Master's Thesis

Thermophilic microorganisms as a platform for biopolymer synthesis

Final Thesis 3.69 MB

Author of thesis: Bc. Viktória Sklárová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Iva Buchtíková, Ph.D.

Reviewer: Ing. Diana Černayová, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the study of biosynthesis and characterization of polyhydroxyalkanoates (PHAs) with a specific emphasis on thermophilic microorganisms. The literature review provides an overview of the biotechnological potential of thermophilic microorganisms and the theoretical possibilities for PHA copolymer production. The experimental part of the work involved the screening of bacterial strains, identifying Aneurinibacillus sp. AFn2 as the most promising biopolymer producer.
Subsequently, cultivation tests were carried out in complex and mineral media focused on the production of the homopolymer poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB)), as well as modified biopolymers in the presence of exogenous precursors based on polyethylene glycol (PEG). The research aimed to verify the strain's ability to produce PHAs in the presence of various concentrations and addition times of PEG 400 and PEG 6000, in an effort to assess the influence of these parameters on the polymer composition and final material properties. Size exclusion chromatography (SEC-MALS) was used to evaluate the impact of precursor timing and concentration on the molecular characteristics of the biopolymer. It was demonstrated that the presence of low-molecular-weight PEG 400 led to a significant decrease in the weight average molecular weight of the produced P(3HB). The surface properties of the prepared PHA films were characterized by measuring the static contact angle, identifying high variability in surface wettability depending on the precursor used. The results confirm the technological potential of the Aneurinibacillus sp. AFn2 strain for the production of biopolymers with tunable properties for medical and industrial applications.

Keywords:

Polyhydroxyalkanoates (PHA), thermophilic bacteria, Aneurinibacillus sp. AFn2, copolymers, material characterization, polyethylene glycol (PEG)

Date of defence

27.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Je produkce PHA na odpadech srovnatelná s produkcí na čistých substrátech? Co si představuje pod pojmem nižšími nároky na sterilitu? Jaký má produkce kopolymeru PHA s PEGem biotechnologický význam? Jaké jsou možné aplikace? doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. Zmiňujete, že nižší molekulová hmotnost může ovlivňovat degradaci, jaké další materiálové vlastnosti může ovlivňovat? Jaké další látky by mohly ovlivňovat hydrofilitu? Může se tento polymer chovat jako biosurfaktant? V jakých aplikacích by bylo možné využít přípravné tvorby dvojvrstev? Jakým způsobem prochází PEG do buňky? Do jaké velikosti PEG může projít do buňky? prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. Zmiňujete nižší energetické náklady, můžete to objasnit? Jak je to s nároky na kyslík při zvýšené teplotě? Jak je to s odpařováním média? Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. Za jakým účelem byl PEG přidáván? Využívali bakterie PEG jako zdroj uhlíku? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Food Science and Biotechnology

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Iva Buchtíková, Ph.D.

Studentka Bc. Viktória Sklárová vypracovala diplomovou práci na téma Termofilní mikroorganismy jako platforma pro syntézu biopolymerů. Práce se zaměřuje na aktuální a inovativní oblast produkce polyhydroxyalkanoátů (PHA), konkrétně na přípravu zajímavých kopolymerů s využitím polyethylenglykolu (PEG) jako prekurzoru. Jedná se o relativně nové téma, které přináší řadu experimentálních i analytických výzev.

Studentka k řešení práce přistupovala svědomitě a zodpovědně. V průběhu experimentální části odvedla velký kus práce a prokázala dobrou orientaci v laboratorních postupech. Pracovala samostatně, jednotlivé experimenty si dokázala dobře organizovat a postupně optimalizovat. Velmi oceňuji její laboratorní zručnost a pečlivost při práci.

V teoretické části práce studentka pracovala s relevantní odbornou literaturou a snažila se získané poznatky propojit s experimentální částí. Psaní textové části pro ni zpočátku představovalo určitou výzvu, nicméně studentka pravidelně využívala konzultace a postupně text významně zlepšovala. Oceňuji její snahu na této části práce systematicky pracovat a dovést ji do požadované podoby.

