutyrate production in bacteria. In theoretical part short characterization of PHB was given and the most common representative of wide group of polyhydroxyalkanoates (PHA) were described. Then, production of PHB and copolymer P(HB-co-HV) in selected bacterial strains was experimentally proven. First, PHB production in Bacillus megaterium using synthetic medium was studied. The PHB content in cells was increased during cultivation under limiting conditions, despite low growth. Addition of ethanol into production media resulted in increased PHB synthesis as well as biomass production (21 % PHB of 1,8 g/l biomass). Further, BM medium containing 8 g/l glucose was tested. PHB production was more than 1 g/l at significant growth increase when compared with synthetic medium. The bacteria B.megaterium showed, except glucose, ability to utilize maltose and xylose. Another cultivations were tested with bacterial strain Azotobacter vinelandii, which is capable of copolymer P(HB-co-HV) synthesis. Maximal growth and copolymer content was reached on Burk's medium with 30 g/l of glucose. Addition of peroxide to growth medium influenced P(HB-co-HV) synthesis to 46 % of 2,6 g/l biomass. Bacteria A.vinelandii showed the best growth on maltose, even compared with glucose (54 % copolymer of biomass content). Finally, PHB production on industrial waste product – whey was monitored. Using Plackett-Burman design for statistical media optimization, the whey content was modified. B.megaterium grown on adjusted whey reached 0,5 g/l PHB, 32 % of cell's content.
|
|
|
Biotechnological production of polyhydroxyalkanoates using wastes of coffee production
Vašíčková, Monika ; Benešová, Pavla (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
This bachelor thesis is focused on study of production of polyhydroxyalkanoates (PHA) by bacteria Burkholderia cepacia and Burkholderia sacchari. Production of PHA has been studied using spent coffee grounds hydrolysates which have been prepared by different aproaches. In the thesis is compared standard method of coffee ground hydrolysis by mineral acid followed by enzymatic hydrolysis. Hydrolysates which have been produced were analyzed in terms of concentration of saccharides and efficiency of hydrolysis. The best producer of PHA (based on results) was bacterium Burkholderia cepacia, in the medium which has been prepared by hydrolysis of spent coffee grounds extracted by 60% solution of ethanol. Biomass yield of this cultivation was 3,553 g/l with 32,472% PHA content. This PHA contained 6,09% 3-hydroxyvalerate. In the other experiment, we verified alternative hydrolysis of spent coffee grounds – by commercially available enzymes. We used cellulase, hemicellulase and the enzymatic cocktail which has been produced by mould. Hemicellulase was the most effective hydrolytic enzyme and its application resulted in production of the highest amount of biomass – 5,708 g/l. In this cultivation, only homopolymer PHB has been which is probably caused by the fact, that during the enzymatic hydrolysis levulinic acid or any other potential precursor of 3HV is formed.
|
|
|
Involvement of polyhydroxyalkanoates in stress response of bacteria during late stationary phase
Šuráňová, Zuzana ; Sedláček, Petr (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The aim of this work was to study the involvement of polyhydroxyalkanoates into stress response of bacteria in the late stationary phase. Bacteria Cupriavidus necator H16 (able to produce PHA) and bacteria Cupriavidus necator H16/PHB-4 (unable to produce PHA) were used for the experiment. In the theoretical part, the polyhydroxyalkanoates and a stress response of bacteria were reviewed. In the experimental part of the work, the involvement of polyhydroxyalkanoates into stress response of bacteria in the late stationary phase against selected stress factors was studied. A resistence against various stress conditions of bacteria was studied. During long term cultivations a culture viability as well as PHA distribution among bacterial populations were assessed by using flow cytometry and the PHA content in biomass was analyzed by gas chromatography with FID detector.. Based on the results obtained in this work, it was found that the PHA acumulating bacteria Cupriavidus necator H16 is capable to survive carbon substrate limitations better than the bacteria Cupriavidus necator H16/PHB. Further, Cupriavidus necator H16 also revealed higher resistence against various stress factors such as ethanol treatment and freezing.
|
|
|
Involvement of polyhydroxyalkanoates into stress response of bacteria
Kučera, Dan ; Skoumalová, Petra (referee) ; Obruča, Stanislav (advisor)
The aim of this work was to study the involvement of polyhydroxyalkanoates (PHA) into stress response of bacteria. The theoretical part of the thesis deals with the possibility of establishing the viability of microorganisms using modern techniques, in particular flow cytometry. Furthermore, the research focused on selected stress factors and PHA involvement in stress response was described. In the experimental part of the work the stress response with regard to the ability to accumulate PHA was assessed. Bacteria Cupravidus necator was used for the experiment. Its ability to accumulate PHA at a later stage of growth increased resistance to ethanol, high temperature and freezing. Conversely, the PHA-producing strain showed lower resistance to the action of inorganic acids and bases. This may be caused by different morphology of PHA-producing cells. One of partial objectives was also to study the possibilities of staining of living cells accumulating PHA using Nile red. The research proved that the dye penetrates into living cells at elevated temperature of 40-45°C. This temperature is not lethal to the cells and the intensity of staining is sufficient to distinguish PHA-producing cells using flow cytometry; that can be applied in the selection of industrial PHA producers.
|
|
|
Production of mcl-PHA by selected bacteria
Eremka, Libor ; Němcová, Andrea (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
The aim of this work is to study the possibility of microbial production of polyhydroxyalkanoates with medium chain length (mcl-PHA). For production two bacterial strains were used: Pseudomonas putida and Pseudomonas aeruginosa. Theoretical part of bachelor thesis deals with the biosynthesis of polyhydroxyalkanoates, their material properties and microbial producers. In experimental part selected bacteria were cultivated on different substrates to evaluate their ability to utilize various carbon sources and accumulate mcl-PHA. Content and composition of mcl-PHA accumulated in biomass were analyzed by gas chromatography with FID. Pseudomonas putida produced more mcl-PHA in medium containing canola oil as sole carbon source when compared with Pseudomonas aeruginosa. P. putida produced 2,11% mcl-PHA in medium containing glycerol as carbon source.
|
guest ::
