{"id":{"repo_id":"minho-thes","oai_identifier":"oai:repositorium.uminho.pt:1822/95758"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/minho-thes/oai:repositorium.uminho.pt:1822/95758","repository":{"repo_id":"minho-thes","name":"Universidade do Minho","base_url":"http://repositorium.sdum.uminho.pt/oai/request"},"display":{"title":"A step forward in the development of a syngas-based biorefinery using the new acetogen Acetobacterium wieringae JM","abstract":"As bactérias acetogénicas oferecem uma solução para a produção sustentável de produtos químicos a partir de correntes gasosas poluentes/ gases residuais como o gás síntese (CO, H2 e CO2). Esta tese explora o potencial da bactéria acetogénica Acetobacterium wieringae JM, e aborda os principais desafios na fermentação do gás de síntese, incluindo limitações de transferência de massa gás-líquido, flexibilidade metabólica, engenharia genética para diversificação de produtos e a escalabilidade de processos. A cinética de conversão de gás de síntese em acetato por A. wieringae e espécies de Clostridium sob diferentes pressões parciais iniciais de CO foi avaliada. As estirpes de A. wieringae estudadas exibiram crescimento superior em todas as composições de gás, atingindo uma taxa de crescimento máxima de 0.104 h-1. Os padrões de consumo de CO, H2 e CO2 distintos revelaram flexibilidade metabólica e adaptação a diferentes composições de gás de síntese. Reconhecendo a necessidade de ferramentas genéticas para manipular esta nova estirpe, A. wieringae JM, foi desenvolvido e otimizado um protocolo de eletrotransformação, atingindo eficiências de transformação até 2.0 × 103 UFC/μgADN. A funcionalidade do marcador de resistência a tianfenicol, catP, e de várias origens de replicação foram confirmadas. Com este protocolo eficiente de transformação, foi possível a introdução do operão de produção de acetona de Clostridium acetobutylicum, levando à produção não nativa de acetona em A. wieringae JM. A produção de acetona em A. wieringae JM foi depois otimizada, com a identificação e caracterização de novos promotores constitutivos. O promotor PFTL demonstrou melhorar significativamente a expressão do operão de produção de acetona, resultando na produção máxima de 41.3 mM de acetona a partir de gás síntese, após otimização simultânea das condições de fermentação. A utilização de múltiplas unidades transcricionais e a substituição da CoA-transferase de C. acetobutylicum pelo homólogo de C. beijerinckii também melhoraram a produção de acetona. Esta tese avaliou A. wieringae JM modificada para produzir acetona em diferentes configurações de biorreator, modos de operação e composições de gás síntese, demonstrando sucesso na utilização de gás síntese real, derivado da gasificação biomassa lignocelulósica. Adicionalmente, a disponibilidade de gás e a transferência de massa gás-líquido demonstrou influenciar significativamente as vias metabólicas e a biossíntese de acetona. Esta tese avança no desenvolvimento de bioprocessos com gás síntese, promovendo a produção química sustentável e um futuro mais verde.","abstract_html":"As bactérias acetogénicas oferecem uma solução para a produção sustentável de produtos químicos a partir de correntes gasosas poluentes/ gases residuais como o gás síntese (CO, H2 e CO2). Esta tese explora o potencial da bactéria acetogénica Acetobacterium wieringae JM, e aborda os principais desafios na fermentação do gás de síntese, incluindo limitações de transferência de massa gás-líquido, flexibilidade metabólica, engenharia genética para diversificação de produtos e a escalabilidade de processos. A cinética de conversão de gás de síntese em acetato por A. wieringae e espécies de Clostridium sob diferentes pressões parciais iniciais de CO foi avaliada. As estirpes de A. wieringae estudadas exibiram crescimento superior em todas as composições de gás, atingindo uma taxa de crescimento máxima de 0.104 h-1. Os padrões de consumo de CO, H2 e CO2 distintos revelaram flexibilidade metabólica e adaptação a diferentes composições de gás de síntese. Reconhecendo a necessidade de ferramentas genéticas para manipular esta nova estirpe, A. wieringae JM, foi desenvolvido e otimizado um protocolo de eletrotransformação, atingindo