Výsledky práce jsou prezentovány přehledně a odpovídají stanoveným cílům. Celkově je práce zpracována na výborné úrovni a přináší zajímavé poznatky v oblasti využití termofilních mikroorganismů pro syntézu neobvyklých kopolymerů.

Studentka v průběhu řešení diplomové práce prokázala nejen praktické dovednosti v laboratoři a schopnost vyrovnat se s náročnými experimentálními problémy, ale také schopnost získaná data statisticky zpracovat, správně vyhodnotit a vhodně je okomentovat a diskutovat. Práce byla rovněž zkontrolována z hlediska plagiátorství pomocí systému Theses.cz, přičemž zjištěná míra podobnosti činí 5,7 %. Tato velmi nízká hodnota potvrzuje, že se jedná o originální práci, přičemž zjištěná shoda je zanedbatelná a souvisí převážně s citacemi a popisem standardních metodických postupů. Celkově hodnotím práci velmi pozitivně, práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Diana Černayová, Ph.D.

V případě hodnocení stupněm "F - nevyhovující" uveďte hlavní nedostatky práce a důvody tohoto hodnocení.

Diplomová práca Bc. Viktórie Sklárovej sa venuje termofilným mikroorganizmom ako platforme na biotechnologickú produkciu a v priebehu svojej práce využíva mikroorganizmy rodu Aneurinibacillus, schopné syntetizovať polyhydroxyalkanoáty (PHA).
Študentka v teoretickej časti práce spracovala literárnu rešerš zameranú na PHA, ich materiálové vlastnosti a spôsoby syntézy vrátane charakterizácie PHA syntázy. Okrem iného sa postupne venovala a charakterizovala možné kopolyméry, ktoré zlepšujú fyzikálno-chemické vlastnosti PHA v závislosti od ich predpokladaného koncového využitia.
Veľmi dobre je spracovaná podkapitola o extrémofil­ných organizmoch s ich mechanizmami adaptácie. Na záver teoretickej časti je zaradená podkapitola venovaná baktériám rodu Aneurinibacillus, s ktorými študentka pracovala. Autorka píše pútavo, s logickým členením a využívaním relevantných zdrojov (v práci bolo celkovo použitých 129 literárnych zdrojov).
V experimentálnej časti sú prehľadne a logicky popísané postupy experimentov. Odporúčam, aby autorka v tabuľkách dbala na zaokrúhlenie hodnôt na rovnaký počet desatinných miest.
V časti výsledkov a diskusie študentka najprv porovnávala tri kmene Aneurinibacillus (dva izolované kmene a jeden kmeň z nemeckej zbierky) s cieľom identifikovať najlepšieho producenta PHA. Po výbere kmeňa AFn2 ďalej pracovala s dvomi odlišnými typmi médií — komplexným a minerálnym — a postupne do nich v jednotlivých dňoch pridávala PEG rôznych molekulových hmotností (400 a 6 000 Da). Okrem toho študentka optimalizovala rôzne koncentrácie PEG a porovnávala produkciu biomasy a PHA. Na porovnanie baktérií rastúcich s prídavkom a bez prídavku PEG využila aj analýzu technikou STEM. Po príprave fólií študentka analyzovala ich vlastnosti z hľadiska molekulovej hmotnosti a polydisperzity. Celkovo bola diskusia v tejto časti veľmi bohatá; študentka preukázala schopnosť kriticky zhodnotiť vlastné výsledky a podložiť ich množstvom literárnych zdrojov. Z práce je zrejmé, že študentka sa dôkladne ponorila do danej problematiky a porozumela jej do hĺbky.
Diplomová práca splnila všetky ciele zadania, preto ju hodnotím známkou A (výborná).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. 1/ Ako môže molekulová hmotnosť ovplyvňovať vlastnosti polyméru po pridaní PEG? V akých aplikáciach je možné tento efekt využiť?
  2. 2/ Existujú látky používané priamo pri kultivácii, ktoré by mohli viesť k zvýšeniu hydrofility produkovaného PHA?
  3. 3/ Biotechnologická produkcia PHA je stále nákladná a pri príprave technologicky zaujímavých kopolymérov sa dosahujú nízke výťažky. Akými spôsobmi je možné znížiť náklady na výrobu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová