Biodegradation of 2-ethylhexyl nitrate by Mycobacterium austroafricanum IFP 2173
Biodégradation du 2-éthylhexyl nitrate par Mycobacterium austroafricanum IFP 2173
Résumé
Compounds such as 2-ethylhexyl nitrate (2-EHN) are added to diesel fuel to improve ignition and boost cetane number. The production of 2-EHN reaches around 100 000 tons per year in France, principally. Risks associated to its utilization are however poorly known because, in case of accidental release in the environment, nothing is known about its biodegradability.
In this study, we aimed to (i) identify bacterial strains able to degrade 2-EHN and compare their capabilities, (ii) elucidate the degradation pathway, and (iii) identify the enzymes involved. Biodegradation of 2-EHN was first tested in biphasic cultures under conditions that reduce the toxicity and increase the availability of the hydrophobic substrate. Using optimized culture conditions, we showed that several strains of Mycobacterium austroafricanum were able to degrade 2-EHN. One of the most efficient strain (IFP 2173) which could grow at 2-EHN concentrations up to 6 g.L-1, was chosen to investigate the degradation pathway. On the basis of carbon balance determination and gas chromatographic (GC) analysis on the culture medium, I found that the degradation of 2-EHN was incomplete and gave rise to the accumulation of a metabolite. This metabolite was identified as β-methyl-γ-butyrolactone by GC-MS and LC-MS/MS analysis. The structure of the lactone indicated that 2-EHN was degraded through a pathway involving hydroxylation the methyl group of the main carbon chain, its oxidation into aldehyde an acid and a subsequent cycle of β-oxidation.
Enzymes involved in the 2-EHN biodegradation pathway were looked for by a proteomic approach. Analyses by two-dimensional gel electrophoresis showed that, when exposed to 2-EHN, strain IFP 2173 triggered the synthesis of a bunch of enzymes specialized in fatty acid metabolism such as β-oxidation enzymes, as well as alcohol and aldehyde dehydrogenases. An exhaustive analysis of the IFP 2173 proteome resulted in the identification of more than 200 proteins induced on 2-EHN, including a cytochrome P450 predicted to function as an alkane monooxygenase (CYP153). Moreover, I also cloned genes encoding two trans-membrane alkane hydroxylases, which passed undetected in the proteomic analysis. Hence, strain IFP 2173 syntheses three alkane hydroxylases potentially able to catalyze the initial attack on 2-EHN. In order to determine which of the three monooxygenases was responsible for this reaction, their structural gene was cloned in plasmids designed for the expression in either E. coli or M. smegmatis mc². Preliminary results indicated that the recombinant proteins were produced in some cases. These constructions will be used to separately study the activity of each enzyme with respect to alkane and 2-EHN hydroxylation.
In this study, we aimed to (i) identify bacterial strains able to degrade 2-EHN and compare their capabilities, (ii) elucidate the degradation pathway, and (iii) identify the enzymes involved. Biodegradation of 2-EHN was first tested in biphasic cultures under conditions that reduce the toxicity and increase the availability of the hydrophobic substrate. Using optimized culture conditions, we showed that several strains of Mycobacterium austroafricanum were able to degrade 2-EHN. One of the most efficient strain (IFP 2173) which could grow at 2-EHN concentrations up to 6 g.L-1, was chosen to investigate the degradation pathway. On the basis of carbon balance determination and gas chromatographic (GC) analysis on the culture medium, I found that the degradation of 2-EHN was incomplete and gave rise to the accumulation of a metabolite. This metabolite was identified as β-methyl-γ-butyrolactone by GC-MS and LC-MS/MS analysis. The structure of the lactone indicated that 2-EHN was degraded through a pathway involving hydroxylation the methyl group of the main carbon chain, its oxidation into aldehyde an acid and a subsequent cycle of β-oxidation.
Enzymes involved in the 2-EHN biodegradation pathway were looked for by a proteomic approach. Analyses by two-dimensional gel electrophoresis showed that, when exposed to 2-EHN, strain IFP 2173 triggered the synthesis of a bunch of enzymes specialized in fatty acid metabolism such as β-oxidation enzymes, as well as alcohol and aldehyde dehydrogenases. An exhaustive analysis of the IFP 2173 proteome resulted in the identification of more than 200 proteins induced on 2-EHN, including a cytochrome P450 predicted to function as an alkane monooxygenase (CYP153). Moreover, I also cloned genes encoding two trans-membrane alkane hydroxylases, which passed undetected in the proteomic analysis. Hence, strain IFP 2173 syntheses three alkane hydroxylases potentially able to catalyze the initial attack on 2-EHN. In order to determine which of the three monooxygenases was responsible for this reaction, their structural gene was cloned in plasmids designed for the expression in either E. coli or M. smegmatis mc². Preliminary results indicated that the recombinant proteins were produced in some cases. These constructions will be used to separately study the activity of each enzyme with respect to alkane and 2-EHN hydroxylation.
