Biochemical and structural characterization of β-lactamases tem-180 and tem-201

With the constant development of new antibiotics, selective pressure is a force to reckon when investigating antibiotic resistance. Although advantageous for medical treatments, it leads to increasing resistance. It is essential to use more potent and toxic antibiotics. Enzymes capable of hydrolyzing antibiotics are among the most common ways of resistance and TEM variants have been detected in several resistant isolates. Due to the rapid evolution of these variants, complex phenotypes have emerged and the need to understand their biological activity becomes crucial. To investigate the biochemical properties of TEM-180 and TEM-201 several computational methodologies have been used, allowing the comprehension of their structure and catalytic activity, which translates into their biological phenotype. In this work we intent to characterize the interface between these proteins and the several antibiotics used as ligands. We performed explicit solvent molecular dynamics (MD) simulations of these complexes and studied a variety of structural and energetic features. The interfacial residues show a distinct behavior when in complex with different antibiotics. Nevertheless, it was possible to identify some common Hot Spots among several complexes – Lys73, Tyr105 and Glu166. The structural changes that occur during the Molecular Dynamic (MD) simulation lead to the conclusion that these variants have an inherent capacity of adapting to the various antibiotics. This capability might be the reason why they can hydrolyze antibiotics that have not been described until now to be degraded by TEM variants. The results obtained with computational and experimental methodologies for the complex with Imipenem have shown that in order to this type of enzymes be able to acylate the antibiotics, they need to be capable to protect the ligand from water molecules.

ß-lactamases in the biochemistry and molecular biology laboratory

β-lactamases are hydrolytic enzymes that inactivate the β-lactam ring of antibiotics such as penicillins and cephalosporins. The major diversity of studies carried out until now have mainly focused on the characterization of β-lactamases recovered among clinical isolates of Gram-positive staphylococci and Gram-negative enterobacteria, amongst others. However, only some studies refer to the detection and development of β-lactamases carriers in healthy humans, sick animals, or even in strains isolated from environmental stocks such as food, water, or soils. Considering this, we proposed a 10-week laboratory programme for the Biochemistry and Molecular Biology laboratory for majors in the health, environmental, and agronomical sciences. During those weeks, students would be dealing with some basic techniques such as DNA extraction, bacterial transformation, polymerase chain reaction (PCR), gel electrophoresis, and the use of several bioinformatics tools. These laboratory exercises would be conducted as a mini research project in which all the classes would be connected with the previous ones. This curriculum was compared in an experiment involving two groups of students from two different majors. The new curriculum, with classes linked together as a mini research project, was taught to a major in Pharmacy and an old curriculum was taught to students from environmental health. The results showed that students who were enrolled in the new curriculum obtained better results in the final exam than the students who were enrolled in the former curriculum. Likewise, these students were found to be more enthusiastic during the laboratory classes than those from the former curriculum.

Metal accumulation and oxidative stress biomarkers in octopus (Octopus vulgaris) from Northwest Atlantic

Metals are ubiquitous in the environment and accumulate in aquatic organisms and are known for their ability to enhance the production of reactive oxygen species (ROS). In aquatic species, oxidative stress mechanisms have been studied by measuring antioxidant enzyme activities and oxidative damages in tissues. The aim of this study was to apply and validate a set of oxidative stress biomarkers and correlate responses with metal contents in tissues of common octopus (Octopus vulgaris). Antioxidant enzyme activity (catalase — CAT, superoxide dismutase — SOD and glutathione S-transferases — GST), oxidative damages (lipid peroxidation — LPO and protein carbonyl content — PCO) andmetal content (Cu, Zn, Pb, Cd and As) in the digestive gland and armof octopus, collected in the NWPortuguese coast in different periods, were assessed after capture and after 14 days in captivity. CAT and SOD activitieswere highly responsive to fluctuations inmetal concentrations and able to reduce oxidative damage, LPO and PCO in the digestive gland. CAT activity was also positively correlated with SOD and GST activities, which emphasizes that the three enzymes respond in a coordinated way to metal induced oxidative stress. Our results validate the use of oxidative stress biomarkers to assess metal pollution effects in this ecological and commercial relevant species.Moreover, octopus seems to have the ability to control oxidative damage by triggering an antioxidant enzyme coordinated response in the digestive gland.

