Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

The role of catechol-O-methyltransferase (COMT) and the effects of COMT inhibition in brain and in cardiovascular and renal pathophysiology

Catechol-O-methyltransferase (COMT) metabolizes catecholamines such as dopamine (DA), noradrenaline (NA) and adrenaline, which are vital neurotransmitters and hormones that play important roles in the regulation of physiological processes. COMT enzyme has a functional Val158Met polymorphism in humans, which affects the subjects COMT activity. Increasing evidence suggests that this functional polymorphism may play a role in the etiology of various diseases from schizophrenia to cancers. The aim of this project was to provide novel biochemical information on the physiological and especially pathophysiological roles of COMT enzyme as well as the effects of COMT inhibition in the brain and in the cardiovascular and renal system. To assess the roles of COMT and COMT inhibition in pathophysiology, we used four different study designs. The possible beneficial effects of COMT inhibition were studied in double-transgenic rats (dTGRs) harbouring human angiotensinogen and renin genes. Due to angiotensin II (Ang II) overexpression, these animals exhibit severe hypetension, cardiovascular and renal end-organ damage and mortality of approximately 25-40% at the age of 7-weeks. The dTGRs and their Sprague-Dawley controls tissue samples were assessed with light microscopy, immunohistochemistry, reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) and high-pressure liquid chromatography (HPLC) to evaluate the tissue damages and the possible protective effects pharmacological intervention with COMT inhibitors. In a second study, the consequence of genetic and pharmacological COMT blockade in blood pressure regulation during normal and high-sodium was elucidated using COMT-deficient mice. The blood pressure and the heart rate were measured using direct radiotelemetric blood pressure surveillance. In a third study, the effects of acute and subchronic COMT inhibition during combined levodopa (L-DOPA) + dopa decarboxylase inhibitor treatment in homocysteine formation was evaluated. Finally, we assessed the COMT enzyme expression, activity and cellular localization in the CNS during inflammation-induced neurodegeneration using Western blotting, HPLC and various enzymatic assays. The effects of pharmacological COMT inhibition on neurodegeneration were also studied. The COMT inhibitor entacapone protected against the Ang II-induced perivascular inflammation, renal damage and cardiovascular mortality in dTGRs. COMT inhibitors reduced the albuminuria by 85% and prevented the cardiovascular mortality completely. Entacapone treatment was shown to ameliorate oxidative stress and inflammation. Furthermore, we established that the genetic and pharmacological COMT enzyme blockade protects against the blood pressure-elevating effects of high sodium intake in mice. These effects were mediated via enhanced renal dopaminergic tone and suggest an important role of COMT enzyme, especially in salt-sensitive hypertension. Entacapone also ameliorated the L-DOPA-induced hyperhomocysteinemia in rats. This is important, since decreased homocysteine levels may decrease the risk of cardiovascular diseases in Parkinson´s disease (PD) patients using L-DOPA. The Lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation and subsequent delayed dopaminergic neurodegeneration were accompanied by up-regulation of COMT expression and activity in microglial cells as well as in perivascular cells. Interestingly, similar perivascular up-regulation of COMT expression in inflamed renal tissue was previously noted in dTGRs. These results suggest that inflammation reactions may up-regulate COMT expression. Furthermore, this increased glial and perivascular COMT activity in the central nervous system (CNS) may decrease the bioavailability of L-DOPA and be related to the motor fluctuation noted during L-DOPA therapy in PD patients.

Molecular genetic studies on nemaline myopathy and related disorders

Nemaline myopathy (NM) is a rare muscle disorder characterised by muscle weakness and nemaline bodies in striated muscle tissue. Nemaline bodies are derived from sarcomeric Z discs and may be detected by light microscopy. The disease can be divided into six subclasses varying from very severe, in some cases lethal forms to milder forms. NM is usually the consequence of a gene mutation and the mode of inheritance varies between NM subclasses and different families. Mutations in six genes are known to cause NM; nebulin (NEB), alpha-actin, alpha-tropomyosin (TPM3), troponin T1, beta-tropomyosin (TPM2) and cofilin 2, of which nebulin and -actin are the most common. One of the main interests of my research is NEB. Nebulin is a giant muscle protein (600-900 kDa) expressed mainly in the thin filaments of striated muscle. Mutations in NEB are the main cause of autosomal recessive NM. The gene consists of 183 exons. Thus being gigantic, NEB is very challenging to investigate. NEB was screened for mutations using denaturing High Performance Liquid Chromatography (dHPLC) and sequencing. DNA samples from 44 families were included in this study, and we found and published 45 different mutations in them. To date, we have identified 115 mutations in NEB in a total of 96 families. In addition, we determined the occurrence in a world-wide sample cohort of a 2.5 kb deletion containing NEB exon 55 identified in the Ashkenazi Jewish population. In order to find the seventh putative NM gene a genome-wide linkage study was performed in a series of Turkish families. In two of these families, we identified a homozygous mutation disrupting the termination signal of the TPM3 gene, a previously known NM-causing gene. This mutation is likely a founder mutation in the Turkish population. In addition, we described a novel recessively inherited distal myopathy, named distal nebulin myopathy, caused by two different homozygous missense mutations in NEB in six Finnish patients. Both mutations, when combined in compound heterozygous form with a more disruptive mutation, are known to cause NM. This study consisted of molecular genetic mutation analyses, light and electron microscopic studies of muscle biopsies, muscle imaging and clinical examination of patients. In these patients the distribution of muscle weakness was different from NM. Nemaline bodies were not detectable with routine light microscopy, and they were inconspicuous or absent even using electron microscopy. No genetic cause was known to underlie cap myopathy, a congenital myopathy characterised by cap-like structures in the muscle fibres, until we identified a deletion of one codon of the TPM2 gene, in a 30-year-old cap myopathy patient. This mutation does not change the reading frame of the gene, but a deletion of one amino acid does affect the conformation of the protein produced. In summary, this thesis describes a novel distal myopathy caused by mutations in the nebulin gene, several novel nebulin mutations associated with nemaline myopathy, the first molecular genetic cause of cap myopathy, i.e. a mutation in the beta-tropomyosin gene, and a founder mutation in the alpha-tropomyosin gene underlying autosomal recessive nemaline myopathy in the Turkish population.