Molecular study of cell degeneration and evolution induced by mRNA mistranslation

As proteínas existentes nas células são produzidas pelo mecanismo de tradução do mRNA, no qual a informação genética contida nos genes é descodificada em cadeias polipeptídicas. O código genético, que define as regras de descodificação do genoma, minimiza os erros de tradução do mRNA, garantindo a síntese de proteínas com elevada fidelidade. Esta é essencial para a estabilidade do proteoma e para a manutenção e funcionamento dos processos celulares. Em condições fisiológicas normais, os erros da tradução do mRNA ocorrem com frequências que variam de 10-3 a 10-5 erros por codão descodificado. Situações que aumentam este erro basal geralmente estão associadas ao envelhecimento, stresse e a doenças; no entanto, em certos organismos o código genético é traduzido naturalmente com elevado erro, indicando que a síntese de proteínas aberrantes pode de algum modo ser vantajosa. A fim de estudar a resposta celular aos erros de tradução do mRNA, construímos leveduras que incorporam serina no proteoma em resposta a um codão de leucina, usando a expressão constitutiva de um tRNASer mutante. Este fenómeno genético artificial provocou uma forte diminuição da esporulação, da viabilidade e da eficiência de mating, afectando imensamente a reprodução sexual da levedura. Observou-se também uma grande heterogeneidade no tamanho e na forma das células e elevada instabilidade genómica, com o aparecimento de populações poliplóides e aneuplóides. No sentido de clarificar as bases celulares e moleculares daqueles fenótipos e compreender melhor a biologia do erro de tradução do mRNA, construímos também células de levedura que inserem serina em resposta a um codão de leucina de modo indutível e controlado. Utilizaram-se perfis de mRNA total e de mRNA associado a polissomas para elucidar a resposta celular ao erro de tradução do mRNA. Observou-se a indução de genes envolvidos na resposta ao stresse geral, stresse oxidativo e na unfolded protein response (UPR). Um aumento significativo de espécies reactivas de oxigénio (ROS) e um forte impacto negativo na capacidade das células pós-mitóticas re-iniciarem o crescimento foram também observados. Este fenótipo de perda de viabilidade celular foi resgatado por scavangers de ROS, indicando que o stresse oxidativo é a principal causa de morte celular causada pelos erros de tradução. Este estudo levanta a hipótese de que o stresse oxidativo e a acumulação de ROS, ao invés do colapso súbito do proteoma, são as principais causas da degeneração celular e das doenças humanas associadas aos erros de tradução do genoma. ABSTRACT: Proteins are synthesized through the mechanism of translation, which uses the genetic code to transform the nucleic acids based information of the genome into the amino acids based information of the proteome. The genetic code evolved in such a manner that translational errors are kept to a minimum and even when they occur their impact is minimized by similar chemical properties of the amino acids. Protein synthesis fidelity is essential for proteome stability and for functional maintenance of cellular processes. Indeed, under normal physiological conditions, mistranslation occurs at frequencies that range from 10-3 to 10-5 errors per codon decoded. Situations where this basal error frequency increases are usually associated to aging and disease. However, there are some organisms where genetic code errors occur naturally at high level, suggesting that mRNA mistranslation can somehow be beneficial. In order to study the cellular response to mRNA mistranslation, we have engineered single codon mistranslation in yeast cells, using constitutive expression of mutant tRNASer genes. These mistranslating strains inserted serines at leucine-CUG sites on a proteome wide scale due to competition between the wild type tRNALeu with the mutant tRNASer. Such mistranslation event decreased yeast sporulation, viability and mating efficiencies sharply and affected sexual reproduction strongly. High heterogeneity in cell size and shape and high instability in the genome were also observed, with the appearance of some polyploid or aneuploid cell populations. To further study the cellular and molecular basis of those phenotypes and the biology of mRNA mistranslation, we have also engineered inducible mRNA misreading in yeast and used total mRNA and polysome associated mRNA profiling to determine whether codon misreading affects gene expression. Induced mistranslation up-regulated genes involved in the general stress response, oxidative stress and in the unfolded protein response (UPR). A significant increase in reactive oxygen species (ROS) and a strong negative impact on the capacity of post-mitotic cells to re-initiate growth in fresh media were also observed. This cell viability phenotype was rescued by scavengers of ROS, indicating that oxidative stress is the main cause of cell death caused by mRNA mistranslation. This study provides strong support for the hypothesis that oxidative stress and ROS accumulation, rather than sudden proteome collapse or major proteome disruption, are the main cause of the cellular degeneration observed in human diseases associated mRNA mistranslation.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Cellular responses to genome mistranslation

