Incorporation of either molybdenum or tungsten into formate dehydrogenase from Desulfovibrio alaskensis NCIMB 13491; EPR assignment of the proximal iron-sulfur cluster to the pterin cofactor in formate dehydrogenases from sulfate-reducing bacteria

J Biol Inorg Chem (2004) 9: 145–151 DOI 10.1007/s00775-003-0506-z

O2/CO2-sensitive cyclic AMP-signalling pathway in peripheral chemoreceptors

RESUMO: O corpo carotídeo (CB) é um pequeno órgão sensível a variações na PaO2, PaCO2 e pH. As células tipo I (células glómicas) do corpo carotídeo, as unidades sensoriais deste órgão, libertam neurotransmissores em resposta às variações dos gases arteriais. Estes neurotransmissores atuam quer em recetores pré-sinápticos, localizados nas células tipo I, quer em recetores póssinápticos, localizados nas terminações do nervo do seio carotídeo, ou em ambos. A activação dos recetores pré-sinápticos modula a atividade do corpo carotídeo, enquanto que, a activação dos recetores pós-sinápticos, de carater excitatório, desencadeia um aumento da frequência de descarga das fibras do CSN, com subsequente despolarização dos neurónios do gânglio petroso, e posterior despolarização de um grupo específico de neurónios do centro respiratório central, desencadeando, como resposta final, hiperventilação. Estes recetores pré- e pós-sinápticos podem ser classificados em ionotrópicos ou metabotrópicos, estando os últimos acoplados a adenilatos ciclases transmembranares (tmAC). O mecanismo exato pelo qual as variações dos gases arteriais são detetadas pelo CB não se encontra ainda completamente elucidado, mas tem sido sugerido que alterações nos níveis de cAMP estejam associadas ao mecanismo de deteção de variações de O2 e CO2. Os níveis de cAMP podem ser regulados através da sua via de síntese, mediada por dois tipos de adenilatos ciclases: tmAC sensível aos eurotransmissores e adenilato ciclase solúvel (sAC)sensível a variações de HCO3/CO2, e pela sua via de degradação mediada por fosfodiesterases. A via de degradação do cAMP pode ser manipulada farmacologicamente, funcionando enquanto alvo terapêutico para o tratamento de patologias do foro respiratório (e.g. asma, hipertensão pulmonar, doença pulmonar obstructiva crónica e apneia do sono), que induzem um aumento da actividade do CB.O trabalho descrito nesta dissertação partiu da hipótese de que a actividade do CB é manipulada por fármacos, que interferem com a via de sinalização do cAMP, tendo sido nosso objectivo geral, investigar o papel do cAMP na quimiotransdução do CB de rato, e determinar se a actividade dos enzimas responsáveis pela via de sinalização do cAMP é ou não regulada por variações de O2/CO2. Assim, a relevância deste trabalho é a de estudar e identificar possíveis alvos moleculares (sAC, isoformas de tmAC e PDE) com potencial para serem usados no tratamento de patologias relacionadas com o controlo respiratório. A primeira parte do presente trabalho, centrou-se na caracterização farmacológica da PDE4 no CB e em tecidos não quimiorecetores (e.g. gânglio cervical superior e artérias carótidas), e na observação do efeito de hipóxia aguda na acumulação dos níveis de cAMP, induzidos pelos inibidores de PDE, nestes tecidos. A quantificação de cAMP foi efectuada por técnica imunoenzimática (EIA), tendo sido elaboradas curvas de dose-resposta para os efeitos de inibidores, não específicos (IBMX) e específicos para a PDE2 e PDE4 (EHNA, Rolipram e Ro 20-1724), nos níveis de cAMP acumulados, em situações de normóxia (20%O2/5%CO2) e hipóxia (5%O2/5%CO2). A caracterização das PDE no gânglio cervical superior foi aprofundada, utilizando-se a técnica de transferência de energia de ressonância por fluorescência (FRET) em culturas primárias de neurónios, na presença de inibidores não específicos (IBMX) e específicos para a PDE3 e PDE4 (milrinone e rolipram, respetivamente). Foram igualmente estudadas, através de RT-qPCR, as alterações na expressão de PDE3A-B e PDE4A-D, no gânglio cervical superior, em resposta a diferentes percentagens de oxigénio. Na segunda parte do trabalho investigou-se a via de síntese do cAMP no CB em resposta a variações na concentração de HCO3/CO2. Em concreto, o protocolo experimental centrou-se na caracterização da sAC, dado que a sua actividade é regulada por variações de HCO3/CO2. A caracterização da expressão e regulação da sAC, em resposta a variações de HCO3/CO2 ,foi efectuada no CB e em tecidos não quimioreceptores periféricos (e.g. gânglio cervical superior, petroso e nodoso) por qRT-PCR. A actividade deste enzima foi caracterizada indirectamente através da quantificação dos níveis de cAMP (quantificação por EIA), induzidos por diferentes concentrações de HCO3/CO2, na presença de MDL-12,33-A, um inibidore da tmAC. A expressão das isoformas da tmAC no CB e gânglio petroso foi determinada por RT-qPCR. Adicionalmente, estudámos a contribuição relativa da tmAC e sAC no mecanismo de sensibilidade ao CO2 no CB. Para o efeito foram estudadas as alterações: 1) nos níveis de cAMP (quantificado por EIA) na presença de diferentes concentrações de HCO3/CO2 e ao longo do tempo (5-30 min); 2) na ativação da proteína cinase A (PKA, FRET baseado em sensores) em células tipo I do CB; e 3) na frequência de descarga do CSN (registos) na presença e ausência de ativadores e inibidores da sAC,tmAC e PKA. Por último, foi caracterizada a expressão e actividade da sAC nos quimioreceptors centrais (locus ceruleus, rafe e medula ventro-lateral) através de técnicas de RT-qPCR e EIA. A expressão das isoformas da tmAC foi aprofundada no locus coeruleus através