Influence of the molecular weight in mechanical properties and degradation kinetics of chitosan inverted colloidal crystals

Tissue engineering arises from the need to regenerate organs and tissues, requiring the development of scaffolds, which can provide an optimum environment for tissue growth. In this work, chitosan with different molecular weights was used to develop biodegradable 3D inverted colloidal crystals (ICC) structures for bone regeneration, exhibiting uniform pore size and interconnected network. Moreover, in vitro tests were conducted by studying the influence of the molecular weight in the degradation kinetics and mechanical properties. The production of ICC included four major stages: fabrication of microspheres; assembly into a cohesive structure, polymeric solution infiltration and microsphere removal. Chitosan’s degree of deacetylation was determined by infrared spectroscopy and molecular weight was obtained via capillary viscometry. In order to understand the effect of the molecular weight in ICC structures, the mass loss and mechanical properties were analyzed after degradation with lysozyme. Structure morphology observation before and after degradation was performed by scanning electron microscopy. Cellular adhesion and proliferation tests were carried out to evaluate ICC in vitro response. Overall, medium molecular weight ICC revealed the best balance in terms of mechanical properties, degradation rate, morphology and biological behaviour.

Molecular epidemiology and virulence factors in Streptococcus agalactiae

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - PhD Project (SFRH/BD/48231/2008: PTDC/SAU-MII/105114/2008 and DAAD scholarship/2010)

Characterization of molecular damage induced by UV photons and carbon ions on biomimetic heterostructures

The study of the effect of radiation on living tissues is a rather complex task to address mainly because they are made of a set of complex functional biological structures and interfaces. Particularly if one is looking for where damage is taking place in a first stage and what are the underlying reaction mechanisms. In this work a new approach is addressed to study the effect of radiation by making use of well identified molecular hetero-structures samples which mimic the biological environment. These were obtained by assembling onto a solid support deoxyribonucleic acid (DNA) and phospholipids together with a soft water-containing polyelectrolyte precursor in layered structures and by producing lipid layers at liquid/air interface with DNA as subphase. The effects of both ultraviolet (UV) radiation and carbon ions beams were systematically investigated in these heterostructures, namely damage on DNA by means vacuum ultraviolet (VUV), infrared (IR), X-Ray Photoelectron (XPS) and impedance spectroscopy. Experimental results revealed that UV affects furanose, PO2-, thymines, cytosines and adenines groups. The XPS spectrometry carried out on the samples allowed validate the VUV and IR results and to conclude that ionized phosphate groups, surrounded by the sodium counterions, congregate hydration water molecules which play a role of UV protection. The ac electrical conductivity measurements revealed that the DNA electrical conduction is arising from DNA chain electron hopping between base-pairs and phosphate groups, with the hopping distance equal to the distance between DNA base-pairs and is strongly dependent on UV radiation exposure, due loss of phosphate groups. Characterization of DNA samples exposed to a 4 keV C3+ ions beam revealed also carbon-oxygen bonds break, phosphate groups damage and formation of new species. Results from radiation induced damage carried out on biomimetic heterostructures having different compositions revealed that damage is dependent on sample composition, with respect to functional targeted groups and extent of damage. Conversely, LbL films of 1,2-dipalmitoyl-sn-Glycero-3-[Phospho-rac-(1-glycerol)] (Sodium Salt) (DPPG) liposomes, alternated with poly(allylamine hydrochloride) (PAH) revealed to be unaffected, even by prolonged UV irradiation exposure, in the absence of water molecules. However, DPPG molecules were damaged by the UV radiation in presence of water with cleavage of C-O, C=O and –PO2- bonds. Finally, the study of DNA interaction with the ionic lipids at liquid/air interfaces revealed that electrical charge of the lipid influences the interaction of phospholipid with DNA. In the presence of DNA in the subphase, the effects from UV irrladiation were seen to be smaller, which means that ionic products from biomolecules degradation stabilize the intact DPPG molecules. This mechanism may explain why UV irradiation does not cause immediate cell collapse, thus providing time for the cellular machinery to repair elements damaged by UV.