Low level protein synthesis errors can have profound effects on normal cell physiology and disease development, namely neurodegeneration, cancer and aging. The biology of errors introduced into proteins during mRNA translation, herein referred as mistranslation, is not yet fully understood. In order to shed new light into this biological phenomenon, we have engineered constitutive codon misreading in S. cerevisiae, using a mutant tRNA that misreads leucine CUG codons as serine, representing a 240 fold increase in mRNA translational error relative to typical physiological error (0.0001%). Our studies show that mistranslation induces autophagic activity, increases accumulation of insoluble proteins, production of reactive oxygen species, and morphological disruption of the mitochondrial network. Mistranslation also up-regulates the expression of the longevity gene PNC1, which is a regulator of Sir2p deacetylase activity. We show here that both PNC1 and SIR2 are involved in the regulation of autophagy induced by mistranslation, but not by starvation-induced autophagy. Mistranslation leads to P-body but not stress-granule assembly, down-regulates the expression of ribosomal protein genes and increases slightly the selective degradation of ribosomes (ribophagy). The study also indicates that yeast cells are much more resistant to mistranslation than expected and highlights the importance of autophagy in the cellular response to mistranslation. Morpho-functional alterations of the mitochondrial network are the most visible phenotype of mistranslation. Since most of the basic cellular processes are conserved between yeast and humans, this study reinforces the importance of yeast as a model system to study mistranslation and suggests that oxidative stress and accumulation of misfolded proteins arising from aberrant protein synthesis are important causes of the cellular degeneration observed in human diseases associated to mRNA mistranslation.

The role of environmental stress on protein synthesis fidelity

Estudos recentes estabelecem uma ligação entre erros na tradução do mRNA e cancro, envelhecimento e neurodegeneração. RNAs de transferência mutantes que introduzem aminoácidos em locais errados nas proteínas aumentam a produção de espécies reactivas de oxigénio e a expressão de genes que regulam autofagia, ribofagia, degradação de proteínas não-funcionais e protecção contra o stress oxidativo. Erros na tradução do mRNA estão portanto relacionados com stress proteotóxico. Sabe-se agora que o mecanismo de toxicidade do crómio está associado à diminuição da fidelidade de tradução e à agregação de proteínas com malformações que destabilizam a sua estrutura terciária. Desta forma, é possível que os efeitos do stress ambiental ao nível da degeneração celular possam estar relacionados com a alteração da integridade da maquinaria da tradução. Neste estudo procedeu-se a uma avaliação alargada do impacto do stress ambiental na fidelidade da síntese de proteínas, utilizando S. cerevisiae como um sistema modelo. Para isso recorreu-se a repórteres policistrónicos de luciferase que permitiram quantificar especificamente a supressão de codões de terminação e o erro na leitura do codão AUG em células exposta a concentações não letais de metais pesados, etanol, cafeína e H2O2. Os resultados sugerem que a maquinaria de tradução é na generalidade muito resistente ao stress ambiental, devido a uma conjugação de mecanismos de homeostase que muito eficientemente antagonizam o impacto negativo dos erros de tradução. A nossa abordagem quantitativa permitiu-nos a identificar genes regulados por uma resposta programada ao stress ambiental que são também essenciais para mitigar a ocorrência de erros de tradução, nomeadamente, HSP12, HSP104 e RPN4. A exposição prolongada ao stress ambiental conduz à saturação dos mecanismos de homeostase, contribuindo para a acumulação de proteínas contendo erros de tradução e diminuindo a disponibilidade de proteínas funcionais directamente envolvidas na manutenção da fidelidade de tradução e integridade celular. Ao contrário de outras Hsps, a Hsp12p adopta normalmente uma localização membranar em condições de stress, que pode modular a fluidez e estabilidade membranar, sugerindo que a membrana plasmática é um alvo preferencial da perda de fidelidade da tradução. Para melhor compreender as respostas celulares aos erros de tradução, células contendo deleções em genes codificadores das Hsps foram transformadas com tRNAs mutantes que introduzem alterações no proteoma. Os nossos resultados demonstram que para além da resposta geral ao stress, estes tRNAs induzem alterações a nível do metabolismo celular e um aumento de aminoacilação com Metionina em vários tRNAs, sugerindo um mecanismo de protecção contra espécies reactivas de oxigénio. Em conclusão, este estudo sugere um papel para os erros de tradução na gestão de recursos energéticos e na adaptação das células a ambientes desfavoráveis.