de RT-qPCR. Por fim, comparámos a contribuição da tmAC e sAC nos níveis de cAMP no locus coeruleus em condições de normocapnia e hipercapnia.O nosso trabalho teve os seguintes resultados principais: 1) PDE4 está funcional no corpo carotídeo, artérias carótidas e gânglio cervical superior de rato, embora a PDE2 só se encontre funcional neste último; 2) Os efeitos dos inibidores de PDE nos níveis de acumulação de cAMP foram exacerbados em situações de hipóxia aguda no CB e artérias carótidas, mas foram atenuados no gânglio cervical superior; 3) No gânglio cervical superior, diferentes tipos de células apresentaram uma caracterização específica de PDEs, sugerindo uma subpopulação de células neste gânglio com funções fisiológicas distintas; 4) Embora todas as isoformas de PDE4 e PDE3 estivessem presentes no gânglio, a PDE3a, PDE4b e a PDE4d foram as isoformas mais expressas. Por outro lado, incubações de gânglio cervical superior, em diferentes percentagens de oxigénio, não alteraram (não regularam) significativamente a expressão das diferentes isoformas de PDE neste órgão; 5) a sAC encontra-se expressa e funcional no CB e nos quimiorecetores centrais estudados (locus coeruleus, rafe e medula ventrolateral). A sAC apresenta maior expressão no CB comparativamente aos restantes orgãos estudados, exceptuando os testículos, orgão controlo. Variações de HCO3/CO2 de 0/0 para 24/5 aumentaram os níveis de cAMP no CB e quimiorecetores centrais, tendo sido o aumento mais significativo observado no CB. Concentrações acima dos 24mM HCO3/5%CO2 não induziram alterações nos níveis de cAMP, sugerindo que a actividade da sAC se encontra saturada em condições fisiológicas (normocapnia) e que este enzima não desempenha qualquer papel na deteção de situações de hipercapnia; 6) No CB, a expressão das isoformas tmAC1, tmAC4, tmAC6 e tmAC9 é mais elevada comparativamente à expressão da sAC; 7) Utilizamos diferentes inibidores da tmAC (MDL 12-330A, 500μM, 2’5’-ddADO, 30-300μM, SQ 22536, 200μM) e da sAC (KH7, 10-100μM) para estudar a contribuição relativa destes enzimas na acumulação do cAMP no CB. Tanto a tmAC como a sAC contribuem para a acumulação dos níveis de cAMP em condições de hipercapnia. Contudo, existe um maior efeito destes inibidores nas condições de 12 mM HCO3/2.5%CO2 do que em condições de normocapnia e hipercapnia, sugerindo um papel relevante destes enzimas na atividade do CB em situações de hipocapnia; 8) Não se observaram variações nos níveis de cAMP em resposta a diferentes concentrações de HCO3/CO2 ao longo do tempo (5-30 min). O efeito inibitório induzido por ddADO e KH7 foi sobreponível após 5 ou 30 minutos de incubação em todas as concentrações de HCO3/CO2 estudadas; 9) Por último, verificou-se um aumento na frequência da descarga do nervo do seio carotídeo entre as condições de normocapnia e hipercapnia acídica. Ao contrário do KH7 (10μM), o 2’5’-ddADO reduziu significativamente a frequência de descarga do nervo, quer em condições de normocapnia quer de hipercapnia acídica. Contudo, não se verificou aumento na frequência de descarga do nervo entre normocapnia e hipercapnia isohídrica, sugerindo que a sensibilidade à hipercapnia no CB é mediada por variações de pH. Em conclusão, os resultados decorrentes deste trabalho permitiram demonstrar que, embora os enzimas que medeiam a via de sinalização do cAMP possam ser bons alvos terapêuticos em condições particulares, a sua actividade não é específica para o CB. Os resultados sugerem ainda que o cAMP não é um mediador específico da transdução à hipercapnia neste orgão. Contudo, os nossos resultados demonstraram que os níveis de cAMP são mais elevados em condições fisiológicas, o que sugere que o cAMP possa ter uma função homeostática neste orgão. Por último, o presente trabalho demonstrou que os aumentos de cAMP descritos por outros em condições de hipercapnia, não são observáveis quando o pH se encontra controlado. ------------------ ABSTRACT: The work presented in this dissertation was aimed to establish how specific is cAMP-signaling pathways in the CB mainly in different CO2 conditions and how O2 concentrations alter/drives the manipulation of cAMP signaling in the CB. The experimental studies included in this thesis sought to investigate the role of cAMP in the rat CB chemotransduction mechanisms and to determine whether the enzymes that participate in cAMP signal transduction in the CB are regulated by O2/CO2. We characterized the enzymes involved in the cAMP-signaling pathway in the CB (sAC, tmAC, PDE) under different O2/CO2 conditions. Our results demonstrated that many of these enzymes are involved in CO2/O2 sensing and while they may be useful in treating conditions with alterations in CO2/O2 sensing,they will not be specific to chemoreception within the CB: 1) PDE4 is ubiquitously expressed in CB and non-chemoreceptor related tissues and their affinity to inhibitors change with O2 tensions in both CB and carotid arteries, and 2) sAC and tmAC are expressed in peripheral and central chemo- and non-chemoreceptor tissues and their effect on cAMP levels do not change between normocapnic and isohydric hypercapnic conditions. Our results provide evidence against a specific role of cAMP as a mediator for O2 and CO2 chemotransduction in the rat CB and emphasized the role of pH in CO2 sensitivity of the CB. Furthermore, our results demonstrate that cAMP levels are maintained higher under physiological conditions, supporting recent finding from our lab, which all together suggests that cAMP has a homeostatic function in this organ.

