Doctoral Thesis

Utilization of thermophilic representatives of the genus Aneurinibacillus for the biotechnological production of polyhydroxyalkanoates and other high value metabolites

Final Thesis 13.36 MB

Author of thesis: Ing. Veronika Řeháková

Acad. year: 2026/2027

Supervisor: prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D.

Reviewers: doc. RNDr. Miroslav Ondrejovič, Ph.D., Prof. Dr. Manfred Zinn

Abstract:

Polyhydroxyalkanoates (PHA) represent a promising class of biodegradable polymers that can serve as sustainable alternatives to conventional petroleum-based plastics. However, their broader industrial application is often limited by insufficient material properties, particularly the high crystallinity and brittleness of poly(3-hydroxybutyrate). One effective strategy to overcome these limitations involves the production of PHA heteropolymers, enabling tuning of their physicochemical and mechanical properties.
Thermophilic bacteria of the genus Aneurinibacillus have recently emerged as promising yet still underexplored microbial cell factories. Their metabolic versatility allows the incorporation of structurally diverse monomers into PHA chains without the need of genetic modification. This work focuses on expanding the understanding of substrate utilization and polymer biosynthesis in thermophilic Aneurinibacillus strains, with emphasis on the production of functionalized and structurally diverse PHA.
A broad spectrum of precursor compounds, lactones and diols, was evaluated. Lactone-based precursors were generally efficiently utilized, leading to significant incorporation of monomers such as 4-hydroxybutyrate, 5-hydroxyvalerate, and 4-hydroxyhexanoate. In contrast, incorporation of diol-based precursors showed a strong dependence on cultivation conditions and were effectively utilized mainly in defined mineral salt media. Additionally, PHA containing structurally unique α-methylated units derived from α-methyl-γ-butyrolactone were successfully produced and characterized using FTIR, DSC, and TGA.
PHA polymers were further modified using terminal alkyne-containing alcohols, enabling the introduction of reactive functional groups. The incorporation of alkyne functionalities was confirmed by ¹H NMR, and the polymers were characterized by SEC-MALS. Their ability to undergo click reactions was subsequently verified using SEC-MALS with UV detection, confirming successful post-polymerization modification.
Beyond PHA production, Aneurinibacillus spp. also exhibited extracellular enzymatic activities and biosurfactant production, as demonstrated by emulsification activity, surface tension reduction, and anthracene solubilization.
Overall, this work highlights the versatility of thermophilic Aneurinibacillus spp. as producers of tailor-made biodegradable polymers and other value-added products, supporting their potential in sustainable biotechnological applications.

Keywords:

Aneurinibacillus; thermophilic bacteria; polyhydroxyalkanoates; PHA heteropolymers; biodegradable polymers; functionalized polyhydroxyalkanoates; precursor utilization; lactone, diol, biosurfactants

Date of defence

15.10.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Předsedkyně komise představila doktorandku a předala jí slovo. Vzhledem k účasti zahraničního oponenta probíhala obhajoba částečně online. Ing. Řeháková má již určité pracovní zkušenosti. V období září 2024 - březen 2025 absolvovala zahraniční stáž na univerzitě v Malaysii. Je spoluautorkou dvou článků v časopisech, v obou případech je uvedena jako první autorka. Je také spoluautorkou celé řady konferenčních příspěvků.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Food Science and Biotechnology

Study programme

Food Chemistry (DPCP_PCH)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (člen)
doc. RNDr. Miroslav Ondrejovič, Ph.D. (člen)
Prof. Dr. Manfred Zinn (člen)
Mgr. Alena Sýkorová (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D.

Ing. Veronika Řeháková vypracovala svou disertační práci v rámci doktorského prezenčního studia  na Fakultě chemické VUT v Brně. Doktorské studium zahájila v září roku 2022 a disertační práci odevzdala v srpnu roku 2026.


V průběhu doktorského studia doktorandka absolvovala všechny předepsané zkoušky a úspěšně složila státní doktorskou zkoušku. Mimořádně cennou součástí jejího studia byla zahraniční stáž v laboratoři prof. Kumara Sudeshe na Universiti Sains Malaysia v Penangu. Jde o jedno z nejvýznamnějších světových pracovišť v oblasti výzkumu polyhydroxyalkanoátů, a absolvování stáže v tomto prostředí proto považuji za výrazně nadstandardní.


Během studia byla Ing. Řeháková důležitou členkou řešitelských týmů řady projektů základního i aplikovaného výzkumu. Ve všech těchto týmech se osvědčila jako spolehlivá a samostatná řešitelka.
Dosažené výsledky byly publikovány v prestižním mezinárodním časopise International Journal of Biological Macromolecules (D1). Tyto práce již zaznamenaly řadu citací, což dokládá jejich ohlas v mezinárodní odborné komunitě. Za své studijní a publikační výsledky byla studentka během studia opakovaně oceněna Cenou děkana FCH VUT za mimořádné studijní a publikační výsledky.


V rámci disertační práce se studentka věnovala produkci polyhydroxyalkanoátů termofilními bakteriemi rodu Aneurinibacillus, se zvláštním důrazem na biosyntézu neobvyklých PHA kopolymerů. Získané výsledky považuji za originální. Významně rozšiřují poznání v oblasti produkce PHA kopolymerů s neobvyklým monomerním složením i o termofilních bakteriích rodu Aneurinibacillus obecně.


Zvláště bych chtěl vyzdvihnout přístup Ing. Řehákové k řešení disertační práce. Byla velmi aktivní, sama se podílela na utváření směřování práce, přicházela s vlastními nápady a ty pak samostatně a cílevědomě experimentálně ověřovala. Během studia tak dosáhla vysokého stupně odborné nezávislosti a prokázala schopnost samostatné i týmové tvůrčí vědecké práce.


Velmi si cením také jejího přístupu k ostatním lidem. Ke kolegům i studentům byla vždy mimořádně vstřícná a ochotně jim pomáhala, čímž výrazně přispívala k dobré a tvůrčí atmosféře v celé výzkumné skupině.


Studentka shrnula nejdůležitější výsledky doktorského studia ve zdařilé disertační práci zpracované v anglickém jazyce.

Celkově hodnotím působení Ing. Veroniky Řehákové během doktorského studia i předloženou disertační práci jako vysoce nadstandardní. Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem a v souladu s platnou legislativou z pozice školitele doporučuji, aby byla disertační práce přijata k obhajobě a po jejím úspěšném obhájení byl Ing. Veronice Řehákové udělen akademický titul doktor (Ph.D.).

Reviewer’s report
doc. RNDr. Miroslav Ondrejovič, Ph.D.

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 306,31 kB

Reviewer’s report
Prof. Dr. Manfred Zinn

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta 1,33 MB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová