UV-induced stress in bacterioneuston : mechanisms and ecological implications

As bactérias desempenham um papel chave na reciclagem de energia e matéria nas teias tróficas aquáticas. No entanto, as suas pequenas dimensões, curto tempo de geração e o facto de os seus genomas constituírem uma grande porção do seu volume celular, tornam as bactérias mais suscetíveis às alterações ambientais que os organismos superiores. O aumento dos níveis de radiação UVB (280-320 nm) constitui uma ameaça particularmente importante para as comunidades bacterianas dos sistemas aquáticos, uma vez que a radiação consegue penetrar até profundidades consideráveis. No entanto, os mecanismos através dos quais a radiação causa danos nas bactérias ainda não são claros, o que impede a modelação precisa dos efeitos da radiação UV nas comunidades bacterianas naturais. O bacterioneuston habita a microcamada superficial (primeiro milímetro da coluna de água), estando naturalmente exposto a níveis de radiação UV superiores aos que o bacterioplâncton está exposto. Deste modo, a microcamada superficial pode ser vista como um nicho ecológico modelo para estudar as interações entre as bactérias e a radiação UV. Os objetivos deste trabalho foram (i) avaliar a influência do nível de exposição natural à radiação das comunidades bacterianas na sua sensibilidade à radiação UV, através da comparação das respostas fotobiológicas do bacterioneuston e bacterioplâncton; (ii) aprofundar o conhecimento acerca dos mecanismos através dos quais a radiação UV causa danos, bem como dos fatores que afetam a interação entre a radiação UV e as bactérias; e (iii) avaliar o potencial da proteína RecA, que medeia a resposta SOS das bactérias, para ser usada como marcador de danos induzidos por UV nas comunidades bacterianas. Verificou-se que o bacterioneuston é mais resistente à radiação UVB que o bacterioplâncton e recupera de modo mais eficiente dos danos induzidos por UV, particularmente em condições de escassez de nutrientes, indicando assim que o nível de exposição natural das comunidades bacterianas à radiação afeta a sua sensibilidade à radiação UV. Os resultados das análises independentes do cultivo revelaram o potencial da radiação UV para afetar a estrutura das comunidades bacterianas ao selecionar bactérias resistentes. A análise do perfil de utilização de fontes de carbono usando o sistema de Ecoplacas Biolog ® e a determinação das taxas de incorporação de leucina e timidina permitiu também verificar que a radiação UV modifica o funcionamento das comunidades bacterianas. Os resultados obtidos indicam a possibilidade do bacterioneuston conter um conjunto de estirpes resistentes a UV que, mediante as condições meteorológicas apropriadas, podem ser selecionadas aquando da exposição à radiação.

Volatile terpenoids and C13 norisoprenoids in wines: development of rapid methods of analysis and evaluation of the sesquiterpenoids biological potential