Reductive scavenging of reactive oxygen species in prokaryotes

Dissertação para a obtenção de grau de doutor em Bioquímica pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa.

Development of oxidoreductase based electrochemical biosensors

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Food waste valorization through the production of polyhydroxyalkanoates by mixed microbial cultures

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Acidogenic digestion of effluents of the cheese industry in packed bed biofilm reactors

Dissertation for the Master degree in Biotechnology

Cyanobacterial and Protozoan Flavodiiron Proteins are nitric oxide and/or dioxygen reductases

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry.

Desulfovibrio vulgaris defenses against oxidative and nitrosative stresses

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry, Microbial Biochemistry

Understanding the microbial ecology and ecophysiology of enhanced biological phosphorus removal processes through metabolic modelling and experimental studies

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

The main leachate emissions of uncontrolled landfills

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, Perfil de Engenharia Sanitária

Biogas production from potato peel waste

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil de Gestão e Sistemas Ambientais

Microbial contribution to biofuels production

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica

Spore differentiation in relation to the infectious cycle of the enteric pathogen Clostridium difficile

Clostridium difficile is a gram positive, spore former, anaerobic bacterium that is able to cause infection and disease, with symptoms ranging from mild diarrhea to pseudomembranous colitis, toxic megacolon, sepsis and death. In the last decade new strains have emerged that caused outbreaks of increased disease severity and higher recurrence, morbidity and mortality rates, and C. difficile is now considered both a main nosocomial pathogen associated with antibiotic therapy as well as a major concern in the community.(...)