eficiências de transformação até 2.0 × 103 UFC/μgADN. A funcionalidade do marcador de resistência a tianfenicol, catP, e de várias origens de replicação foram confirmadas. Com este protocolo eficiente de transformação, foi possível a introdução do operão de produção de acetona de Clostridium acetobutylicum, levando à produção não nativa de acetona em A. wieringae JM. A produção de acetona em A. wieringae JM foi depois otimizada, com a identificação e caracterização de novos promotores constitutivos. O promotor PFTL demonstrou melhorar significativamente a expressão do operão de produção de acetona, resultando na produção máxima de 41.3 mM de acetona a partir de gás síntese, após otimização simultânea das condições de fermentação. A utilização de múltiplas unidades transcricionais e a substituição da CoA-transferase de C. acetobutylicum pelo homólogo de C. beijerinckii também melhoraram a produção de acetona. Esta tese avaliou A. wieringae JM modificada para produzir acetona em diferentes configurações de biorreator, modos de operação e composições de gás síntese, demonstrando sucesso na utilização de gás síntese real, derivado da gasificação biomassa lignocelulósica. Adicionalmente, a disponibilidade de gás e a transferência de massa gás-líquido demonstrou influenciar significativamente as vias metabólicas e a biossíntese de acetona. Esta tese avança no desenvolvimento de bioprocessos com gás síntese, promovendo a produção química sustentável e um futuro mais verde.","abstract_has_math":false,"creators":["Moreira, João Paulo Carvalho"],"institution":"Universidade do Minho","degree_name":"Programa doutoral em Chemical and Biological Engineering","degree_level":null,"degree_discipline":null,"degree_department":null,"school":null,"contributors":[],"advisors":["Alves, Joana I.","Domingues, Lucília"],"committee_chairs":[],"committee_members":[],"year":2025,"date_issued":"2025-01-04","date_published":"2025-01-04","updated_at":"2026-08-21T16:46:36Z","subjects":["Acetobacterium wieringae","Acetona","Bactérias acetogénicas","Engenharia metabólica","Gás síntese","Acetogenic bacteria","Acetone","Metabolic engineering","Syngas"],"languages":["eng"],"rights":["embargoedAccess (3 Years)"],"rights_urls":["http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/"],"identifier_entries":[]},"links":{"outbound_url":"https://hdl.handle.net/1822/95758","outbound_label":"Handle","outbound_source":"dc:identifier.uri"},"source_record":{"url":"http://repositorium.sdum.uminho.pt/oai/request?verb=GetRecord&metadataPrefix=dim&identifier=oai%3Arepositorium.uminho.pt%3A1822%2F95758","prefix":"dim"},"metadata_groups":[{"id":"people","label":"People","entries":[{"key":"dc:contributor.advisor","label":"Advisor","values":["Alves, Joana I.","Domingues, Lucília"]},{"key":"dc:creator","label":"Author","values":["Moreira, João Paulo Carvalho"]}]},{"id":"academic_context","label":"Academic Context","entries":[{"key":"dc:date.accessioned","label":"Dc Date Accessioned","values":["2025-05-26T14:42:19Z"]},{"key":"dc:date.issued","label":"Date","values":["2025-01-04"]},{"key":"dc:relation","label":"Dc Relation","values":["POCI- 01-0145-FEDER-031377","info:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/UIDB%2F04469%2F2020/PT","NORTE-01-0145-FEDER-000004","info:eu-repo/grantAgreement/FCT/9471 - RIDTI/PTDC%2FBTA-BTA%2F31377%2F2017/PT","info:eu-repo/grantAgreement/FCT/POR_NORTE/PD%2FBD%2F150583%2F2020/PT","COVID/BD/153656/2024"]},{"key":"dc:type","label":"Dc Type","values":["doctoralThesis"]},{"key":"thesis:degree_name","label":"Degree Name","values":["Programa doutoral em Chemical and Biological Engineering"]},{"key":"thesis:institution_name","label":"Thesis Institution Name","values":["Universidade do Minho"]}]},{"id":"subjects_keywords","label":"Subjects and Keywords","entries":[{"key":"dc:subject","label":"Dc Subject","values":["Acetobacterium wieringae","Acetona","Bactérias acetogénicas","Engenharia metabólica","Gás síntese","Acetogenic bacteria","Acetone","Metabolic engineering","Syngas"]}]},{"id":"language_rights","label":"Language and Rights","entries":[{"key":"dc:language.iso","label":"Language (ISO)","values":["eng"]},{"key":"dc:rights","label":"Dc Rights","values":["embargoedAccess (3 