Vitis vinifera L., the most widely cultivated fruit crop in the world, was the starting point for the development of this PhD thesis. This subject was exploited following on two actual trends: i) the development of rapid, simple, and high sensitive methodologies with minimal sample handling; and ii) the valuation of natural products as a source of compounds with potential health benefits. The target group of compounds under study were the volatile terpenoids (mono and sesquiterpenoids) and C13 norisoprenoids, since they may present biological impact, either from the sensorial point of view, as regards to the wine aroma, or by the beneficial properties for the human health. Two novel methodologies for quantification of C13 norisoprenoids in wines were developed. The first methodology, a rapid method, was based on the headspace solid-phase microextraction combined with gas chromatography-quadrupole mass spectrometry operating at selected ion monitoring mode (HS-SPME/GC-qMS-SIM), using GC conditions that allowed obtaining a C13 norisoprenoid volatile signature. It does not require any pre-treatment of the sample, and the C13 norisoprenoid composition of the wine was evaluated based on the chromatographic profile and specific m/z fragments, without complete chromatographic separation of its components. The second methodology, used as reference method, was based on the HS-SPME/GC-qMS-SIM, allowing the GC conditions for an adequate chromatographic resolution of wine components. For quantification purposes, external calibration curves were constructed with β-ionone, with regression coefficient (r2) of 0.9968 (RSD 12.51 %) and 0.9940 (RSD of 1.08 %) for the rapid method and for the reference method, respectively. Low detection limits (1.57 and 1.10 μg L-1) were observed. These methodologies were applied to seventeen white and red table wines. Two vitispirane isomers (158-1529 L-1) and 1,1,6-trimethyl-1,2-dihydronaphthalene (TDN) (6.42-39.45 μg L-1) were quantified. The data obtained for vitispirane isomers and TDN using the two methods were highly correlated (r2 of 0.9756 and 0.9630, respectively). A rapid methodology for the establishment of the varietal volatile profile of Vitis vinifera L. cv. 'Fernão-Pires' (FP) white wines by headspace solid-phase microextraction combined with comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry (HS-SPME/GCxGC-TOFMS) was developed. Monovarietal wines from different harvests, Appellations, and producers were analysed. The study was focused on the volatiles that seem to be significant to the varietal character, such as mono and sesquiterpenic compounds, and C13 norisoprenoids. Two-dimensional chromatographic spaces containing the varietal compounds using the m/z fragments 93, 121, 161, 175 and 204 were established as follows: 1tR = 255-575 s, 2tR = 0,424-1,840 s, for monoterpenoids, 1tR = 555-685 s, 2tR = 0,528-0,856 s, for C13 norisoprenoids, and 1tR = 695-950 s, 2tR = 0,520-0,960 s, for sesquiterpenic compounds. For the three chemical groups under study, from a total of 170 compounds, 45 were determined in all wines, allowing defining the "varietal volatile profile" of FP wine. Among these compounds, 15 were detected for the first time in FP wines. This study proposes a HS-SPME/GCxGC-TOFMS based methodology combined with classification-reference sample to be used for rapid assessment of varietal volatile profile of wines. This approach is very useful to eliminate the majority of the non-terpenic and non-C13 norisoprenic compounds, allowing the definition of a two-dimensional chromatographic space containing these compounds, simplifying the data compared to the original data, and reducing the time of analysis. The presence of sesquiterpenic compounds in Vitis vinifera L. related products, to which are assigned several biological properties, prompted us to investigate the antioxidant, antiproliferative and hepatoprotective activities of some sesquiterpenic compounds. Firstly, the antiradical capacity of trans,trans-farnesol, cis-nerolidol, α-humulene and guaiazulene was evaluated using chemical (DPPH• and hydroxyl radicals) and biological (Caco-2 cells) models. Guaiazulene (IC50= 0.73 mM) was the sesquiterpene with higher scavenger capacity against DPPH•, while trans,trans-farnesol (IC50= 1.81 mM) and cis-nerolidol (IC50= 1.48 mM) were more active towards hydroxyl radicals. All compounds, with the exception of α-humulene, at non-cytotoxic levels (≤ 1 mM), were able to protect Caco-2 cells from oxidative stress induced by tert-butyl hydroperoxide. The activity of the compounds under study was also evaluated as antiproliferative agents. Guaiazulene and cis-nerolidol were able to more effectively arrest the cell cycle in the S-phase than trans,trans-farnesol and α-humulene, being the last almost inactive. The relative hepatoprotection effect of fifteen sesquiterpenic compounds, presenting different chemical structures and commonly found in plants and plant-derived foods and beverages, was assessed. Endogenous lipid peroxidation and induced lipid peroxidation with tert-butyl hydroperoxide were evaluated in liver homogenates from Wistar rats. With the exception of α-humulene, all the sesquiterpenic compounds under study (1 mM) were effective in reducing the malonaldehyde levels in both endogenous and induced lipid peroxidation up to 35% and 70%, respectively. The developed 3D-QSAR models, relating the hepatoprotection activity with molecular properties, showed good fit (R2LOO > 0.819) with good prediction power (Q2 > 0.950 and SDEP < 2%) for both models. A network of effects associated with structural and chemical features of sesquiterpenic compounds such as shape, branching, symmetry, and presence of electronegative fragments, can modulate the hepatoprotective activity observed for these compounds. In conclusion, this study allowed the development of rapid and in-depth methods for the assessment of varietal volatile compounds that might have a positive impact on sensorial and health attributes related to Vitis vinifera L. These approaches can be extended to the analysis of other related food matrices, including grapes and musts, among others. In addition, the results of in vitro assays open a perspective for the promising use of the sesquiterpenic compounds, with similar chemical structures such as those studied in the present work, as antioxidants, hepatoprotective and antiproliferative agents, which meets the current challenges related to diseases of modern civilization.

Photodynamic inactivation of bacteria by cationic porphyrins : their cellular targets and potential environmental applications

Photodynamic inactivation (PDI) is defined as the process of cell destruction by oxidative stress resulting from the interaction between light and a photosensitizer (PS), in the presence of molecular oxygen. PDI of bacteria has been extensively studied in recent years, proving to be a promising alternative to conventional antimicrobial agents for the treatment of superficial and localized infections. Moreover, the applicability of PDI goes far beyond the clinical field, as its potential use in water disinfection, using PS immobilized on solid supports, is currently under study. The aim of the first part of this work was to study the oxidative modifications in phospholipids, nucleic acids and proteins of Escherichia coli and Staphylococcus warneri, subjected to photodynamic treatment with cationic porphyrins. The aims of the second part of the work were to study the efficiency of PDI in aquaculture water and the influence of different physicalchemical parameters in this process, using the Gram-negative bioluminescent bacterium Vibrio fischeri, and to evaluate the possibility of recycling cationic PS immobilized on magnetic nanoparticles. To study the oxidative changes in membrane phospholipids, a lipidomic approach has been used, combining chromatographic techniques and mass spectrometry. The FOX2 assay was used to determine the concentration of lipid hydroperoxides generated after treatment. The oxidative modifications in the proteins were analyzed by one-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). Changes in the intracellular nucleic acids were analyzed by agarose gel electrophoresis and the concentration of doublestranded DNA was determined by fluorimetry. The oxidative changes of bacterial PDI at the molecular level were analyzed by infrared spectroscopy. In laboratory tests, bacteria (108 CFU mL-1) were irradiated with white light (4.0 mW cm-2) after incubation with the PS (Tri-Py+-Me-PF or Tetra-Py+-Me) at concentrations of 0.5 and 5.0 μM for S. warneri and E. coli, respectively. Bacteria were irradiated with different light doses (up to 9.6 J cm-2 for S. warneri and up to 64.8 J cm-2 for E. coli) and the changes were evaluated throughout the irradiation time. In the study of phospholipids, only the porphyrin Tri-Py+-Me-PF and a light dose of 64.8 J cm-2 were tested. The efficiency of PDI in aquaculture has been evaluated in two different conditions: in buffer solution, varying temperature, pH, salinity and oxygen concentration, and in aquaculture water samples, to reproduce the conditions of PDI in situ. The kinetics of the process was determined in realtime during the experiments by measuring the bioluminescence of V. fischeri (107 CFU mL-1, corresponding to a level of bioluminescence of 105 relative light units). A concentration of 5.0 μM of Tri-Py+-Me-PF was used in the experiments with buffer solution, and 10 to 50 μM in the experiments with aquaculture water. Artificial white light (4.0 mW cm-2) and solar irradiation (40 mW cm-2) were used as light sources.