Desenvolvimento de processo de depilação de pele caprina sem destruição do pêlo e avaliação do seu impacto ambiental

O meio ambiente é uma grande preocupação mundial existindo cada vez mais imposições legais no sentido de o proteger. Torna-se assim necessário que as indústrias adoptem e desenvolvam processos alternativos mais limpos. A indústria de curtumes transforma a pele animal em couro, material resistente à putrefacção e com estabilidade térmica suficiente para ser manufacturado nas indústrias do calçado, estofos, vestuário e marroquinaria. A transformação referida é efectuada através duma série de processos entre os quais o caleiro, processo que visa depilar a pele e promover o relaxamento da estrutura fibrilar, tem um papel importante. O processo de caleiro produz um efluente bastante poluente. Tendo em conta esse facto, este trabalho teve como objectivo desenvolver processos de depilação de pele caprina sem destruição do pêlo, com vista à redução da quantidade de sulfureto e sulfidrato de sódio utilizada e da carga poluente do efluente. Além disso, o processo permite a recuperação do pêlo e este pode ser reaproveitado como fertilizante orgânico, hidrolisado de queratina, compostagem, etc. Todo o trabalho foi realizado tomando por base um processo de caleiro padrão utilizado industrialmente, alterando-o de forma a obter um processo de caleiro óptimo de depilação sem destruição do pêlo com e sem utilização de enzimas. Numa primeira fase, desenvolveu-se um processo de depilação sem destruição do pêlo normalmente utilizado para a pele de bovino que foi adaptado com resultados positivos, designado de processo sem enzimas. Numa segunda fase, desenvolveu-se um processo enzimático em que se utilizou uma protease (Erhavit DMC), uma lipase (Defat 50) e uma amilase (Mayzme SD-L); este processo deu bons resultados tal como o anterior. A redução da quantidade de sulfureto de sódio foi de 33% e 53% para o processo sem enzimas e processo com enzimas, respectivamente, em relação ao processo padrão. O efeito dos processos na carga poluente, à escala piloto, comprova uma redução de 37% nos SST, 37% nos SDT, 60% na CQO, 9% no S2- e 73% no Azoto para o processo sem enzimas e uma redução de 93% nos SST, 63% nos SDT, 69% na CQO, 69% no S2- e 83% no Azoto para o processo com enzimas, quando comparados com o processo padrão. . Uma análise de custos, com incidência apenas nos agentes químicos utilizados, permitiu concluir a existência de uma redução de custos anuais de 30% para o processo com enzimas e de 13% para o processo sem enzimas, quando comparados com o processo padrão. Como conclusão, os processos desenvolvidos apresentam um grande potencial para serem explorados industrialmente.

Sistema sem fios para controlo de iluminação decorativa

Este projecto surgiu no contexto da solicitação de um dos clientes da empresa Castros Iluminações que pretendia um sistema de iluminação decorativa (baseada em LED) de dois conjuntos de 288 janelas, pertencendo cada conjunto a uma fachada diferente do edifício. Este sistema teria que prever a possibilidade de controlar a cor de cada janela individualmente, dando ao cliente a possibilidade de alterar o ambiente decorativo das fachadas do edifício. A utilização de comunicação sem fios foi justificada pela necessidade de evitar a quantidade enorme de cabos que seria necessário passar utilizando os sistemas comerciais convencionais e a impossibilidade de os esconder. Esta solução foi pensada para ser implementada num edifício com 14 Andares, facto que por si só inviabiliza a passajem de cabos. Para interligar todos os dispositivos de iluminação decorativa com um controlador portátil, e eliminar os problemas ligados à cablagem, foi utilizado o protocolo de comunicações sem fios ZigBee™. A escolha recaiu neste protocolo devido a factores como os seus baixos consumos, simplicidade do protocolo comparativamente com outras redes e o seu baixo custo. No desenvolvimento deste projecto foi utilizada a stack da Microchip©, versão gratuita, disponibilizada na internet e os seus transceivers de comunicação Zigbee™, MRF24j40MA. Para fazer a interface de comunicação com o utilizador, foi desenvolvida uma aplicação de Software para correr em computadores com ambiente Windows™. Esta aplicação foi desenvolvida em Visual Studio™ utilizando a linguagem C#. Foram efectuados alguns testes para se perceber a eficiência e robustez da comunicação ZigBee™ e apesar do número de dispositivos disponíveis para ensaios ser muito reduzido, foi possível verificar que, mesmo funcionando correctamente, o desempenho do sistema poderá ser melhorado, quer seja a nível da gestão das comunicações, quer a nível do software informático para controlo do ambiente decorativo das fachadas do edifício. O sistema, no actual estado de desenvolvimento, permite controlar a cor dos vários dispositivos da rede através do computador, com uma resolução de 24bits. A aplicação desenvolvida em Visual Studio™ permite controlar de forma simples e intuitiva para o utilizador, a cor do material iluminativo dos vários dispositivos da rede.

Levantamento, reparação e beneficiação do simulador TERCO PST 2200 do Laboratório de Sistemas de Energia do ISEP

Este trabalho é baseado no simulador de redes PST2200 do Laboratório de Sistemas de Energia (LSE) pois está avariado com vários problemas conhecidos, designadamente: - Defeito de isolamento (disparo de diferencial), - Desregulação da velocidade da máquina primária (motor DC), - Circuito de excitação da máquina síncrona inoperacional, - Inexistência de esquemas elétricos dos circuitos do simulador, - Medidas desreguladas e com canais de medida com circuito impresso queimado. O trabalho executado foi: - O levantamento e desenho de raiz (não existe qualquer manual) dos esquemas dos 10 módulos do simulador, designadamente naqueles com avaria ou com desempenho problemático a fim de que se possa ter uma visão mais pormenorizada dos circuitos e seus problemas, por forma a intervir para os minimizar e resolver, - Foi realizado o diagnóstico de avaria do simulador e foram propostas soluções para os mesmos, - Realizaram-se as intervenções propostas e aprovadas. Nas intervenções realizadas, os princípios orientadores foram: - Aumentar a robustez do equipamento por forma a garantir a sua integridade a utilizações menos apropriados e manobras 'exóticas' próprias de alunos, que pela sua condição, estão em fase de aprendizagem, - Atualizar o equipamento, colocando-o em sintonia com o 'estado da arte', - Como fator de valorização suplementar, foi concebida e aplicada a supervisão remota do funcionamento do simulador através da rede informática. Foram detetados inúmeros erros: - Má ligação do motor de corrente continua ao variador, resultando a falta de controlo da frequência da rede do sistema, - Ligações entre painéis trocadas resultando em avarias diversas das fontes de alimentação, - Cartas eletrónicas de medidas avariadas e que além de se reparar, foram também calibradas. Devido ao mecenato da empresa Schnitt + Sohn participando monetariamente, fez-se o projeto de alteração e respetiva execução de grande parte do simulador aumentando a fiabilidade do mesmo, diminuindo assim a frequência das avarias naturais mais as que acontecem involuntariamente devido a este ser um instrumento didático. Além do trabalho elétrico, foi feito muito trabalho de chaparia para alteração de estrutura e suporte do material com diferenças de posicionamento. Neste trabalho dá-se também alguns exemplos de cálculo e simulação das redes de transporte que se pode efetuar no simulador como estudo e simulação de avarias num sistema produtivo real. Realizou-se a monitorização de dois aparelhos indicadores de parâmetros de energia (Janitza UMG96S) através duma rede com dois protocolos ethernet e profibus utilizando o plc (Omron CJ2M) como valorização do trabalho.

Ligand-Induced structural changes in TEM‑1 probed by molecular dynamics and relative binding free energy calculations

The TEM family of enzymes has had a crucial impact on the pharmaceutical industry due to their important role in antibiotic resistance. Even with the latest technologies in structural biology and genomics, no 3D structure of a TEM- 1/antibiotic complex is known previous to acylation. Therefore, the comprehension of their capability in acylate antibiotics is based on the protein macromolecular structure uncomplexed. In this work, molecular docking, molecular dynamic simulations, and relative free energy calculations were applied in order to get a comprehensive and thorough analysis of TEM-1/ampicillin and TEM-1/amoxicillin complexes. We described the complexes and analyzed the effect of ligand binding on the overall structure. We clearly demonstrate that the key residues involved in the stability of the ligand (hot-spots) vary with the nature of the ligand. Structural effects such as (i) the distances between interfacial residues (Ser70−Oγ and Lys73−Nζ, Lys73−Nζ and Ser130−Oγ, and Ser70−Oγ−Ser130−Oγ), (ii) side chain rotamer variation (Tyr105 and Glu240), and (iii) the presence of conserved waters can be also influenced by ligand binding. This study supports the hypothesis that TEM-1 suffers structural modifications upon ligand binding.

Levantamento elétrico e análise de equipamento para acabamento térmico e químico de telas para pneus

Esta dissertação surge da necessidade da empresa Continental - Indústria Têxtil do Ave S.A. – grupo Continental Mabor atualizar os esquemas elétricos de uma máquina para acabamento térmico e químico de telas para pneus. Esta máquina (Zell) é crucial no seu processo produtivo e foi ao longo dos anos sofrendo sucessivas atualizações no sentido de melhorar o seu processo de produção. Existiam já, esquemas elétricos da máquina realizados em EPLAN no entanto não foram acompanhando as sucessivas alterações sofridas pela mesma. Deste modo, torna-se assim necessário não só produzir um suporte digital desses mesmos esquemas como também proceder à sua atualização. Ao longo desta dissertação o leitor pode obter informações relativas à Zell e ao processo de análise, estudo e documentação dos seus quadros elétricos em software EPLAN Electric P8. São ainda abordadas técnicas de leitura e desenho em EPLAN e descritas algumas das funcionalidade que este permite. É abordada a base de dados criada com informações relativas à máquina tais como características dos seus motores, variadores de frequência e localização dos quadros elétricos ao longo dos pisos que a compõe. No âmbito desta dissertação foi redigido o “Manual da Máquina de Impregnar Zell” e neste relatório abordam-se os principais tópicos que o compõe. Com a atualização dos esquemas tornou-se necessário proceder à identificação de diversos componentes na máquina. Esse processo de identificação é também aqui retratado. O leitor pode por fim obter informações de como realizar um processo de troca de variadores de frequência da marca ABB de diferentes gamas tendo em consideração as ligações em causa para o fazer. Pretende-se assim que o leitor fique com uma noção geral das diferentes vertentes que foram abordadas neste trabalho realizado sob a forma de um estágio com duração de seis meses no seio desta indústria.

Proteomic analysis of the influence of the adipocyte secretome on Glioma Gl261 cells

Glioma is the most frequent form of malignant brain tumor in the adults and childhood. There is a global tendency toward a higher incidence of gliomas in highly developed and industrialized countries. Simultaneously obesity is reaching epidemic proportions in such developed countries. It has been highly accepted that obesity may play an important role in the biology of several types of cancer. We have developed an in vitro method for the understanding of the influence of obesity on glioma mouse cells (Gl261). 3T3-L1 mouse pre-adipocytes were induced to the maturity. The conditioned medium was harvested and used into the Gl261 cultures. Using two-dimension electrophoresis it was analyzed the proteome content of Gl261 in the presence of conditioned medium (CGl) and in its absence (NCGl). The differently expressed spots were collected and analyzed by means of mass spectroscopy (MALDI-TOF-MS). Significantly expression pattern changes were observed in eleven proteins and enzymes. RFC1, KIF5C, ANXA2, N-RAP, RACK1 and citrate synthase were overexpressed or only present in the CGl. Contrariwise, STI1, hnRNPs and phosphoglycerate kinase 1 were significantly underexpressed in CGl. Aldose reductase and carbonic anhydrase were expressed only in NCGl. Our results show that obesity remodels the physiological and metabolic behavior of glioma cancer cells. Also, proteins found differently expressed are implicated in several signaling pathways that control matrix remodeling, proliferation, progression, migration and invasion. In general our results support the idea that obesity may increase glioma malignancy, however, some interesting paradox finding were also reported and discussed.

Sensitive bi-enzymatic biosensor based on polyphenoloxidases–gold nanoparticles–chitosan hybrid film–graphene doped carbon paste electrode for carbamates detection

A bi-enzymatic biosensor (LACC–TYR–AuNPs–CS/GPE) for carbamates was prepared in a single step by electrodeposition of a hybrid film onto a graphene doped carbon paste electrode (GPE). Graphene and the gold nanoparticles (AuNPs) were morphologically characterized by transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, dynamic light scattering and laser Doppler velocimetry. The electrodeposited hybrid film was composed of laccase (LACC), tyrosinase (TYR) and AuNPs entrapped in a chitosan (CS) polymeric matrix. Experimental parameters, namely graphene redox state, AuNPs:CS ratio, enzymes concentration, pH and inhibition time were evaluated. LACC–TYR–AuNPs–CS/GPE exhibited an improved Michaelis–Menten kinetic constant (26.9 ± 0.5 M) when compared with LACC–AuNPs–CS/GPE (37.8 ± 0.2 M) and TYR–AuNPs–CS/GPE (52.3 ± 0.4 M). Using 4-aminophenol as substrate at pH 5.5, the device presented wide linear ranges, low detection limits (1.68×10− 9 ± 1.18×10− 10 – 2.15×10− 7 ± 3.41×10− 9 M), high accuracy, sensitivity (1.13×106 ± 8.11×104 – 2.19×108 ± 2.51×107 %inhibition M− 1), repeatability (1.2–5.8% RSD), reproducibility (3.2–6.5% RSD) and stability (ca. twenty days) to determine carbaryl, formetanate hydrochloride, propoxur and ziram in citrus fruits based on their inhibitory capacity on the polyphenoloxidases activity. Recoveries at two fortified levels ranged from 93.8 ± 0.3% (lemon) to 97.8 ± 0.3% (orange). Glucose, citric acid and ascorbic acid do not interfere significantly in the electroanalysis. The proposed electroanalytical procedure can be a promising tool for food safety control.

Evolution of Drug Resistance: Insight on TEM -Lactamases Structure and Activity and Beta-Lactam Antibiotics

Extended-spectrum β-lactamases (ESBLs) prevalence was studied in the north of Portugal, among 193 clinical isolates belonging to citizens in a district in the boundaries between this country and Spain from a total of 7529 clinical strains. In the present study we recovered some members of Enterobacteriaceae family, producing ESBL enzymes, including Escherichia coli (67.9%), Klebsiella pneumoniae (30.6%), Klebsiella oxytoca (0.5%), Enterobacter aerogenes (0.5%), and Citrobacter freundii (0.5%). β-lactamases genes blaTEM, blaSHV, and blaCTX-M were screened by polymerase chain reaction (PCR) and sequencing approaches. TEM enzymes were among the most prevalent types (40.9%) followed by CTX-M (37.3%) and SHV (23.3%). Among our sample of 193 ESBL-producing strains 99.0% were resistant to the fourth-generation cephalosporin cefepime. Of the 193 isolates 81.3% presented transferable plasmids harboring genes. Clonal studies were performed by PCR for the enterobacterial repetitive intragenic consensus (ERIC) sequences. This study reports a high diversity of genetic patterns. Ten clusters were found for E. coli isolates and five clusters for K. pneumoniae strains by means of ERIC analysis. In conclusion, in this country, the most prevalent type is still the TEM-type, but CTX-M is growing rapidly.

Estudo da influência de variáveis do processo de corte em ‘wafers’ para semicondutores nas avarias eléctricas devidas a ‘curling’

Mestrado em Engenharia Mecânica - Materiais e Tecnologias de Fabrico

Effects of storage, processing and proteolytic digestion on microcystin-LR concentration in edible clams

Accumulation of microcystin-LR (MC-LR) in edible aquatic organisms, particularly in bivalves, is widely documented. In this study, the effects of food storage and processing conditions on the free MC-LR concentration in clams (Corbicula fluminea) fed MC-LR-producing Microcystisaeruginosa (1 × 105 cell/mL) for four days, and the bioaccessibility of MC-LR after in vitro proteolytic digestion were investigated. The concentration of free MC-LR in clams decreased sequentially over the time with unrefrigerated and refrigerated storage and increased with freezing storage. Overall, cooking for short periods of time resulted in a significantly higher concentration (P < 0.05) of free MC-LR in clams, specifically microwave (MW) radiation treatment for 0.5 (57.5%) and 1 min (59%) and boiling treatment for 5 (163.4%) and 15 min (213.4%). The bioaccessibility of MC-LR after proteolytic digestion was reduced to 83%, potentially because of MC-LR degradation by pancreatic enzymes. Our results suggest that risk assessment based on direct comparison between MC-LR concentrations determined in raw food products and the tolerable daily intake (TDI) value set for the MC-LR might not be representative of true human exposure.

