Yeast resistance and its reversion

Actualmente, a resistência a drogas é um dos grandes problemas na terapia de diferentes patologias e também na biotecnologia e agricultura. O objectivo do presente estudo foi elucidar a resistência a drogas em leveduras patogénicas ou alimentares, que mais frequentemente são encontradas. Assim, diferentes antifungicos clínicos e novos compostos recentemente sintetizados foram testados por um método para avaliar a resistência e sua reversão que foi previamente desenvolvido. Foi testado um painel de diferentes drogas para reverter a resistência. Mostramos que alguns destes moduladores foram capazes de reverter eficazmente a resistência.

Control of baker’s yeast fermentation: PID and fuzzy algorithms

A MATLAB/SIMULINK-based simulator was employed for studies concerning the control of baker’s yeast fed-batch fermentation. Four control algorithms were implemented and compared: the classical PID control, two discrete versions- modified velocity and position algorithms, and a fuzzy law. The simulation package was seen to be an efficient tool for the simulation and tests of control strategies of the nonlinear process.

Mitochondria are the main source and one of the targets of Pb (lead)-induced oxidative stress in the yeast Saccharomyces cerevisiae

The yeast Saccharomyces cerevisiae is a useful model organism for studying lead (Pb) toxicity. Yeast cells of a laboratory S. cerevisiae strain (WT strain) were incubated with Pb concentrations up to 1,000 μmol/l for 3 h. Cells exposed to Pb lost proliferation capacity without damage to the cell membrane, and they accumulated intracellular superoxide anion (O2 .−) and hydrogen peroxide (H2O2). The involvement of the mitochondrial electron transport chain (ETC) in the generation of reactive oxygen species (ROS) induced by Pb was evaluated. For this purpose, an isogenic derivative ρ0 strain, lacking mitochondrial DNA, was used. The ρ0 strain, without respiratory competence, displayed a lower intracellular ROS accumulation and a higher resistance to Pb compared to the WT strain. The kinetic study of ROS generation in yeast cells exposed to Pb showed that the production of O2 .− precedes the accumulation of H2O2, which is compatible with the leakage of electrons from the mitochondrial ETC. Yeast cells exposed to Pb displayed mutations at the mitochondrial DNA level. This is most likely a consequence of oxidative stress. In conclusion, mitochondria are an important source of Pb-induced ROS and, simultaneously, one of the targets of its toxicity.

The transport of carboxylic acids and important role of the Jen1p transporter during the development of yeast colonies

On solid substrates, yeast colonies pass through distinct developmental phases characterized by the changes in pH of their surroundings from acidic to nearly alkaline and vice versa. At the beginning of the alkali phase colonies start to produce ammonia, which functions as a quorum-sensing molecule inducing the reprogramming of cell metabolism. Such reprogramming includes, among others, the activation of several plasma membrane transporters and is connected with colony differentiation. In the present study, we show that colony cells can use two transport mechanisms to import lactic acid: a ‘saturable’ component of the transport, which requires the presence of a functional Jen1p transporter, and a ‘non-saturable’ component (diffusion) that is independent of Jen1p. During colony development, the efficiency of both transport components changes similarly in central and outer colonial cells. Although the lactate uptake capacity of central cells gradually decreases during colony development, the lactate uptake capacity of outer cells peaks during the alkali phase and is also kept relatively high in the second acidic phase. This lactate uptake profile correlates with the localization of the Jen1p transporter to the plasma membrane of colony cells. Both lactic acid uptake mechanisms are diminished in sok2 colonies where JEN1 expression is decreased. The Sok2p transcription factor may therefore be involved in the regulation of non-saturable lactic acid uptake in yeast colonies.