Effect assessment of nanoparticles toxicity in the terrestrial compartment

Over 11 million tons of nanomaterials (NMs) have been produced in 2012 and predictions point the increase in production. Despite predictions and extended usage via consumer products and industry, the understanding of the potential impact of these materials on the environment is virtually absent. The main aim of this thesis is to understand how a selected group of nanomaterials (metal based particles) may impact soil invertebrates, with special focus on the mechanisms of response. Since a case-by-case Environmental Risk Assessment (ERA) of all the emerging contaminants (particularly NMs) is impossible, among others due to time and cost reasons, to gain understanding on the mechanism of action and response is very important to reach a common paradigm. Understanding the modes of action provides predictive characters in cross particle extrapolation. Besides, it also provides insight for the production of new and sustainable materials. Overall, the effects of the selected NMs (Copper and Silver, Titanium and Zirconium oxides) and the respective salt forms, were investigated at the gene expression (using high-throughput tools, microarray and qPCR technology), biochemical (using enzymatic assays for analysis of oxidative stress markers) and organism (survival and reproduction as in OECD test guidelines) levels, this using standard soil species (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus, Eisenia fetida). Gene expression analysis provided valuable information on the mechanisms affected by each of the NMs. The gene expression profile highlighted a (nano)material signature and the effect of the duration of exposure. The functional analyses integrated with the biochemical and organism data, revealed a good understanding power. The biochemical parameters (oxidative stress related) were distinct across the materials and also influenced by duration of exposure and concentration. The standardized organismal responses differed the least between the various materials. The overall outcome is that, in this context of NMs effect assessment, gene expression and enzymatic assays introduced a very important knowledge gap, which could not had been achieved by the standard organismal effects alone. A reoccurring issue with some metal based NMs is the possible dissolution and subsequent release of ions that then causes toxicity e.g. Cu-NPs or Ag-NPs release Cu2+ or Ag+. The oxidation state of the particles was investigated, although this was not the focus of the thesis. The study of fate, e.g. dissolution of NPs, is also only in its beginning and the appropriate techniques are currently being developed. The results showed a specific nanoparticle effect. The UV exposure with titanium dioxide nanoparticles increased its effect.

Oxidation and glycoxidation of phosphatidylserine and their effect in immune response : a lipidomic approach

Phosphatidylserine (PS) is a member of the class of phospholipids, and is distributed among all cells of mammalians, playing important roles in diverse biological processes, including blood clotting and apoptosis. When externalized, PS is a ligand that is recognized on apoptotic cells. It has been considered that before externalization PS is oxidized and oxPS enhance the recognition by macrophages receptors, however the knowledge about oxidation of PS is still limited. PS, like others phospholipids, has two fatty acyl chains and one polar head group, in this case is the amino acid serine. The modifications in PS structure can occur by oxidation of the unsaturated fatty acyl chains and by glycation of the polar head group, due to free amine group, thus increasing the susceptibility to oxidative events. The main goal of this work was to characterize and identify oxidized and glycoxidized PS, contributing to the knowledge of the biological role of oxidation products of PS, as well as of glycated PS, in immune and inflammatory processes. To achieve this goal, PS standards (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho- L-serine (POPS), 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (DPPS), 1- palmitoyl-2-linoleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (PLPS) and 1-palmitoyl-2- arachidonoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (PAPS)) and glycated PS (PAPS and POPS) were induced to oxidize in model systems, using different oxidant reagents: HO• and 2,2'-azobis-2-methyl-propanimidamide dihydrochloride (AAPH) . The detailed structural characterization of the oxidative products was performed by ESI-MS and MS/MS coupled to separation techniques such as off line TLC-MS and on line LC-MS, in order to obtained better characterization of the larger number of PS and glycated PS oxidation products. The results obtained in this work allowed to identify several oxidation products of PS and glycated PS with modifications in unsaturated fatty acyl chain. Also, oxidation products formed due to structural changes in the serine polar head with formation of terminal acetamide, terminal hydroperoxyacetaldehyde.and terminal acetic acid (glycerophosphacetic acid, GPAA) were identified. The mass spectrometric specific fragmentation pathway of each type of oxidation product was determined using different mass spectrometry approaches. Based on the identified fragmentation pathways, targeted lipidomic analysis was performed to detect oxidation products modified in serine polar head in HaCaT cell line treated with AAPH. The GPAA was detected in HaCaT cells treated with AAPH to induce oxidative stress, thus confirming that modifications in PS polar head is possible to occur in biological systems. Furthermore, it was found that glycated PS species are more prone to oxidative modifications when compared with non glycated PS. During oxidation of glycated PS, besides the oxidation in acyl chains, new oxidation products due to oxidation of the glucose moiety were identified, including PS advanced glycation end products (PSAGES). To investigate if UVA oxidative stress exerted changes in the lipidome of melanoma cell lines, particularly in PS profile, a lipidomic analysis was performed. The lipid profile was obtained using HILIC-LC-MS and GC-MS analysis of the total lipid extracts obtained from human melanoma cell line (SKMEL- 28) after UVA irradiation at 0, 2 and 24 hours. The results did not showed significant differences in PS content. At molecular level, only PS (18:0:18:1) decreased at the moment of irradiation. The most significant changes in phospholipids content occurred in phosphatidylcholines (PC) and phosphatidylinositol (PI) classes, with an increase of mono-unsaturated fatty acid (MUFA), similarly as observed for the fatty acid analysis. Overall, these data indicate that the observed membrane lipid changes associated with lipogenesis after UVA exposure may be correlated with malignant transformations associated with cancer development and progression. Despite of UVA radiation is associated with oxidative damage, in this work was not possible observe oxidation phospholipids. The anti/pro-inflammatory properties of the oxidized PLPS (oxPLPS) versus non-oxidized PLPS were tested on LPS stimulated RAW 264.7 macrophages. The modulation of intracellular signaling pathways such as NF-kB and MAPK cascades by oxPLPS and PS was also examined in this study. The results obtained from evaluation of anti/pro-inflammatory properties showed that neither PLPS or oxPLPS species activated the macrophages. Moreover only oxidized PLS were found to significantly inhibit NO production and iNOS and il1β gene transcription induced by LPS. The analysis at molecular level showed that this was the result of the attenuation of LPS-induced c-Jun-N-terminal kinase (JNK) and p65 NF-kB nuclear translocation. Overall these data suggest that oxPLPS, but not native PLPS, mitigates pro-inflammatory signaling in macrophages, contributing to containment of inflammation during apoptotic cell engulfment. The results obtained in this work provides new information on the modifications of PS, facilitating the identification of oxidized species in complex samples, namely under physiopathologic conditions and also contributes to a better understanding of the role of oxPS and PS in the inflammatory response, in the apoptotic process and other biological functions.