Le 2-éthylhexyl nitrate (2-EHN) est incorporé en quantité significative au gazole afin d'augmenter son indice de cétane. Ce composé est produit à raison de 100 000 tonnes par an, principalement en France. Les risques liés à son utilisation sont cependant mal connus car en cas de contamination de l'environnement, on ne sait pas s'il est biodégradable. Cette étude avait pour but (i) d'évaluer la capacité de biodégradation du 2-EHN par des bactéries sélectionnées, (ii) d'élucider la voie de dégradation, et (iii) d'identifier les enzymes impliquées. Les tests de biodégradation prenant en compte le caractère toxique et hydrophobe du substrat on été mis au point dans un premier temps. A l'aide de ces tests qui reposent sur la mise en oeuvre de cultures biphasiques, nous avons montré que plusieurs souches de Mycobacterium austroafricanum étaient capables de dégrader le 2-EHN. La souche la plus performante (IFP 2173), résistant à des concentrations de 2-EHN de 6 g.L-1, a été choisie pour étudier la voie de dégradation. Sur la base de bilans carbone et d'analyse du milieu de culture par chromatographie gazeuse (CG), j'ai découvert que la dégradation du 2-EHN était incomplète et donnait lieu à l'accumulation d'un métabolite. Ce métabolite a été identifié comme étant la β-méthyl-γ-butyrolactone par des analyses de CG-MS et LC-MS/MS. La structure de cette lactone indiquait que le 2-EHN était dégradé selon une voie enzymatique impliquant l'hydroxylation du groupement méthyle de la chaîne carbonée principale, son oxydation en aldéhyde et acide, et enfin un cycle de β-oxydation.
Dans un deuxième temps, les enzymes impliquées dans la voie de dégradation du 2-EHN ont été recherchées par une approche protéomique. Des analyses par électrophorèse bidimensionnelle ont mis en évidence qu'en présence de 2-EHN, la souche IFP 2173 déclenche la synthèse d'une panoplie d'enzymes spécialisées dans le métabolisme des acides gras, comme les enzymes de la β-oxydation, des alcool et aldéhyde déshydrogénases. Une analyse exhaustive du protéome de la souche IFP 2173 a permis d'identifier par LC-MS/MS plus de 200 protéines induites sur 2-EHN, notamment un cytochrome P450 de type alcane monooxygénase (CYP153). En outre, j'ai également identifié et cloné les gènes codant deux alcanes hydroxylases transmembranaires de types AlkB, qui n'ont pas été détectées par l'approche protéomique. Ainsi, la souche IFP 2173 possède trois alcane hydroxylases susceptibles de catalyser l'attaque initiale du 2-EHN. Pour déterminer laquelle de ces trois monooxygénases était responsable de cette réaction, leur gène respectif a été cloné dans des plasmides conçus pour l'expression soit chez E. coli, soit chez M. smegmatis mc². Nos résultats préliminaires montrent que dans certains cas les protéines recombinantes sont bien synthétisées. Ces constructions seront employées pour étudier l'activité des trois hydroxylases de IFP 2173 vis-à-vis des alcanes et du 2-EHN en particulier.
Dans un deuxième temps, les enzymes impliquées dans la voie de dégradation du 2-EHN ont été recherchées par une approche protéomique. Des analyses par électrophorèse bidimensionnelle ont mis en évidence qu'en présence de 2-EHN, la souche IFP 2173 déclenche la synthèse d'une panoplie d'enzymes spécialisées dans le métabolisme des acides gras, comme les enzymes de la β-oxydation, des alcool et aldéhyde déshydrogénases. Une analyse exhaustive du protéome de la souche IFP 2173 a permis d'identifier par LC-MS/MS plus de 200 protéines induites sur 2-EHN, notamment un cytochrome P450 de type alcane monooxygénase (CYP153). En outre, j'ai également identifié et cloné les gènes codant deux alcanes hydroxylases transmembranaires de types AlkB, qui n'ont pas été détectées par l'approche protéomique. Ainsi, la souche IFP 2173 possède trois alcane hydroxylases susceptibles de catalyser l'attaque initiale du 2-EHN. Pour déterminer laquelle de ces trois monooxygénases était responsable de cette réaction, leur gène respectif a été cloné dans des plasmides conçus pour l'expression soit chez E. coli, soit chez M. smegmatis mc². Nos résultats préliminaires montrent que dans certains cas les protéines recombinantes sont bien synthétisées. Ces constructions seront employées pour étudier l'activité des trois hydroxylases de IFP 2173 vis-à-vis des alcanes et du 2-EHN en particulier.