Development of principle culture medium formulations for Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae as well as other microorganisms are frequently used in industry with the purpose of obtain different kind of products that can be applied in several areas (research investigation, pharmaceutical compounds, etc.). In order to obtain high yields for the desired product, it is necessary to make an adequate medium supplementation during the growth of the microorganisms. The higher yields are typically reached by using complex media, however the exact formulation of these media is not known. Moreover, it is difficult to control the exact composition of complex media, leading to batch-to-batch variations. So, to overcome this problem, some industries choose to use defined media, with a defined and known chemical composition. However these kind of media, many times, do not reach the same high yields that are obtained by using complex media. In order to obtain similar yield with defined media the addition of many different compounds has to be tested experimentally. Therefore, the industries use a set of empirical methods with which it is tried to formulate defined media that can reach the same high yields as complex media. In this thesis, a defined medium for Saccharomyces cerevisiae was developed using a rational design approach. In this approach a given metabolic network of Saccharomyces cerevisiae is divided into a several unique and not further decomposable sub networks of metabolic reactions that work coherently in steady state, so called elementary flux modes. The EFMtool algorithm was used in order to calculate the EFM’s for two Saccharomyces cerevisiae metabolic networks (amino acids supplemented metabolic network; amino acids non-supplemented metabolic network). For the supplemented metabolic network 1352172 EFM’s were calculated and then divided into: 1306854 EFM’s producing biomass, and 18582 EFM’s exclusively producing CO2 (cellular respiration). For the non-supplemented network 635 EFM’s were calculated and then divided into: 215 EFM’s producing biomass; 420 EFM’s producing exclusively CO2. The EFM’s of each group were normalized by the respective glucose consumption value. After that, the EFMs’ of the supplemented network were grouped again into: 30 clusters for the 1306854 EFMs producing biomass and, 20 clusters for the 18582 EFM’s producing CO2. For the non-supplemented metabolic network the respective EFM’s of each metabolic function were grouped into 10 clusters. After the clustering step, the concentrations of the other medium compounds were calculated by considering a reasonable glucose amount and by accounting for the proportionality between the compounds concentrations and the glucose ratios. The approach adopted/developed in this thesis may allow a faster and more economical way for media development.

The effect of key process operational conditions on enhanced biological phosphorus removal from wastewater

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is the most economic and sustainable option used in wastewater treatment plants (WWTPs) for phosphorus removal. In this process it is important to control the competition between polyphosphate accumulating organisms (PAOs) and glycogen accumulating organisms (GAOs), since EBPR deterioration or failure can be related with the proliferation of GAOs over PAOs. This thesis is focused on the effect of operational conditions (volatile fatty acid (VFA) composition, dissolved oxygen (DO) concentration and organic carbon loading) on PAO and GAO metabolism. The knowledge about the effect of these operational conditions on EBPR metabolism is very important, since they represent key factors that impact WWTPs performance and sustainability. Substrate competition between the anaerobic uptake of acetate and propionate (the main VFAs present in WWTPs) was shown in this work to be a relevant factor affecting PAO metabolism, and a metabolic model was developed that successfully describes this effect. Interestingly, the aerobic metabolism of PAOs was not affected by different VFA compositions, since the aerobic kinetic parameters for phosphorus uptake, polyhydroxyalkanoates (PHAs) degradation and glycogen production were relatively independent of acetate or propionate concentration. This is very relevant for WWTPs, since it will simplify the calibration procedure for metabolic models, facilitating their use for full-scale systems. The DO concentration and aerobic hydraulic retention time (HRT) affected the PAO-GAO competition, where low DO levels or lower aerobic HRT was more favourable for PAOs than GAOs. Indeed, the oxygen affinity coefficient was significantly higher for GAOs than PAOs, showing that PAOs were far superior at scavenging for the often limited oxygen levels in WWTPs. The operation of WWTPs with low aeration is of high importance for full-scale systems, since it decreases the energetic costs and can potentially improve WWTP sustainability. Extended periods of low organic carbon load, which are the most common conditions that exist in full-scale WWTPs, also had an impact on PAO and GAO activity. GAOs exhibited a substantially higher biomass decay rate as compared to PAOs under these conditions, which revealed a higher survival capacity for PAOs, representing an advantage for PAOs in EBPR processes. This superior survival capacity of PAOs under conditions more closely resembling a full-scale environment was linked with their ability to maintain a residual level of PHA reserves for longer than GAOs, providing them with an effective energy source for aerobic maintenance processes. Overall, this work shows that each of these key operational conditions play an important role in the PAO-GAO competition and should be considered in WWTP models in order to improve EBPR processes.