Efeitos a posteriori dos défices hídricos sobre a actividade fotossintética: mecanismos de fotoprotecção e sistema enzimático antioxidante

Tese de dout., Biologia (Fisiologia Vegetal), Faculdade de Engenharia dos Recursos Naturais, Univ. do Algarve, 2005

Comparação dos Perfis Lipídicos de Plasma de uma População da Região Norte

Os ácidos gordos desempenham um papel fisiológico importante como componentes indispensáveis na estrutura celular, bem como fontes de energia. Nas últimas décadas, tem havido um aumento notável do interesse público nos ácidos gordos polinsaturados ómegas 3 e 6 e no seu impacto sobre a saúde humana, especialmente em doenças metabólicas e cardiovasculares. Estes ácidos gordos específicos podem prevenir e/ou tratar várias patologias metabólicas, atuando nomeadamente como compostos anti-inflamatórios. A menopausa é um fator de risco para doença cardiovascular, a diminuição de estrogénio, que ocorre neste estado fisiológico, provoca disfunção endotelial e stresse oxidativo. Consequentemente há uma redução dos níveis de ácidos gordos polinsaturados ómegas 3, o que contribui para o aparecimento de aterosclerose e doença cardiovascular. Neste contexto, o objetivo deste estudo foi avaliar e caracterizar o perfil lipídico de ácidos gordos de uma amostra de mulheres pós-menopausa e com este, estudar as associações entre o perfil lipídico determinado e parâmetros metabólicos de risco (parâmetros clínicos e bioquímicos). Inicialmente, os ácidos gordos foram extraídos da matriz plasmática através da derivatização destes e a sua composição percentual no plasma foi determinada com recurso a cromatografia gasosa com deteção de ionização de chama. De seguida, através do software IBM SPSS Statistics 21, foram estabelecidas associações entre os parâmetros clínicos e bioquímicos e o perfil lipídico determinado. A população em estudo foi divida em dois grupos consoante o período de entrada na menopausa (há menos de 7 anos e há 7 anos ou mais). Não há conhecimento de estudos semelhantes ao apresentado, que relacionem todo o perfil de ácidos gordos com parâmetros metabólicos de risco considerando o estado menopausal. Os resultados obtidos mostram que o perfil lipídico influencia vários marcadores metabólicos / endócrinos com relevância clínica que devem ser explorados em futuros ensaios clínicos. Para as mulheres na menopausa há menos de 7 anos foram estabelecidas as seguintes relações: i) entre os ácidos gordos saturados e insaturados cis e os níveis de ALP; ii) entre os ácidos gordos mono e polinsaturados cis e os níveis de GGT, IL10 e estradiol; iii) entre os ácidos gordos polinsaturados trans e o IMC e os níveis de IL6; iv) entre os ómegas 3 e os níveis de IL10 e ácido úrico; v) entre os ómegas 6 e os níveis de estradiol, ALP e GGT; vi) entre os ómegas 9 e os níveis de estradiol e GGT; vi) entre os ácidos gordos de curta cadeia e os níveis de colesterol total, LDL, triglicerídeos e IL10; vii) entre os ácidos gordos saturados de cadeia longa e o ΣÁcido láurico, mirístico, palmítico e esteárico e os níveis de triglicerídeos, ALP e GGT; viii) os níveis de IL10 podem ser simultaneamente associados com os ácidos gordos de curta cadeia e os ómegas 3. Para as mulheres na menopausa há 7 anos ou mais foram estabelecidas relações: i) entre os ómegas 3 e o IMC e os níveis de triglicerídeos; ii) entre os ácidos gordos monoinsaturados cis e os ómegas 9 com os níveis de ALT. Relações independentes do estado menopausal também foram estabelecidas, nomeadamente: i) entre os ácidos gordos polinsaturados cis e ómegas 6 e os níveis de ALT, triglicerídeos e AST; ii) entre os níveis de ácidos gordos monoinsaturados cis e ómegas 9 e os níveis de AST e triglicerídeos. O perfil lipídico de ácidos gordos pode ser considerado um biomarcador para a condição de saúde da mulher na menopausa.