Simulação numérica da interação de ondas com um quebra-mar poroso utilizando o código OpenFoam

O principal objetivo desta dissertação é explorar o potencial do código OpenFoam, no estudo de problemas de engenharia costeira, mais especificamente a interação de ondas com quebra-mares porosos. Neste sentido, inicialmente é realizada a validação do código numérico porousInterFoam, onde é estudada a dependência de malha e de modelos de turbulência. Conclui-se que os resultados numéricos obtidos apresentam uma boa correlação com os experimentais. Em seguida é feita uma comparação com outros códigos numéricos, nomeadamente o porousWaveFoam e o IHFOAM onde se verificam resultados idênticos. Por fim, é realizada uma simulação através do porousWaveFoam, da interação de uma onda regular com um quebra-mar poroso, e conclui-se, comparando os resultados obtidos com os resultados dos ensaios experimentais no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), que a elevação da superfície livre é bem modelada.

Evolutionary dynamics of Chlamydia trachomatis genome and identification of molecular patterns of hypothetical protein coding genes

The obligate intracellular bacterium Chlamydia trachomatis is a human pathogen of major public health significance. Strains can be classified into 15 main serovars (A to L3) that preferentially cause ocular infections (A-C), genital infections (D-K) or lymphogranuloma venereum (LGV) (L1-L3), but the molecular basis behind their distinct tropism, ecological success and pathogenicity is not welldefined. Most chlamydial research demands culture in eukaryotic cell lines, but it is not known if stains become laboratory adapted. By essentially using genomics and transcriptomics, we aimed to investigate the evolutionary patterns underlying the adaptation of C. trachomatis to the different human tissues, given emphasis to the identification of molecular patterns of genes encoding hypothetical proteins, and to understand the adaptive process behind the C. trachomatis in vivo to in vitro transition. Our results highlight a positive selection-driven evolution of C. trachomatis towards nichespecific adaptation, essentially targeting host-interacting proteins, namely effectors and inclusion membrane proteins, where some of them also displayed niche-specific expression patterns. We also identified potential "ocular-specific" pseudogenes, and pointed out the major gene targets of adaptive mutations associated with LGV infections. We further observed that the in vivo-derived genetic makeup of C. trachomatis is not significantly compromised by its long-term laboratory propagation. In opposition, its introduction in vitro has the potential to affect the phenotype, likely yielding virulence attenuation. In fact, we observed a "genital-specific" rampant inactivation of the virulence gene CT135, which may impact the interpretation of data derived from studies requiring culture. Globally, the findings presented in this Ph.D. thesis contribute for the understanding of C.trachomatis adaptive evolution and provides new insights into the biological role of C. trachomatishypothetical proteins. They also launch research questions for future functional studies aiming toclarify the determinants of tissue tropism, virulence or pathogenic dissimilarities among C. trachomatisstrains.

Estudo numérico da interação de ondas com um quebra-mar poroso utilizando o código IHFOAM

A presente dissertação tem como principal objetivo a validação da ferramenta IHFOAM do código OpenFOAM para problemas de interação de ondas com estruturas costeiras porosas, concretamente a interação de ondas com o quebra-mar poente do porto de pesca de Albufeira. Numa primeira parte deste trabalho analisa-se o comportamento do código com malhas de diferentes tipos, mais especificamente, estuda-se os efeitos sobre o escoamento de uma malha não estruturada no meio poroso em relação a uma malha estruturada. Isto é de extrema importância, devido ao tempo dispensado na construção de uma malha estruturada com elementos rectangulares. É ainda estudada a dependência da simulação numérica com o modelo de turbulência. O estudo mostra que os efeitos dos diferentes tipos de malha na zona porosa influenciam pouco o escoamento, sendo aceitável o recurso a malhas não estruturadas na zona porosa, em contraste com a escolha do modelo de turbulência que se mostra muito importante para a simulação. Numa segunda parte, são calibrados os parâmetros do meio poroso usados pelo modelo numérico. Apresenta-se o método utilizado para a calibração dos parâmetros e são estudados os seus efeitos sobre o comportamento hidráulico da estrutura. O estudo é realizado com duas alturas de ondas, uma altura de onda que não gera galgamento e uma altura de onda que gera galgamento. Foram colocadas várias sondas numéricas ao longo de um canal de ondas que medem a elevação de superfície livre simulada. Para os ensaios com galgamento, mediu-se a altura da água galgada e o volume galgado, podendo-se assim estudar os efeitos dos parâmetros do meio poroso do quebra-mar sobre o galgamento. A calibração sequencial dos parâmetros mostrou-se muito eficaz, gerando resultados muito bons. Ao longo do estudo entende-se a forte dependência do comportamento hidrodinâmico da estrutura, dos parâmetros e a necessidade de os calibrar, para cada caso estudado. Conclui-se que o IHFOAM é muito interessante para o estudo numérico de interação de onda-estrutura porosa, obtendo resultados satisfatórios para a superfície livre dentro e fora do quebra-mar. O galgamento, sendo um processo muito rápido, foi razoavelmente simulado e captado pelo código.