Years)"]},{"key":"dc:rights.uri","label":"Rights URI","values":["http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/"]}]},{"id":"identifiers","label":"Identifiers","entries":[{"key":"dc:identifier.uri","label":"Identifier URI","values":["https://hdl.handle.net/1822/95758"]}]},{"id":"additional","label":"Additional Metadata","entries":[{"key":"dc:description.abstract","label":"Abstract","values":["As bactérias acetogénicas oferecem uma solução para a produção sustentável de produtos químicos a partir de correntes gasosas poluentes/ gases residuais como o gás síntese (CO, H2 e CO2). Esta tese explora o potencial da bactéria acetogénica Acetobacterium wieringae JM, e aborda os principais desafios na fermentação do gás de síntese, incluindo limitações de transferência de massa gás-líquido, flexibilidade metabólica, engenharia genética para diversificação de produtos e a escalabilidade de processos. A cinética de conversão de gás de síntese em acetato por A. wieringae e espécies de Clostridium sob diferentes pressões parciais iniciais de CO foi avaliada. As estirpes de A. wieringae estudadas exibiram crescimento superior em todas as composições de gás, atingindo uma taxa de crescimento máxima de 0.104 h-1. Os padrões de consumo de CO, H2 e CO2 distintos revelaram flexibilidade metabólica e adaptação a diferentes composições de gás de síntese. Reconhecendo a necessidade de ferramentas genéticas para manipular esta nova estirpe, A. wieringae JM, foi desenvolvido e otimizado um protocolo de eletrotransformação, atingindo eficiências de transformação até 2.0 × 103 UFC/μgADN. A funcionalidade do marcador de resistência a tianfenicol, catP, e de várias origens de replicação foram confirmadas. Com este protocolo eficiente de transformação, foi possível a introdução do operão de produção de acetona de Clostridium acetobutylicum, levando à produção não nativa de acetona em A. wieringae JM. A produção de acetona em A. wieringae JM foi depois otimizada, com a identificação e caracterização de novos promotores constitutivos. O promotor PFTL demonstrou melhorar significativamente a expressão do operão de produção de acetona, resultando na produção máxima de 41.3 mM de acetona a partir de gás síntese, após otimização simultânea das condições de fermentação. A utilização de múltiplas unidades transcricionais e a substituição da CoA-transferase de C. acetobutylicum pelo homólogo de C. beijerinckii também melhoraram a produção de acetona. Esta tese avaliou A. wieringae JM modificada para produzir acetona em diferentes configurações de biorreator, modos de operação e composições de gás síntese, demonstrando sucesso na utilização de gás síntese real, derivado da gasificação biomassa lignocelulósica. Adicionalmente, a disponibilidade de gás e a transferência de massa gás-líquido demonstrou influenciar significativamente as vias metabólicas e a biossíntese de acetona. Esta tese avança no desenvolvimento de bioprocessos com gás síntese, promovendo a produção química sustentável e um futuro mais verde.","Acetogenic bacteria offer sustainable production platforms for bio-based chemicals using waste gas streams like syngas, containing CO, H2, and CO2. This thesis explores the potential of the acetogen Acetobacterium wieringae JM, addressing major challenges in syngas fermentation, including gas-liquid mass transfer limitations, metabolic flexibility, genetic engineering for product diversification, and the scalability of processes using industrially relevant syngas sources. The kinetics of syngas conversion to acetate by A. wieringae and Clostridium species under varying initial CO partial pressures were evaluated. A. wieringae strains exhibited superior growth in all gas compositions, achieving a maximum growth rate of 0.104 h-1. The distinct CO, H2, and CO2 consumption patterns revealed metabolic flexibility and adaptation to varying syngas compositions. Recognizing the need for genetic tools to manipulate this novel strain, an electrotransformation protocol was developed and optimized, reaching transformation efficiencies up to 2.0 × 103 CFU/μ gDNA and the functionality of the thiamphenicol resistance marker, catP, and various origins of replication were confirmed. This breakthrough allowed for the introduction