Production of selected metabolites by yeasts and algae cultivated under stress conditions

Předložená práce se věnovala především srovnání produkce vybraných metabolitů pomocí karotenogenních kvasinek a mikrořas kultivovaných v podmínkách externího stresu. Mezi hlavní sledované metabolity patřily karotenoidy, dále další lipofilní látky a lipidy. Biotechnologická nadprodukce těchto metabolitů by mohla sloužit jako zdroj potenciálně prospěšných látek nejen pro farmaceutický, kosmetický a potravinářský průmysl, ale rovněž pro produkci biopaliv třetí generace. V poslední době se zvyšuje zájem o biopaliva především z mikrořas, které mají vysoký potenciál v produkci biopaliv, které se zdají být nadějným zdrojem. Teoretická část se zabývá popisem jednotlivých rodů karotenogenních kvasinek, mikrořas, sinic, chemickým složením produkovaných metabolitů a stručnou biosyntézou. Dále byly popsány jednotlivé metody, které sloužily pro analýzu produkce sledovaných metabolitů. Experimentální část je zaměřena na srovnání produkce karotenoidů, koenzymu Q, ergosterolů (fytosterolů) a lipidů pomocí kvasinek, mikrořas a sinic. Jako zdroj externího stresu byl zvolen teplotní, solný a světelný stres. Z kvasinkových kmenů byly prostudovány kmeny Rhodotorula glutinis, Rhodotorula mucilaginosa, Sporidiobolus pararoseus a Cystofilobasidium macerans. V případě mikrořas a sinic se jednalo o kmen Scenedesmus obliqus, Scenedesmus dimorphus, Chlorella sorokiniana, Chlorella saccharophila, Botryococcus brauni, Synechococcus nidulans a Arthrospira maxima. U kvasinkových a řasových kmenů bylo stanoveno optimum pro růst, produkci karotenoidů a lipidů. Aplikovaný solný stres vykazoval výrazný likvidační efekt na řasové a sinicové kmeny. V rámci diplomové práce byl rovněž sledován stres biologický, tzv. ko-kutlivace mikrořas a kvasinek. Další experimenty budou předmětem navazujících prací.The presented work was focused on the comparison between the production of selected metabolites by carotenogenic yeasts and microalgae cultivated under conditions of external stress. The main metabolites of interest were carotenoids, further lipophilic substances and lipids. Biotechnological overproduction of these metabolites could serve as a source of potentially beneficial substances not only for the pharmaceutical, cosmetic and food industries, but also for the production of third generation biofuels. Recently, there has been a growing interest in biofuels primarily from microalgae, which have a high potential in biofuel production and seem to be a promising source. The theoretical part deals with the description of individual genera of carotenogenic yeasts, microalgae, cyanobacteria, chemical composition of produced metabolites and brief biosynthesis. In addition, individual methods for analyzing the production of the metabolites of interest were described. The experimental part is focused on the comparison of production of carotenoids, coenzyme Q, ergosterols (phytosterols) and lipids by yeasts, microalgae and cyanobacteria. As a source of external stress, temperature, salt and light stress were chosen. The strains of Rhodotorula glutinis, Rhodotorula mucilaginosa, Sporidiobolus pararoseus and Cystofilobasidium macerans were studied from the yeast strains. Microalgae and cyanobacteria were Scenedesmus obliqus, Scenedesmus dimorphus, Chlorella sorokiniana, Chlorella saccharophila, Botryococcus brauni, Synechococcus nidulans and Arthrospira maxima. The yeast and algal strains were optimized for growth, carotenoid and lipid production. Applied salt stress showed a significant liquidation effect on algal and cyanobacterial strains. The thesis also monitored the biological stress, so-called co-cultivation of microalgae and yeasts. Further experiments will be the subject of future work.