Variação sazonal do metabolismo energético no primeiro ciclo anual de lagartos teiú Tupinambis merianae: correlatos com atividades diárias, adiposidade e proteção antioxidante

Lagartos teiú eclodem no verão e enfrentam o desafio de crescer e armazenar substratos em um curto período de tempo, antes do início do período de jejum e depressão metabólica (≈80%) a temperaturas amenas durante o inverno (≈17 °C). No despertar, o aumento do metabolismo e a reperfusão de órgãos favoreceriam a ocorrência de estresse oxidativo. Na primeira parte do presente estudo investigou−se os ajustes que compatibilizam as demandas em teiús neonatos, especialmente na pré-hibernação, por meio da gravação do comportamento em vídeo e da análise da massa dos corpos gordurosos abdominais e do nível plasmático de corticosterona (CORT) durante o primeiro ciclo anual. No início do outono a massa corpórea dos teiús foi 27 g e o comprimento rostro−cloacal 9,3 cm e aumentaram 40% e 20%, respectivamente, ao longo do outono, enquanto que as taxas diminuíram progressivamente até atingirem o valor zero no início do inverno. Na primavera, a massa corpórea dos teiús aumentou 80% em relação ao despertar e dobrou em relação ao final do verão; o comprimento acumulou um aumento de 27% em relação ao final do verão. A massa relativa dos corpos gordurosos foi 3,7% no início do outono e diminuiu nos meses subsequentes; no despertar, este estoque acumulou uma perda de 63% da sua massa. No início do outono 74% dos teiús estavam ativos por 4,7 h e permaneceram 2 h assoalhando diariamente; ao longo do outono o número de animais ativos e o tempo em atividade diminuíram até que todos se tornaram inativos. Na primavera 83% dos teiús estavam ativos por 7 h e permaneceram 4 h assoalhando. Um padrão sazonal similar foi observado na atividade locomotora e na alimentação. No outono, a alimentação cessou antes da atividade diária e os teiús tornaram−se afágicos algumas semanas antes da entrada em hibernação. Os maiores níveis de CORT foram observados no início do outono, reduzindo progressivamente até valores 75 e 86% menores na dormência e despertar, respectivamente; na primavera os níveis de CORT foram 32% menores em comparação com o início do outono. Este padrão sugere um papel da CORT nos ajustes que promovem a ingestão de alimento e a deposição de substratos energéticos no outono. A redução da atividade geral no final do outono contribuiria para a economia energética e manutenção da massa corpórea, apesar da redução da ingestão de alimento. O curso temporal das alterações fisiológicas e comportamentais em neonatos reforça a ideia de que a dormência sazonal nos teiús é o resultado da expressão de um ritmo endógeno. Na segunda parte do estudo foi investigada a hipótese de que ocorreriam ajustes das defesas antioxidantes durante a hibernação, em antecipação ao despertar. Foram analisados marcadores de estresse oxidativo e antioxidantes em vários órgãos de teiús em diferentes fases do primeiro ciclo anual. A CS, um indicador do potencial oxidante, não variou no fígado e foi menor no rim e no pulmão na hibernação. As enzimas antioxidantes revelaram (1) um efeito abrangente de redução das taxas na hibernação e despertar; por exemplo, GR e CAT foram menores em todos órgãos analisados e a GST tendeu a diminuir no fígado e no rim, embora constante no coração e no pulmão. A G6PDH no fígado e no rim não variou. (2) No fígado, a GST, a Se−GPX e o teor de TBARS foram maiores na atividade de outono em relação à primavera e a Se−GPX permaneceu elevada na hibernação. (3) No fígado, a SOD foi maior na hibernação e despertar em relação ao outono e a Mn−SOD seguiu este padrão. Em contraste, no rim, coração e pulmão a SOD foi menor na hibernação e as taxas se recuperaram no coração e pulmão no despertar. A Mn−SOD seguiu este padrão no pulmão. A concentração e o estado redox da glutationa não variaram no fígado, rim e coração; no pulmão o teor de Eq−GSH e GSH foi menor na hibernação, com tendência à recuperação no despertar. O teor de PC no rim foi maior na hibernação e diminuiu no despertar. No fígado, as alterações no jejum se assemelham às sazonais, como sugerem a inibição da CAT e GR e aumento da Se−GPX. Os efeitos do jejum na primavera no rim diferem dos efeitos sazonais, como sugerem a redução do teor de Eq−GSH e GSH e o aumento da razão GSSG:GSH, a redução da G6PDH e o aumento de PC. No conjunto, houve um efeito predominante de redução das taxas enzimáticas na hibernação e no despertar, exceto pelas taxas aumentadas da SOD e Se−GPX no fígado e pela recuperação da SOD no coração e da GR, SOD e Mn−SOD no pulmão no despertar. As elevadas taxas das enzimas antioxidantes no teiú em comparação a outros ectotermos e a ausência de evidências de estresse oxidativo no despertar sugerem que a atividade enzimática remanescente é suficiente para prevenir danos aos tecidos face às flutuações do metabolismo