Impact of multi-metals (Cd, Pb and Zn) exposure on the physiology of the yeast Pichia kudriavzevii

Metal contamination of the environment is frequently associated to the presence of two or more metals. This work aimed to study the impact of a mixture of metals (Cd, Pb and Zn) on the physiology of the non-conventional yeast Pichia kudriavzevii. The incubation of yeast cells with 5 mg/l Cd, 10 mg/l Pb and 5 mg/l Zn, for 6 h, induced a loss of metabolic activity (assessed by FUN-1 staining) and proliferation capacity (evaluated by a clonogenic assay), with a small loss of membrane integrity (measured by trypan blue exclusion assay). The staining of yeast cells with calcofluor white revealed that no modification of chitin deposition pattern occurred during the exposure to metal mixture. Extending for 24 h, the exposure of yeast cells to metal mixture provoked a loss of membrane integrity, which was accompanied by the leakage of intracellular components. A marked loss of the metabolic activity and the loss of proliferation capacity were also observed. The analysis of the impact of a single metal has shown that, under the conditions studied, Pb was the metal responsible for the toxic effect observed in the metal mixture. Intracellular accumulation of Pb seems to be correlated with the metals' toxic effects observed.

Improvement of the yeast slide culture technique

Este trabalho tem como objetivo melhorar a técnica de cultura em lâmina para ser usada na avaliação da viabilidade de leveduras sob diferentes condições fisiológicas. Inicialmente, foram otimizadas as condições ideais para o cultivo em lâmina de uma estirpe laboratorial (BY4741) e de uma estirpe industrial (NCYC 1214) da levedura Saccharomyces cerevisiae. O melhor protocolo foi obtido utilizando: YEPD agar com uma espessura de cerca de 2 mm; 20 μL de uma suspensão de 1 x 105 células/mL para a estirpe BY4741 ou de 5 x 104 células/mL para a estirpe NCYC 1214; uma câmara de humedecimento com 100 μL de água desionizada e um tempo de incubação de 24 h, a 25 ° C. Com o objetivo de facilitar a contagem das microcolónias, foi adicionado um corante (calcofluor white, CFW) ao meio YEPD agar. Ensaios preliminares, em YEPD líquido, contendo diferentes concentrações de CFW, permitiram verificar que o corante, até 5,0 μg/L, não inibe o crescimento da levedura. Uma concentração de 2,5 μg/L de CFW permitiu a coloração da parede das leveduras, não se observando células com morfologia alterada, sendo esta a concentração de CFW selecionado nos estudos subsequentes. A técnica de cultura em lâmina, com ou sem CFW, foi aplicada para avaliar a viabilidade de células saudáveis (células em fase exponencial de crescimento), células submetidas a stress de etanol [células expostas a 20% (v/v) de etanol, a 25 ºC, durante 2 h] e células envelhecidas (células incubadas em água, a 25 ° C, durante 48 h), da estirpe laboratorial. A percentagem de células viáveis não foi significativamente diferente entre as duas técnicas (com ou sem CFW), após uma incubação de 24 horas. Finalmente, a técnica de cultura de lâmina, contendo CFW, foi comparada com duas técnicas habitualmente usadas na indústria cervejeira: fermentação de curta duração e determinação da percentagem de células gemuladas. Os resultados obtidos através da técnica de cultura de lâmina, desenvolvida, seguem um padrão similar aos obtidos nos ensaios de fermentação de curta duração e aos da determinação da percentagem de células gemuladas. Os resultados obtidos sugerem que a técnica de cultura em lâmina, combinada com CFW, parece ser uma alternativa, fácil, rápida (em 24 h) e reprodutível, relativamente ao método convencional (técnica de plaqueamento), para a avaliação da viabilidade de células de levedura. Deverá ser realizado trabalho adicional a fim de validar o método com estirpes industriais.

Bioatividade da quinoxalina 1,4-dióxido e seus derivados

O objetivo deste estudo consiste em avaliar a atividade antimicrobiana da quinoxalina 1,4-dióxido e alguns dos seus derivados em estirpes bacterianas e leveduras. Os compostos estudados foram a quinoxalina 1,4-dióxido (QNX), 2-metilquinoxalina-1,4-dióxido (2MQNX), 2-metil-3-Benzoilquinoxalina-1,4-dióxido (2M3BenzoilQNX), 2-metil-3-benzilquinoxalina-1,4-dióxido (2M3BQNX), 2-amino-3-cianoquinoxalina-1,4-dióxido (2A3CQNX), 3-metil-2-quinoxalinacarboxamida-1,4-dióxido (3M2QNXC), 2-hidroxifenazina–N-dióxido (2HF) e 3-metil-N-(2-metilphenil)quinoxalinacarboxamida-1,4-dioxido (3MN(2MF)QNXC). Os modelos procariotas selecionados para este estudo foram o Staphylococcus aureus ATCC 6538, Staphylococcus aureus ATCC 6538P, Staphylococcus aureus ATCC 29213, Escherichia coli ATCC 25922, Escherichia coli S3R9, Escherichia coli S3R22, Escherichia coli TEM CTX-M9, Escherichia coli TEM-1, Escherichia coli AmpC MOX-2, Escherichia coli CTX-M2 e Escherichia coli CTX-M9. A Candida albicans ATCC 10231 e a Saccharomyces cerevisiae PYCC 4072 constituíram os modelos eucariotas deste estudo. Para os compostos químicos que apresentem atividade pelo método de difusão em disco, será determinada a Concentração Mínima Inibitória (CMI), bem como a viabilidade e o crescimento (na presença e na ausência dos compostos químicos). Os resultados deste estudo mostram atividade antimicrobiana para a maioria dos compostos estudados em todos os modelos procariotas Gram negativos, à exceção da E.coli CTX-M2 e CTX-M9 e nenhuma atividade nos modelos eucariotas. O estudo da viabilidade/curvas de morte em bactérias e num modelo eucariota (S.cerevisiae) sugerem que alguns destes compostos constituem potenciais drogas para a quimioterapia antibacteriana.

Antimicrobial activity of quinoxaline 1,4-dioxide and three derivatives

O presente trabalho descreve o estudo da actividad e antimicrobiana de quarto derivados da quinoxalina N,N-dióxido: quinoxalina 1,4-dióxido, 2-metilquinoxalina 1,4- dióxido, 6-cloro-2,3-dimetilquinoxalina 1,4-dióxido e 3-benzoil-2-metilquinoxalina 1,4- dióxido contra as estirpes bacterianas Geobacillus stearothermophilus ATCC 10149, Escherichia coli ATCC 25922, Escherichia coli HB101, Escherichia coli (blaTEM, blaCTX-M) e Salmonella (blaCTX-M), assim como contra a estirpe de levedura Saccharomyces cerevisiae PYCC 4072. A determinação da concentração mínima inibitória (MIC) foi realizada pelo método de diluição. Os valores de MIC’s foram estimados para cada composto e estirpe. Os resultados obtidos sugerem potenciais novas drogas para quimioterapia.

Antifungal activity of Imidazolidin-4-ones of the antimalarial primaquine

The 5-Isopropyl-3-[4-(6-methoxy-quinolin-8-ylamino)-pentyl]-2,2-dimethyl-imidazolidin-4-one (ValPQacet) was sinthesized through acylation of the anti-malarial primaquine with α-valine and subsequent reaction of the resulting -aminoamide with propanone (Sheme 1).Imidazolidin-4-ones of the anti malarial primaquine are being sinthesized to develop new variants in order to improve more effective treatments against malaria . Recently it has been observed that primaquine derivates could have effect in a new kind of yeast . To study the fungicidal activity against Candida albicans, Candida tropicalis, Issatchenkia orientalis, Sacharomyces cerevisae, the ValPQacet was put in the form of the hydrochloride salt. The minimal inhibitory concentration (MIC) could be determined for all yeast in the concentration range assayed. Also was determined MIC’s of primaquine hydrochloride salt for all yeast, and this shows that the parent drug is less active than our compound. Further studies are being performed to determine viability and cellular injury with this drugs.

Fungidal and bacterial activity of N,N-dimethyl-4-(2,2,2-trichloro-1-(phenylamino)ethyl)aniline

N,N-dimethyl-4-((phenylamino)methyl)aniline (1) was prepared by condensation of aniline and 4-(dimethylamino)benzaldehyde [1] N,N-dimethyl-4-(2,2,2-trichloro-1-(phenylamino)ethyl)aniline (2) was synthesized by trichloromethylation of the imine (N,N-dimethyl-4-((phenylimino)methyl)aniline (1)) with trichloroacetic anhydride under microwave irradiation [2] (Sheme 1). The present work reports the study of bacterial and yeast activity for the compound 2. The bacteria used in this study are Staphylococcus aureus, Escherichia coli and the yeast are Saccharomyces Cerevisiae Candida albican.The results that we will present are the determination of minimal inhibitory concentration (MIC), by means of microdilution by plate method and the specific growth constants for this microorganism. Further studies are being performed to determine viability and cellular injury with this drug.