of the acetone production operon from Clostridium acetobutylicum, leading to non-native acetone production in A. wieringae JM. Building upon the successful genetic manipulation, acetone production in A. wieringae JM was optimized. Novel constitutive promoters native to A. wieringae JM were identified and characterized, expanding the genetic toolbox for this organism. The PFTL promoter was found to significantly improve the expression of the acetone production operon, resulting in the acetone titer of 41.3 mM, from syngas, after optimization of fermentation conditions. The use of multiple transcriptional units for pathway gene expression further enhanced acetone production compared to a single operon. Additionally, the CoAtransferase enzyme from C. beijerinckii was found to improve acetone production compared to its homolog from C. acetobutylicum. This thesis also investigated the performance of engineered A. wieringae JM for acetone production under various bioreactor configurations, modes of operation, and syngas compositions. The strain demonstrated successful utilization of real syngas derived from lignocellulosic biomass gasification, highlighting its adaptability and potential for integration into biorefineries. Moreover, the study revealed the intricate relationship between gas availability, mass transfer, and metabolic pathways, particularly in the context of acetone biosynthesis. Overall, this thesis marks progress on syngas-based bioproduction technologies, offering a promising avenue for sustainable chemical production and a greener future."]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["A step forward in the development of a syngas-based biorefinery using the new acetogen Acetobacterium wieringae JM"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor.advisor":["Alves, Joana I.","Domingues, Lucília"],"dc:creator":["Moreira, João Paulo Carvalho"],"dc:date.accessioned":["2025-05-26T14:42:19Z"],"dc:date.issued":["2025-01-04"],"dc:description.abstract":["As bactérias acetogénicas oferecem uma solução para a produção sustentável de produtos químicos a partir de correntes gasosas poluentes/ gases residuais como o gás síntese (CO, H2 e CO2). Esta tese explora o potencial da bactéria acetogénica Acetobacterium wieringae JM, e aborda os principais desafios na fermentação do gás de síntese, incluindo limitações de transferência de massa gás-líquido, flexibilidade metabólica, engenharia genética para diversificação de produtos e a escalabilidade de processos. A cinética de conversão de gás de síntese em acetato por A. wieringae e espécies de Clostridium sob diferentes pressões parciais iniciais de CO foi avaliada. As estirpes de A. wieringae estudadas exibiram crescimento superior em todas as composições de gás, atingindo uma taxa de crescimento máxima de 0.104 h-1. Os padrões de consumo de CO, H2 e CO2 distintos revelaram flexibilidade metabólica e adaptação a diferentes composições de gás de síntese. Reconhecendo a necessidade de ferramentas genéticas para manipular esta nova estirpe, A. wieringae JM, foi desenvolvido e otimizado um protocolo de eletrotransformação, atingindo eficiências de transformação até 2.0 × 103 UFC/μgADN. A funcionalidade do marcador de resistência a tianfenicol, catP, e de várias origens de replicação foram confirmadas. Com este protocolo eficiente de transformação, foi possível a introdução do operão de produção de acetona de Clostridium acetobutylicum, levando à produção não nativa de acetona em A. wieringae JM. A produção de acetona em A. wieringae JM foi depois otimizada, com a identificação e caracterização de novos promotores constitutivos. O promotor PFTL demonstrou melhorar significativamente a expressão do operão de produção de acetona, resultando na produção máxima de 41.3 mM de acetona a partir de gás síntese, após otimização simultânea das condições de fermentação. A utilização de múltiplas unidades transcricionais e a substituição da CoA-transferase de C. acetobutylicum pelo homólogo de C. beijerinckii também melhoraram a produção de acetona. Esta tese avaliou A. wieringae JM modificada para produzir acetona em diferentes configurações de biorreator, modos de operação e composições de gás síntese, demonstrando sucesso