Biomonitoring atlantic deep waters through the assessment of shark biomarkers

Os ecossistemas marinhos estão continuamente a ser sobrecarregados com contaminantes derivados de atividades humanas resultando numa dimunuição dos recursos marinhos. A exposição crónica a contaminantes, como metais pesados e poluentes orgânicos persistentes (POPs), pode afetar negativamente o ambiente marinho e, eventualmente, também os seres humanos. Grandes predadores pelágicos, como tubarões, são particularmente afetados pela poluição, principalmente através de processos de bioacumulação e biomagnificação. A fim de resolver o problema acima mencionado, são necessários estudos de avaliação de risco ambiental para prever os padrões de contaminação e evitar efeitos adversos que muitas vezes só são visíveis quando é tarde demais para tomar ações preventivas. Análises de concentração de químicos fornecem-nos informações sobre o nível de contaminação no ambiente; no entanto, podem não ser suficientes para entender como os organismos estão a ser afetados e há uma necessidade de relacionar essas quantificações com parâmetros biológicos. A avaliação de parâmetros bioquímicos, como a atividade enzimática, pode fornecer uma visão mais sensível e precisa sobre os níveis de contaminação. Tubarões como Prionace glauca são predadores de topo e portanto extremamente importantes nos ecossistemas marinhos. A sua grande distribuição, juntamente com o fácil acesso a amostras, fornecidas por barcos de pesca comercial, tornou-as um alvo favorável para utilização em ensaios toxicológicos. Este estudo teve como objetivo avaliar o potencial de P. glauca como uma espécie sentinela para pesquisas de monitorização de poluição, através do desenvolvimento e da aplicação de biomarcadores apropriados. As amostras de tecidos foram recolhidas de vinte tintureiras na costa de Portugal, a bordo de um barco comercial de pesca de espadarte. Níveis de POPs, assim como parâmetros bioquímicos relacionados com destoxificação, stress oxidativo e funções neuronais, foram medidos. A caracterização prévia da atividade das colinesterases no músculo e cérebro de P. glauca foi feita, já que não havia dados disponíveis sobre esta matéria. Esta caracterização foi essencial devido à existência de três classes de ChE conhecidas em peixes, acetilcolinesterase (AChE), butirilcolinesterase (BChE) e propionilcolinesterase (PChE), todas bastante suscetíveis a agentes anticolinérgicos, e outros contaminantes, tornando-as biomarcadores relevantes em estudos de monitorização de poluição. Os resultados obtidos indicaram que o cérebro de P. glauca aparenta possuir ChEs atípicas, revelando propriedades mistas de AChE e BChE e, que o músculo aparentemente possui maioritariamente AChE. A exposição in vitro a chloropyrifos-oxon provocou inibição de ChE das tintureiras em ambos os tecidos, com o cérebro sendo o tecido mais sensível e, por isso, o mais adequado para a detecção de compostos anticolinérgicos no ambiente. Este estudo indica que a actividade de ChE em tintureiras tem potencial para ser usada como um biomarcador sensível e fiável em programas de biomonitorização marinha. O fígado apresentou níveis mais elevados de POP, quando comparado com músculo. Foram encontradas correlações positivas e negativas entre os parâmetros de contaminação e de stresse oxidativo. Este estudo destaca a importância da caracterização de Che antes de a usar como um biomarcador em estudos ecotoxicológicos, e demonstra o grande potencial de P. glauca como espécie modelo e como sentinela de poluição marinha, através do uso de biomarcadores adequados.

Melhoramento genético de estirpes Saccharomyces cerevisiae YAP1-GFP e MSN2-GFP para a determinação de sensibilidade a drogas

No âmbito da saúde e farmacologia a procura de compostos para a prevenção e tratamento de doenças é constante, tendo sido valorizada atualmente a medicina tradicional aliada à existência de diversos compostos naturais provenientes de plantas, fungos e bactérias com ação anti-inflamatória e antimicrobiana. Logo é valorizada a investigação e estudos específicos das propriedades terapêuticas de compostos, dos mecanismos de ação e compreensão dos seus efeitos, úteis ao avanço da medicina. Posto isto, aliada à relevância do stresse oxidativo, associado a danos oxidativos e envolvimento em várias doenças humanas e no processo de envelhecimento, surge a necessidade de construção de uma ferramenta que permita estudar o efeito de drogas ao nível do stresse oxidativo, de modo a avaliar o potencial terapêutico, clarificar a respetiva função e abranger a aplicação de compostos que têm sido cada vez mais valorizados. Assim, foi delineado como objetivo o melhoramento genético de estripes Saccharomyces cerevisiae, de modo a promover a acumulação de drogas e, consequentemente promover as condições que despoletam a ação dos ativadores Yap1 e Msn2 ao nível do stresse oxidativo. Neste contexto, foi otimizada uma metodologia para a construção de novas estirpes haploides de S. cerevisiae com seis cruzamentos distintos que combinam a deleção independente de três transportadores diferentes (TxΔ, TyΔ e TzΔ) e, em simultâneo, cada um dos ativadores Yap1 e Msn2 em fusão com a Gfp (A-GFP). Estas estirpes haploides foram selecionadas por análises fenotípicas, confirmadas ao nível do genótipo pretendido por PCR e ensaios de microscopia de fluorescência quando sujeitas previamente ao tratamento com H2O2, que não só confirmou o genótipo A-GFP, como também permitiu avaliar qualitativamente a sensibilidade das estirpes ao H2O2 pela observação da localização nuclear da Gfp. No sentido de obter uma ferramenta simples de fácil manipulação e baixo custo que facilite a exposição de compostos e permanência no interior das células, de modo a potenciar o seu efeito a baixas concentrações e permitir uma análise mais assertiva, criou-se uma ferramenta que permitirá a caracterização de propriedades e efeitos pró-oxidantes e/ou antioxidantes de drogas ao nível do stresse oxidativo em levedura