Produção de bioetanol a partir de um resíduo orgânico proveniente da central de compostagem da LIPOR

Mestrado em Engenharia Química

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.

Cleanup of industrial effluents containing heavy metals: a new opportunity of valorising the biomass produced by brewing industry

Heavy metal pollution is a matter of concern in industrialised countries. Contrary to organic pollutants, heavy metals are not metabolically degraded. This fact has two main consequences: its bioremediation requires another strategy and heavy metals can be indefinitely recycled. Yeast cells of Saccharomyces cerevisiae are produced at high amounts as a by-product of brewing industry constituting a cheap raw material. In the present work, the possibility of valorising this type of biomass in the bioremediation of real industrial effluents containing heavy metals is reviewed. Given the autoaggregation capacity (flocculation) of brewing yeast cells, a fast and off-cost yeast separation is achieved after the treatment of metal-laden effluent, which reduces the costs associated with the process. This is a critical issue when we are looking for an effective, eco-friendly, and low-cost technology. The possibility of the bioremediation of industrial effluents linked with the selective recovery of metals, in a strategy of simultaneous minimisation of environmental hazard of industrial wastes with financial benefits from reselling or recycling the metals, is discussed.

Evaluation of the role of glutathione in the lead-induced toxicity in saccharomyces cerevisiae

The effect of intracellular reduced glutathione (GSH) in the lead stress response of Saccharomyces cerevisiae was investigated. Yeast cells exposed to Pb, for 3 h, lost the cell proliferation capacity (viability) and decreased intracellular GSH level. The Pb-induced loss of cell viability was compared among yeast cells deficient in GSH1 (∆gsh1) or GSH2 (∆gsh2) genes and wild-type (WT) cells. When exposed to Pb, ∆gsh1 and ∆gsh2 cells did not display an increased loss of viability, compared with WT cells. However, the depletion of cellular thiols, including GSH, by treatment of WT cells with iodoacetamide (an alkylating agent, which binds covalently to thiol group), increased the loss of viability in Pb-treated cells. In contrast, GSH enrichment, due to the incubation of WT cells with amino acids mixture constituting GSH (l-glutamic acid, l-cysteine and glycine), reduced the Pb-induced loss of proliferation capacity. The obtained results suggest that intracellular GSH is involved in the defence against the Pb-induced toxicity; however, at physiological concentration, GSH seems not to be sufficient to prevent the Pb-induced loss of cell viability.

Saccharomyces cerevisiae Mutants Affected in Vacuole Assembly or Vacuolar H+-ATPase are Hypersensitive to Lead (Pb) Toxicity

Lead is an important environmental pollutant. The role of vacuole, in Pb detoxification, was studied using a vacuolar protein sorting mutant strain (vps16D), belonging to class C mutants. Cells disrupted in VPS16 gene, did not display a detectable vacuolar-like structure. Based on the loss of cell proliferation capacity, it was found that cells from vps16D mutant exhibited a hypersensitivity to Pb-induced toxicity, compared to wild type (WT) strain. The function of vacuolar H?-ATPase (VATPase), in Pb detoxification, was evaluated using mutants with structurally normal vacuoles but defective in subunits of catalytic (vma1D or vma2D) or membrane domain (vph1D or vma3D) of V-ATPase. All mutants tested, lacking a functional V-ATPase, displayed an increased susceptibility to Pb, comparatively to cells from WT strain. Modification of vacuolar morphology, in Pb-exposed cells, was visualized using a Vma2p-GFP strain. The treatment of yeast cells with Pb originated the fusion of the medium size vacuolar lobes into one enlarged vacuole. In conclusion, it was found that vacuole plays an important role in the detoxification of Pb in Saccharomyces cerevisiae; in addition, a functional V-ATPase was required for Pb compartmentalization.