Use of carotenogenic yeasts to production of lipid soluble metabolites

Karotenoidy jsou v tuku rozpustné chemické sloučeniny, které se vyskytují jako přírodní barviva v mnoha rostlinách a chrání je před slunečním zářením. Lipidy jsou rovněž esenciální látky lipofilního charakteru a jsou součástí biomembrán. Jejich hlavní funkcí je především to, že slouží jako zásobárna energie pro buňku, ochranná funkce a tepelná ochrana před nepříznivými vlivy okolního prostředí. Tato bakalářská práce se zabývá kultivací vybraných rodů karotenogenních kvasinek, následnou izolací karotenoidů a dalších lipidických látek, které lze využít jako zdroj potenciálně prospěšných látek pro farmaceutický či kosmetický průmysl. Teoretická část se zabývá popisem karotenogenních kvasinek, chemickým složením a biosyntézou produkovaných metabolitů a popisem metod, které byly dále využity pro jejich stanovení. Experimentální část je zaměřena především na produkci lipidických látek různými kmeny kvasinek s využitím levných odpadních substrátů a aplikaci exogenního stresu (nutriční stres) k biotechnologické nadprodukci vybraných metabolitů s využitím modifikace produkčního média. Obsah karotenoidů, ergosterolu a koenzymu Q byl analyzován pomocí vysokoúčinné kapalinové chromatografie s PDA detektorem. Lipidy akumulované v buňkách kvasinek byly stanoveny s pomocí plynové chromatografie s FID detektorem. V této práci byly prostudovány kmeny Sporobolomyces pararoseus, Sporobolomyces metaroseus, Rhodotorula glutinis a Cystofilobasidium infirmominiatum. Jako odpadní substráty a zdroje uhlíku byly v této práci použity glycerol, který vzniká jako odpadní produkt při výrobě biopaliv a syrovátka, jako nevyužitelný produkt v mlékárenských technologiích. Nejlepší schopnost produkce na odpadních substrátech byla pozorována u kmene Rhodotorula glutinis a Cystofilobasidium infirmominiatum.Carotenoids are fat-soluble chemical compounds that occur as natural pigments in many plants and protect them from sunlight. Lipids are also essential lipophilic substances and they are part of biomembranes. Their main function is primarily to serve as a power supply for the cell, protective function and thermal protection against adverse environmental influences. This bachelor thesis deals with cultivation of selected carotenoid yeast genes, subsequent isolation of carotenoids and other lipid substances, which can be used as a source of potentially beneficial substances for the pharmaceutical or cosmetic industry. The theoretical part deals with the description of carotenoid yeasts, chemical composition and biosynthesis of the metabolites produced, and description of the methods used for their determination. The experimental part is focused mainly on the production of lipid substances by various strains of yeasts using cheap waste substrates and the application of exogenous stress (nutritional stress) to the biotechnological overproduction of selected metabolites using the modification of the production medium. The content of carotenoids, ergosterol and coenzyme Q was analyzed by high performance liquid chromatography with a PDA detector. The lipids accumulated in yeast cells were determined by gas chromatograph with a FID detector. In this work the strains of Sporobolomyces pararoseus, Sporobolomyces metaroseus, Rhodotorula glutinis and Cystofilobasidium infirmominiatum were studied. As waste substrates and carbon sources were used glycerol, which is produced as a waste product in the production of biofuels and whey as an unusable product in dairy technology. The best production on waste substrates was observed in the strains Rhodotorula glutinis and Cystofilobasidium infirmominiatum.