Antioxidant and detoxify genes polymorphisms in colorectal cancer predisposition

Colorectal cancer (CRC) results from histologic and gene alterations can lead to a massive cellular proliferation. Most of the authors assume multifactorial causes to CRC genesis. Low physical activity, a fat diet poor in fibers and smoking habits seems to have an important role in CRC. However, there are also genetic causes associated with CRC risk. It has been described that oxidative stress levels could influence CRC development. Thus, cellular balance reactive species and defense enzymes involved in oxidative stress are crucial to maintain a good tissue function and avoid neoplasic process. Therefore, genome variations on these defense enzymes, such as MNSOD, SOD3, GSTP1, GSTT1 and GSTM1, could be important biomarkers to colorectal adenocarcinomas. We intend to determine frequencies distribution of most common polymorphisms involved on oxidative stress regulation (MNSOD, SOD3, GSTP1, GSTT1 and GSTM1) in patients with sporadic colorectal adenocarcinoma (SCA) and in healthy controls, evaluation their possible correlation with SCA risk. Samples common polymorphisms of antioxidant and detoxify genes (MNSOD T175C, SOD3 R213G, GSTP1 A105G, GSTP1 C114T, GSTT1del and GSTM1del) analysis was done by PCR-SSP techniques. In this study we found a higher prevalence of MNSOD 175CC (55% vs 2%; p<0.0001; OR: 58.5; CI 13.3 to 256.7), SOD3 213GG (31% vs 2%; p<0.0001; OR: 21.89; CI 4.93 to 97.29), GSTP1 105GG (46% vs 12%; p<0.0001; OR: 6.14; CI 2.85 to 13.26), GSTP1 114TT (38% vs 0%; p<0.0001; OR: Infinity) and GSTT1 null (75% vs 28%; p<0.0001; OR: 7.71; CI 3.83 to 15.56) mutated genotypes among SCA patients, while the normal genotypes were associated with SCA absence. Furthermore, we found GSTP1 114TT mutated genotype (52% vs 27%; p=0.003; OR: 2.88; CI: 1.41 to 5.89) and GSTT1 null genotype (87% vs 65%; p=0.003; OR: 3.66; CI 1.51 to 8.84) associated with colon samples. These findings suggest a positive association between most of common polymorphisms involved on oxidative stress regulation and SCA prevalence. Dysregulation of MNSOD, SOD3, GSTP1, GSTT1 and GSTM1 genes could be associated with an increase of ROS in colon and rectum tissue and p53 pathway deregulation, induced by oxidative stress on colonic and rectal cells. The present study also provides preliminary evidence that MNSOD 175C, SOD3 213G, GSTP1 105G, GSTP1 114T and GSTT1 null polymorphisms, may be involved in SCA risk and could be useful to clarify this multifactorial disorder.

Impact of natural and/or chemical stressors on the freeze-tolerant and euryhaline enchytraeid, Enchytraeus albidus

Rapid climatic changes are taking place in Arctic, subarctic and cold temperate regions, where predictions point to an increase in freeze-thaw events, changes in precipitation, evaporation and salinity patterns. Climate change may therefore result in large impacts in ecosystem functioning and dynamics, especially in the presence of contaminants due to intense anthropogenic activities. Even though multiple stress approaches have received increasing interest in the last decades, the number of such studies is limited. In particular, knowledge on the effect of freezethaw events and salinity fluctuations on ecotoxicology of soil invertebrates is lacking, especially important when considering supralittoral species. Therefore, the aim of this thesis was to investigate the effects of low temperature and salinity fluctuations, singly and in combination with contaminants, in the freeze-tolerant and euryhaline enchytraeid Enchytraeus albidus. The assessment of population level endpoints (survival and reproduction), along with physiological and biochemical parameters such as levels of cryoprotectants, ice/water content, oxidative stress biomarkers, cellular energy allocation, and tissue concentration of chemicals (when applied), provided new and valuable knowledge on the effects of selected physical and chemical stressors in E. albidus, and allowed the understanding of adjustments in the primary response mechanisms that enable worms to maintain homeostasis and survival in harsh environments such as polar and temperate-cold regions. The presence of moderate levels of salinity significantly increased freeze-tolerance (mainly evaluated as survival, cryoprotection and ice fraction) and reproduction of E. albidus. Moreover, it contributed to the readjustments of cryoprotectant levels, restoration of antioxidant levels and changed singnificantly the effect and uptake of chemicals (copper cadmium, carbendazim and 4-nonylphenol). Temperature fluctuations (simulated as daily freeze-thaw cycles, between -2ºC and -4ºC) caused substancial negative effect on survival of worms previsouly exposed to non-lethal concentrations of 4-nonylphenol, as compared with constant freezing (-4ºC) and control temperature (2ºC). The decrease in cryoprotectants, increase in energy consumption and the highest concentration of 4-nonylphenol in the tissues have highlighted the high energy requirements and level of toxicity experienced by worms exposed to the combined effect of contaminants and freezing-thawing events. The findings reported on this thesis demonstrate that natural (physical) and chemical stressors, singly or in combination, may alter the dynamics of E. albidus, affecting not only their survival and reproduction (and consequent presence/distribution) but also their physiological and biochemical adaptations. These alterations may lead to severe consequences for the functioning of the ecosystems along the Arctic, subarctic and cold temperate regions, where they play an important role for decomposition of dead organic matter. This thesis provides a scientific basis for improving the setting of safety factors for natural soil ecosystems, and to underline the integration of similar investigations in ecotoxicology, and eventually in risk assessment of contaminants.