Interação do planeamento urbano com o envelhecimento ativo : percepção de acessibilidade pedonal dos adultos de 65 ou mais anos residentes no município de Setúbal

RESUMO - Introdução- O envelhecimento populacional expressa crescentes necessidades sociais e em saúde num sistema que se encontra em sobrecarga. Considerando que o meio envolvente influencia as atitudes e o estado de saúde dos indivíduos, é extremamente importante analisar as características físicas que, da perspetiva dos utilizadores, influenciam comportamentos determinantes para o seu bem-estar e qualidade de vida. Esse conhecimento traduz-se na planificação de estratégias adequadas às necessidades desta população mais vulnerável, inibindo iniquidades, estimulando a autonomia dos indivíduos e, prevenindo necessidades de cuidados de saúde. Objetivos- Conhecer qual a acessibilidade pedonal percebida por indivíduos de 65 ou mais anos, residentes no município de Setúbal e avaliar o grau de correlação existente entre a acessibilidade pedonal percebida e a qualidade de vida associada à saúde. Metodologia- Foi utilizada metodologia descritiva, observacional e transversal, tendo sido aplicados 3 questionários (PAP+65, EQ-5D e questionário de caracterização da população), aplicados por hetero-preenchimento. Resultados- Da aplicação do coeficiente de correlação de Spearman, observou-se presença de associação estatisticamente significativa entre a acessibilidade pedonal percebida e a qualidade de vida associada à saúde (0,219, para p <0,01). Após dicotomização dos resultados do total da escala PAP+65, verificou-se que 55,6% dos participantes consideram que existe elevada adequabilidade do seu bairro para caminhar, no município de Setúbal. Conclusão- Os resultados demonstraram objetivamente que a perceção da acessibilidade do bairro para caminhar tem associação com a qualidade de vida relacionada com a saúde, o que sugere que medidas que melhorem a acessibilidade pedonal para a população de maior idade traduzir-se-ão em ganhos em saúde para esta população.

Molecular targeting of proteins by homocysteine: implications in familial and clinical hypercholesterolemia

Cardiovascular diseases (CVDs) are one of the leading causes of death and disability worldwide and one of its underlying causes is hypercholesterolemia. Hypercholesterolemia can have genetic (familial hypercholesterolemia, FH) and non-genetic causes (clinical hypercholesterolemia, CH), the first much more severe, with occurrence of premature atherosclerosis. While the pathophysiological role of homocysteine (Hcy) on CVD is still controversial, molecular targeting of protein by S and N-homocysteinylation offers a new paradigm to be considered in the vascular pathogenesis of hypercholesterolemia. On this regard, the present study aims to give new insights on protein targeting by Hcy in both CH and FH conditions. A total of 187 subjects were included: 65 normolipidemic and 122 hypercholesterolemic. Total (tHcy) and free (fHcy) fractions were quantified in serum samples after validation of an HPLCFD method, to assess S-homocysteinylation. Also, the lactonase (LACase) activity of paraoxonase-1 (PON1) was quantified by a colorimetric assay, as a surrogate of N-homocysteinylation. tHcy does not differ among groups. Nevertheless, fHcy declines in the hypercholesterolemic groups, with more evidence to the FH population. Consequently, there seems to be an increase of Shomocysteinylation, regardless of lipid lowering therapy (LLT). Also, despite of LLT use, LACase activity is lower in FH, thus the risk for protein N-homocysteinylation seems to be higher. Moreover, the decrease in LACase/ApoA1 and LACase/HDL ratios in FH, shows that HDL is dysfunctional in this population, despite its normal concentration values. Data supports that the pathophysiological role of Hcy on hypercholesterolemia may reside in its ability to post-translationally modify proteins. This role is particularly evident in FH condition. In the future, it will be interesting to identify which target proteins are modified and thus involved in vascular pathology progression.