Blast-wave absorption capacity of sandwich structures incorporating cellular materials

A incorporação de materiais absorsores de energia (AE) em sistemas de protecção é uma clara possibilidade de melhoraria do seu desempenho, devido à elevada relação entre a sua resistência e o seu peso, e a excelente capacidade para absorverem energia quando solicitados dinamicamente. As propriedades mecânicas da cortiça (e.g. a baixa densidade e a elevada rigidez e resistência específicas) sugerem que este material — assim como os seus derivados — podem apresentar propriedades excelentes quando aplicados como núcleos em sistemas AE do tipo estrutura sanduíche. Esta dissertação engloba trabalho experimental e numérico. O primeiro conjunto de testes experimentais consistiu na caracterização experimental dinâmica (ondas de choque de explosivos) do comportamento de dois micra aglomerados de cortiça (MAC), NL20 e TB40. Um pendulo balístico de 4 cabos foi usado para a medição do impulso transmitido a uma amostra de MAC impactada por uma onda de choque com origem na detonação de um explosivo energético. Foi registado o movimento do pêndulo e os valores de força resultantes. Um modelo numérico do problema recorrendo ao método dos elementos finitos (MEF) foi também desenvolvido, apresentando uma elevada correlação com a análise experimental, permitindo assim o desenvolvimento de um modelo constitutivo adequado à modelação do comportamento dinâmico dos MAC neste tipo de solicitações. Na segunda fase de testes experimentais, os MAC testados anteriormente são incorporados como núcleos em estruturas sanduíche com faces de alumínio (liga 5754-H22). Foram medidos os valores de defleção e o impulso transmitido ao pêndulo através do movimento oscilatório. São determinados os efeitos da densidade e da espessura dos núcleos na resposta estrutural do sistema. Também neste caso foi desenvolvido um modelo recorrendo ao MEF e posteriormente validado com resultados experimentais.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Caracterização experimental e modelação numérica de espumas metálicas

As espumas de alumínio são materiais ultraleves, o que as torna atractivas para um largo espectro de aplicações comerciais na área da defesa, na indústria automóvel e aeroespacial, entre outras. Actualmente, há um grande interesse na utilização de espumas de alumínio em componentes estruturais ultraleves, incorporados em sistemas de absorção de energia para protecção contra o impacto. O recurso à simulação numérica para resolver problemas de engenharia em várias áreas é cada vez mais comum. A modelação numérica dos materiais assume vital importância quando o problema envolve a análise de processos tecnológicos como, por exemplo, a conformação plástica de materiais, ou a análise de estruturas. Deste modo, torna-se imprescindível garantir que a modelação dos materiais é de tal forma rigorosa que permite simular o melhor possível o seu comportamento real nas condições concretas da análise a realizar. A forma mais comum de garantir o rigor dos modelos utilizados é a validação dos modelos numéricos tendo por base resultados experimentais. Neste trabalho, fez-se a caracterização do comportamento mecânico das espumas de alumínio com nome comercial ALPORAS!, obtidas pelo processo de fabrico denominado expansão directa do metal fundido por adição de um agente expansor. Esta caracterização consistiu num conjunto de ensaios experimentais quer no regime quasi-estático, quer no regime dinâmico. No regime quasi-estático realizaram-se ensaios de compressão uniaxial e de compressão multiaxial. Para a caracterização no regime dinâmico foram realizados ensaios em barras de Hopkinson de polimetil-metacrilato (PMMA). Com base nos resultados experimentais obtidos determinaram-se os parâmetros dos dois modelos constitutivos para espumas metálicas implementados no programa comercial Abaqus™/Explicit. Estes modelos, e os respectivos parâmetros determinados, foram validados reproduzindo numericamente alguns ensaios experimentais quasi-estáticos e dinâmicos. Assim, verificou-se a adequabilidade dos modelos em diversas condições quer em termos de esforços quer em termos de regime de taxa de deformação Por último, desenvolveu-se uma estrutura inovadora para absorção de energia durante um impacto, constituída por componentes perfilados em liga de alumínio e por componentes em espumas de alumínio. Esta estrutura foi testada exclusivamente com recurso à simulação numérica, utilizando os modelos constitutivos validados anteriormente.