Identificação dos produtos de oxidação de glicosfingolípidos por espectrometria de massa

O stress oxidativo está associado ao envelhecimento e a inúmeras patologias, nomeadamente a doenças neurodegenerativas e cardiovasculares, e a diversos outros fatores. O stress oxidativo leva à oxidação de importantes biomoléculas como os lípidos e, ao contrário da maior parte dos produtos de oxidação de fosfolípidos e ácidos gordos insaturados (PUFAS), os produtos de oxidação de glicosfingolípidos (GSLs) têm sido escassamente estudados. Os glicosfingolípidos são moléculas muito diversificadas estruturalmente e com importantes funções, essencialmente no sistema nervoso central (SNC) onde estão localizados maioritariamente. Deste modo, alterações na estrutura dos GSLs conduzirão a consequente comprometimento das suas funções e ao possível desenvolvimento de patologias. Assim para identificar as modificações oxidativas que ocorrem em glicosfingolípidos e pressupor consequentes efeitos biológicos nas células sob stress oxidativo, prepararamse sistemas modelo biomiméticos com diferentes GSLs os quais foram expostos a radicais hidroxilo gerados sob condições da reação de Fenton (H2O2 e Fe2+) e as reações foram monitorizadas por diferentes metodologia utilizando a espectrometria de massa. Os resultados obtidos com este estudo permitiram-nos identificar vários produtos de oxidação produzidos durante a oxidação desta classe de lípidos. Os produtos de oxidação observados em comum, em todos os GSLs estudados (C16:0GalCer, C24:1GalCer, C24:1LacCer e GM1) foram as suas correspondentes ceramidas. Estas atuam como agentes pro-apoptóticos e podem in vivo promover a neurodegeneração nas células sob stress oxidativo. Também foi possível observar produtos com inserção de oxigénio junto às duplas ligações ou na cadeia de esfingosina (no caso do GM1) ou na cadeia de ácido gordo monoinsaturada (no caso da C24:1GalCer, C24:1LacCer), corroborando o facto de que ácidos gordos saturados não são susceptíveis à oxidação por radicais. Interessantemente em ambos os GSLs de cadeias glicosiladas compostas com mais de um açúcar (C24:1LacCer e GM1) observou-se a despolimerização oxidativa da porção glicosilada por quebra das correspondentes ligações glicosídicas. Esta degradação leva à formação de GlcCer no caso de oxidação de LacCer ou na formação de outros gangliósidos (GM2, GM3, asialoGM1 e asialoGM2) e glicolípidos (LacCer e GlcCer), no caso de oxidação de GM1. A formação por via radicalar não enzimática destes GSLs leva a distúrbios no perfil lipídico. Previamente, em certas doenças, foram observadas variações na concentração do perfil de gangliósidos e de ceramidas. Estes dados permitem sugerir que em células em condições de stress oxidativo, a acumulação de gangliósidos mais simples e ceramidas poderá ter uma contribuição de produtos da degradação oxidativa dos gangliósidos e GSLs mais complexos. Este trabalho contribui assim para uma melhor compreensão das modificações estruturais que ocorrem em alguns glicosfingolípidos em condições de stress oxidativo. Os produtos de oxidação aqui identificados suportam a sua possível futura deteção em sistemas biológicos.

Potencialidade de correctivos orgânicos/inorgânicos na recuperação de escombreiras, de gossan e ricas em sulfuretos e desenvolvimento de Cistus ladanifer e Lavandula pedunculata para a exploração de bioextractos vegetais

Doutoramento em Engenharia do Ambiente - Instituto Superior de Agronomia - UL

Avaliação de parâmetros de estresse oxidativo em plantas de cana-de-açúcar tratadas com peróxico de hidrogênio

The genus Saccharum belongs to Poaceae family. Sugarcane has become important monocultures in Brazil due to their products: ethanol and sugar. The production may change between different regions from Brazil. This difference is related to soil, climatic conditions and temperature that promotes oxidative stress that may induce an early flowering. The aim of this work was to identify the effects of oxidative stress. In order to analyse this, sugarcane plants were submitted to oxidative stress using hydrogen peroxide. After this treatment, the oxidative stress were analyzed Then, the plant responses were analyzed under different approaches, using morphophysiological, biochemical and molecular tools. Thus, sugarcane plants were grown under controlled conditions and until two months they were subjected first to a hydroponics condition for 24 hours in order to acclimation. After this period, these plants were submitted to oxidative stresse using 0 mM, 10 mM, 20 mM and 30 mM hydrogen peroxide during 8 hours. The histomorphometric analysis allowed us to verify that both root and leaf tissues had a structural changes as it was observed by the increased in cell volume, lignin accumulation in cell walls. Besides, this observation suggested that there was a change in redox balance. Also, it was analyzed the activity of the SOD, CAT and APX enzymes. It was observed an increase in the SOD activity in roots and it was also observed a lipid peroxidation in leaves and roots. Then, in order to identify proteins that were differently expressed in this conditions it was used the proteomic tool either by bidimensional gel or by direct sequencing using the Q-TOF EZI. The results obtained with this approach identified more than 3.000 proteins with the score ranging from 100-5000 ions. Some of the proteins identified were: light Harvesting; oxygenevolving; Thioredoxin; Ftsh-like protein Pftf precusor; Luminal-binding protein; 2 cys peroxiredoxin e Lipoxygenase. All these proteins are involved in oxidative stress response, photsynthetic pathways, and some were classified hypothetical proteins and/or unknown (30% of total). Thus, our data allows us to propose that this treatment induced an oxidative stress and the plant in response changed its physiological process, it made changes in tissue, changed the redox response in order to survival to this new condition