Bayerova interpolace jako špatně podmíněná inverzní úloha

Color information of a scene is only recorded partially by a digital camera.Specifically, only one of the red, green, and blue color components is sampled at each pixel.The missing color values must be estimated － a process called demosaicing. Demosaicing can be solved as an individual step in the image processing pipeline. In this case, any errors and artefacts produced by this step are carried over into further steps in the image processing pipeline and are possibly magnified. Alternatively, we can try to resolve several degradations at once in a joint solution, which eliminates this effect. We present one such solution, that in addition to demosaicing, also jointly solves denoising, deconvolution, and super-resolution in the form of a convex optimization problem. We provide an overview of demosaicing methods and evaluate the results from our solution against selected existing methods.Digitální fotoaparáty snímají barvu scény pouze částečně. Konkrétně je pro každý pixel naměřena jen jedna ze tří barevných komponent - červená, modrá, nebo zelená. Chybějící barevné komponenty musejí být odhadnuty. Tomuto procesu se říká Bayerova interpolace. Bayerova interpolace může být řešena samostatně jako jeden krok procesu restaurace obrazu. V tomto případě se může stát, že jakékoliv artefakty a chyby ve výpočtu se přenesou do dalšího kroku a mohou být v důsledku toho zvýrazněny. Druhou možností je pokusit se vyřešit několik degradací najednou. V tomto případě nežádoucí efekt přenášení chyby nenastává. V této práci popisujeme jedno konkrétní sdružené řešení, které vedle Bayerovy interpolace řeší i odstranění šumu, dekonvoluci a zvýšení rozlišení formou konvexního optimalizačního problému. Shrnujeme používané metody pro Bayerovu interpolaci a porovnáváme výsledky našeho řešení s několika vybranými metodami.Department of Software and Computer Science EducationKatedra softwaru a výuky informatikyMatematicko-fyzikální fakultaFaculty of Mathematics and Physic

Demosaicing as an ill-posed inverse problem

Color information of a scene is only recorded partially by a digital camera.Specifically, only one of the red, green, and blue color components is sampled at each pixel.The missing color values must be estimated － a process called demosaicing. Demosaicing can be solved as an individual step in the image processing pipeline. In this case, any errors and artefacts produced by this step are carried over into further steps in the image processing pipeline and are possibly magnified. Alternatively, we can try to resolve several degradations at once in a joint solution, which eliminates this effect. We present one such solution, that in addition to demosaicing, also jointly solves denoising, deconvolution, and super-resolution in the form of a convex optimization problem. We provide an overview of demosaicing methods and evaluate the results from our solution against selected existing methods

Bioreactor Co-Cultivation of High Lipid and Carotenoid Producing Yeast Rhodotorula kratochvilovae and Several Microalgae under Stress

The co-cultivation of red yeasts and microalgae works with the idea of the natural transport of gases. The microalgae produce oxygen, which stimulates yeast growth, while CO2 produced by yeast is beneficial for algae growth. Both microorganisms can then produce lipids. The present pilot study aimed to evaluate the ability of selected microalgae and carotenogenic yeast strains to grow and metabolize in co-culture. The effect of media composition on growth and metabolic activity of red yeast strains was assessed simultaneously with microalgae mixotrophy. Cultivation was transferred from small-scale co-cultivation in Erlenmeyer flasks to aerated bottles with different inoculation ratios and, finally, to a 3L bioreactor. Among red yeasts, the strain R. kratochvilovae CCY 20-2-26 was selected because of the highest biomass production on BBM medium. Glycerol is a more suitable carbon source in the BBM medium and urea was proposed as a compromise. From the tested microalgae, Desmodesmus sp. were found as the most suitable for co-cultivations with R. kratochvilovae. In all co-cultures, linear biomass growth was found (144 h), and the yield was in the range of 8.78-11.12 g/L of dry biomass. Lipids increased to a final value of 29.62-31.61%. The FA profile was quite stable with the UFA portion at about 80%. Around 1.98-2.49 mg/g CDW of carotenoids with torularhodine as the major pigment were produced, ubiquinone production reached 5.41-6.09 mg/g, and ergosterol yield was 6.69 mg/g. Chlorophyll production was very low at 2.11 mg/g. Pilot experiments have confirmed that carotenogenic yeasts and microalgae are capable of symbiotic co-existence with a positive impact om biomass growth and lipid metabolites yields