na utilização de gás síntese real, derivado da gasificação biomassa lignocelulósica. Adicionalmente, a disponibilidade de gás e a transferência de massa gás-líquido demonstrou influenciar significativamente as vias metabólicas e a biossíntese de acetona. Esta tese avança no desenvolvimento de bioprocessos com gás síntese, promovendo a produção química sustentável e um futuro mais verde.","Acetogenic bacteria offer sustainable production platforms for bio-based chemicals using waste gas streams like syngas, containing CO, H2, and CO2. This thesis explores the potential of the acetogen Acetobacterium wieringae JM, addressing major challenges in syngas fermentation, including gas-liquid mass transfer limitations, metabolic flexibility, genetic engineering for product diversification, and the scalability of processes using industrially relevant syngas sources. The kinetics of syngas conversion to acetate by A. wieringae and Clostridium species under varying initial CO partial pressures were evaluated. A. wieringae strains exhibited superior growth in all gas compositions, achieving a maximum growth rate of 0.104 h-1. The distinct CO, H2, and CO2 consumption patterns revealed metabolic flexibility and adaptation to varying syngas compositions. Recognizing the need for genetic tools to manipulate this novel strain, an electrotransformation protocol was developed and optimized, reaching transformation efficiencies up to 2.0 × 103 CFU/μ gDNA and the functionality of the thiamphenicol resistance marker, catP, and various origins of replication were confirmed. This breakthrough allowed for the introduction of the acetone production operon from Clostridium acetobutylicum, leading to non-native acetone production in A. wieringae JM. Building upon the successful genetic manipulation, acetone production in A. wieringae JM was optimized. Novel constitutive promoters native to A. wieringae JM were identified and characterized, expanding the genetic toolbox for this organism. The PFTL promoter was found to significantly improve the expression of the acetone production operon, resulting in the acetone titer of 41.3 mM, from syngas, after optimization of fermentation conditions. The use of multiple transcriptional units for pathway gene expression further enhanced acetone production compared to a single operon. Additionally, the CoAtransferase enzyme from C. beijerinckii was found to improve acetone production compared to its homolog from C. acetobutylicum. This thesis also investigated the performance of engineered A. wieringae JM for acetone production under various bioreactor configurations, modes of operation, and syngas compositions. The strain demonstrated successful utilization of real syngas derived from lignocellulosic biomass gasification, highlighting its adaptability and potential for integration into biorefineries. Moreover, the study revealed the intricate relationship between gas availability, mass transfer, and metabolic pathways, particularly in the context of acetone biosynthesis. Overall, this thesis marks progress on syngas-based bioproduction technologies, offering a promising avenue for sustainable chemical production and a greener future."],"dc:identifier.uri":["https://hdl.handle.net/1822/95758"],"dc:language.iso":["eng"],"dc:relation":["POCI- 01-0145-FEDER-031377","info:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/UIDB%2F04469%2F2020/PT","NORTE-01-0145-FEDER-000004","info:eu-repo/grantAgreement/FCT/9471 - RIDTI/PTDC%2FBTA-BTA%2F31377%2F2017/PT","info:eu-repo/grantAgreement/FCT/POR_NORTE/PD%2FBD%2F150583%2F2020/PT","COVID/BD/153656/2024"],"dc:rights":["embargoedAccess (3 Years)"],"dc:rights.uri":["http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/"],"dc:subject":["Acetobacterium wieringae","Acetona","Bactérias acetogénicas","Engenharia metabólica","Gás síntese","Acetogenic bacteria","Acetone","Metabolic engineering","Syngas"],"dc:title":["A step forward in the development of a syngas-based biorefinery using the new acetogen Acetobacterium wieringae JM"],"dc:type":["doctoralThesis"],"thesis:degree_name":["Programa doutoral em Chemical and Biological Engineering"],"thesis:institution_name":["Universidade do Minho"]},"updated_at":"2026-08-21T16:46:36Z"}