Evolution of Drug Resistance: Insight on TEM β-Lactamases Structure and Activity and β-Lactam Antibiotics

Since the discovery of the first penicillin bacterial resistance to β-lactam antibiotics has spread and evolved promoting new resistances to pathogens. The most common mechanism of resistance is the production of β-lactamases that have spread thorough nature and evolve to complex phenotypes like CMT type enzymes. New antibiotics have been introduced in clinical practice, and therefore it becomes necessary a concise summary about their molecular targets, specific use and other properties. β-lactamases are still a major medical concern and they have been extensively studied and described in the scientific literature. Several authors agree that Glu166 should be the general base and Ser70 should perform the nucleophilic attack to the carbon of the carbonyl group of the β-lactam ring. Nevertheless there still is controversy on their catalytic mechanism. TEMs evolve at incredible pace presenting more complex phenotypes due to their tolerance to mutations. These mutations lead to an increasing need of novel, stronger and more specific and stable antibiotics. The present review summarizes key structural, molecular and functional aspects of ESBL, IRT and CMT TEM β-lactamases properties and up to date diagrams of the TEM variants with defined phenotype. The activity and structural characteristics of several available TEMs in the NCBI-PDB are presented, as well as the relation of the various mutated residues and their specific properties and some previously proposed catalytic mechanisms.

BIiossensor Enzimático para avaliação da Capacidade Antioxidente

Os radicais livres formam-se naturalmente nos organismos vivos, pois a sua produção/geração está interligada com o processo de produção de energia (respiração), processos inflamatórios (fagocitose), regulação do crescimento celular, sinalização intercelular e síntese de substâncias biológicas relevantes. Estes também podem ser introduzidos por vias exógenas (poluição, radiação, tabaco, alimentação, etc). Os radicais livres têm capacidade de reagir com o material nucleico (ADN e ARN), proteínas e substâncias oxidáveis, causando danos oxidativos responsáveis pelo envelhecimento e originar doenças degenerativas, tais como, o cancro, arteriosclerose, artrite reumatoide, entre outras. De forma a combater os efeitos pejorativos provocados pelos radicais, os organismos vivos desenvolveram complexos sistemas de defesa antioxidante. Estes sistemas são constituídos por antioxidantes endógenos, produzidos pelos seres vivos, tais como enzimas ou por antioxidantes exógenos obtidos por via da alimentação (por exemplo o ácido ascórbico). Neste sentido, um antioxidante tem capacidade de eliminar ou reduzir a propagação da cadeia de geração de radicais livres. Neste trabalho foi desenvolvido um biossensor enzimático para a quantificação da capacidade antioxidante total de matrizes alimentares. A construção deste biossensor consistiu na eletroimobilização da adenina no elétrodo de pasta de carbono (EPC) ou na adsorção física da dA20 na superfície do EPC. O dano oxidativo foi induzido pelo radical hidroxilo gerado pela reação de Fenton. Nesta dissertação, foi estudada a capacidade de alguns antioxidantes em eliminar o efeito pejorativo dos radicais livres e combater a integridade das bases de adenina ou do dA20.Os antioxidantes estudados foram o ácido ascórbico e alguns ácidos fenólicos como o ácido hidroxibenzoico (ácido gálico) e ácidos hidroxicinâmicos (ácido cafeico e ácido cumárico). Estes antioxidantes têm a capacidade de neutralizar o radical hidroxilo e proteger a adenina/dA20 imobilizado na superfície do EPC. O comportamento da Lacase foi estudado na presença do ácido gálico e do ácido ascórbico. Os estudos eletroquímicos foram realizados através da voltametria de onda quadrada (VOQ), sendo que a interação entre a adenina/ou o dA20 imobilizada na superfície do EPC e os radicais livres na ausência e presença de antioxidantes foi avaliada por meio de mudanças no pico anódico produzido pela oxidação da adenina /dA20. Os resultados demonstraram que estes biossensores permitem a avaliação da capacidade antioxidante total em águas aromatizadas.