The influences of fluctuations in process parameters and end-product inhibition on bacterial stress responses
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2017-05-12
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
106 + app. 46
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 48/2017
Abstract
The bacterial stress phenomenon is remarkable considering the industrial production organisms but also in prevention of the pathogen growth. Stress can be caused for example by abnormal temperature, pH, metabolic product, osmotic or hydrostatic pressure, lack of substrate, shearing forces, and oxidative radicals. The stress effects are diverse. The stresses occurring in a process can affect productivity, yield, and product quality. A sublethal stress can also improve the strain robustness towards subsequent stresses. In this dissertation the subject of bacterial stress was approached through perspective of anaerobic Clostridium acetobutylicum and facultative anaerobe Lactobacillus rhamnosus. C. acetobutylicum is known of acetone-butanol-ethanol fermentation already from the beginning of the 20th century. The process shows potential as a source to produce butanol in response to renewable fuel demand. L. rhamnosus is widely utilized as a probiotic, in tablets or supplemented in functional foods. The stress-related gene expression of L. rhamnosus was studied with scale-down methodology. In the scale-down the gradients of industrial scale processes were simulated in smaller scale using plug flow reactor in continuous cultivation and oscillating pH control in batch process. In the plug flow reactor pH and temperature were used as changing environmental variables. According to the gene expression results especially heat-shock response and phosphate uptake system were sensitive even to small scale pH changes. The pH change of 0.3 unit was enough to affect the expression of heat shock related genes. No relation between the expressions of the studied genes and freeze stability or acid tolerance was found. The stress effects on C. acetobutylicum metabolism was investigated applying constraint-based genome-scale metabolic modelling. The study on metabolism was carried using data obtained from continuous cultivations. Excess butanol and glucose limitation were used as sources for stress in the cultivations. The solution space of the metabolic model for the studied cases was narrowed with additional constraints from experimental measurements and 13C-metabolic flux analysis results for internal metabolic fluxes. The solutions of flux space were investigated using different optimization objectives for the flux distribution of the model, such as maximization of the growth rate and maximization of the ATP maintenance. The flexibility of single fluxes with respect to different optimization objectives was identified for each case applying flux variance analysis.Bakteerien stressi-ilmiö on merkittävä teollisten tuotanto-organismien, mutta myös patogeenien kasvun ehkäisyn kannalta. Stressitekijöinä voivat toimia esimerkiksi poikkeava lämpötila, pH, metaboliatuote, osmoottinen- tai hydrostaattinen paine, substraatin puute, leikkausvoimat ja hapettavat radikaalit. Stressivaikutukset ovat moninaiset. Prosessissa ilmenevät stressit voivat vaikuttaa tuottavuuteen, saantoon ja tuotteen laatuun. Subletaali stressi voi myös tehdä kannasta kestävämmän tulevia stressejä vastaan. Tässä väitöskirjassa lähestyttiin stressi-ilmiötä anaerobisen Clostridium acetobutylicum –bakteerin ja fakultatiivisen anaerobi Lactobacillus rhamnosus –bakteerin näkökulmasta. C. acetobutylicum tunnetaan asetoni-butanoli-etanoli fermentoinnista jo 1900-luvun alusta. Prosessi on potentiaalinen lähde butanolin tuottoon biopolttoaineeksi. L. rhamnosus puolestaan on laajalti hyödynnetty probioottina tabletteina tai lisättynä funktionaalisiin elintarvikkeisiin. L. rhamnosus –bakteerin stressivasteeseen yhdistettyjen geenien ilmentymistä tutkittiin scale-down –menetelmällä, jossa teollisen mittakaavan prosessin olosuhdemuutoksia simuloitiin pienemmässä mittakaavassa käyttäen tulppavirtareaktoria jatkuvatoimisessa kasvatuksessa sekä käyttämällä oskilloivaa pH-säätöä panoskasvatuksessa. Tulppavirtareaktorissa muuttuvina olosuhteina käytettiin lämpötilaa ja pH:ta. Tutkittujen geenien ilmentymisten perusteella erityisesti lämpöshokkivaste ja fosfaatin sisäänottojärjestelmä ovat herkkiä pienillekin pH:n muutoksille. Jo 0.3 pH-yksikön muutos on riittävä muutoksiin lämpöshokkiin liittyvien geenien ilmentymisessä. Tutkittujen geenien ilmentymisen ja pakkaskestävyyden tai happotoleranssin välillä ei havaittu yhteyttä. Stressivaikutuksia C. acetobutylicum -bakteerin metaboliassa kartoitettiin soveltamalla rajoitepohjaista genomin laajuista metaboliamallinnusta. Metaboliatutkimus toteutettiin jatkuvatoimisista kasvatuksista saadulla kokeellisella datalla. Kasvatuksissa stressilähteinä toimivat ylenmääräinen butanoli ja substraattina käytetyn glukoosin rajoitus. Metaboliamallin ratkaisuavaruutta tutkituille olosuhteille kavennettiin lisärajoitteilla kokeellisista mittaustuloksista sekä 13C-metaboliavuoanalyysistä saaduista lisärajoitteista sisäisille metaboliavoille. Erilaisia mahdollisia vuoavaruuden ratkaisuja kartoitettiin käyttäen mallin vuojakaumalle erilaisia optimointitavoitteita, kuten kasvunopeuden maksimointia ja ylläpitoon kuluvan ATP:n maksimointia. Yksittäisten voiden joustavuus mallin eri optimointitavoitteilla selvitettiin kullekin tapaukselle hyödyntäen vuovarianssianalyysiä.Description
Supervising professor
Frey, Alexander, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Eerikäinen, Tero, Dr., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandKeywords
Lactobacillus rhamnosus, Clostridium acetobutylicum, bacterial stress, ABE, gene expression, metabolic modelling, bakteerien stressi, geeniekspressio, metaboliamallinnus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: JanneWallenius, Tuomas Uuksulainen, Kalle Salonen, Jari Rautio, and Tero Eerikainen. The effect of temperature and pH gradients on Lactobacillus rhamnosus gene expression of stress-related genes. Bioprocess and Biosystems Engineering, 34, 9, 1169–1176, 2011.
DOI: 10.1007/s00449-011-0568-1 View at publisher
-
[Publication 2]: Janne Wallenius, Dorothee Barth, and Tero Eerikainen. The effects of pH oscillation on Lactobacillus rhamnosus batch cultivation. Applied Microbiology and Biotechnology, 95, 5, 1265–1273, 2012.
DOI: 10.1007/s00253-012-3946-y View at publisher
-
[Publication 3]: Janne Wallenius, Matti Viikila, Shrikant Survase, Heikki Ojamo, and Tero Eerikainen. Constraint-based genome-scale metabolic modeling of Clostridium acetobutylicum behavior in an immobilized column. Bioresource Technology, 142: 603-610, 2013.
DOI: 10.1016/j.biortech.2013.05.085 View at publisher
-
[Publication 4]: Janne Wallenius, Hannu Maaheimo, and Tero Eerikainen. Carbon 13-Metabolic Flux Analysis derived constraint-based metabolic modelling of Clostridium acetobutylicum in stressed chemostat conditions. Bioresource Technology, 219: 378–386, 2016.
DOI: 10.1016/j.biortech.2016.07.137 View at publisher