Molecular tools in the diagnostic and epidemiology of infections caused by members of Mycobacterium avium Complex

Mycobacterium avium Complex (MAC) comprises microorganisms that affect a wide range of animals including humans. The most relevant are Mycobacterium avium subspecies hominissuis (Mah) with a high impact on public health affecting mainly immunocompromised individuals and Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis (Map) causing paratuberculosis in animals with a high economic impact worldwide. In this work, we characterized 28 human and 67 porcine Mah isolates and evaluated the relationship among them by Multiple-Locus Variable number tandem repeat Analysis (MLVA). We concluded that Mah population presented a high genetic diversity and no correlations were inferred based on geographical origin, host or biological sample. For the first time in Portugal Map strains, from asymptomatic bovine faecal samples were isolated highlighting the need of more reliable and rapid diagnostic methods for Map direct detection. Therefore, we developed an IS900 nested real time PCR with high sensitivity and specificity associated with optimized DNA extraction methodologies for faecal and milk samples. We detected 83% of 155 faecal samples from goats, cattle and sheep, and 26% of 98 milk samples from cattle, positive for Map IS900 nested real time PCR. A novel SNPs (single nucleotide polymorphisms) assay to Map characterization based on a Whole Genome Sequencing analysis was developed to elucidate the genetic relationship between strains. Based on sequential detection of 14 SNPs and on a decision tree we were able to differentiate 14 phylogenetic groups with a higher discriminatory power compared to other typing methods. A pigmented Map strain was isolated and characterized evidencing for the first time to our knowledge the existence of pigmented Type C strains. With this work, we intended to improve the ante mortem direct molecular detection of Map, to conscientiously aware for the existence of Map animal infections widespread in Portugal and to contribute to the improvement of Map and Mah epidemiological studies.

The role of arl13b in cilia length regulation and in zebrafish development

RESUMO: Arl13b é uma importante proteína ciliar, presente em cílios primários e cílios móveis. Ratinhos mutantes para Arl13b têm comprimento dos cílios reduzido e defeitos nos B-túbulos dos cílios. Como consequência destes fenótipos, deficiências na Arl13b originam, em modelos animais, várias doenças congénitas, incluindo problemas no estabelecimento do eixo esquerda-direita, malformações cerebrais e deformações corporais. Nos seres humanos, deficiências na Arl13b levam a uma doença crónica congénita chamada Síndrome de Joubert. Por outro lado, a sobreexpressão de Arl13b origina cílios mais longos, no entanto existe uma ausência da caracterização dos fenótipos celulares e durante o desenvolvimento embrionário. Neste trabalho, quisemos explorar o efeito da sobre-expressão de Arl13b em embriões de peixezebra. Descobrimos que, ao nível ciliar, a sobre-expressão de Arl13b nas células aumenta o comprimento ciliar em cílios primários e móveis, no entanto, a esses cílios falta adequada acetilação da alfa-tubulina no citoesqueleto feito por microtúbulos. Os nossos resultados mostraram que esse efeito é específico de Arl13b sobre-expressão e quando se manipularam as enzimas responsáveis pela acetilação (Mec17) e pela de-acetilação (HDAC6) encontrámos uma sinergia potencial com ambas. Testámos ainda, que o aumento no comprimento ciliar não estava causalmente relacionado com a falta de acetilação, ou seja, os cílios com menos acetilação não eram necessariamente os mais longos. Também mostrámos que a sobre-expressão de Arl13b é capaz de restaurar o comprimento dos cílios em mutantes com cílios curtos e como isso pode ser explorado para um futuro potencial papel terapêutico para Arl13b. Em seguida, foi avaliado o impacto do aumento da quantidade de Arl13b no desenvolvimento embrionário do peixe-zebra. Observou-se que a sobre-expressão de Arl13b apresentava fenótipos muito fracos, quando comparados com a perda de função dos mutantes de Arl13b. Focados no inesperado fenótipo leve no estabelecimento do eixo esquerda-direita abordámos a questão através do estabelecimento de uma colaboração com matemáticos, descobrimos que os cílios mais longos que potencialmente têm a capacidade de movimentar mais fluido são atenuados por amplitudes de batimento menores, e, como resultado, estes longos cílios não prejudicam o movimento do fluido e consequentemente não afetam o estabelecimento dos padrões de esquerda-direita. Sugerimos assim que a Arl13b é um regulador chave, do comprimento ciliar. Descobrimos uma nova interação com as enzimas de acetilação/de-acetilação e levantamos novas hipóteses quanto aos mecanismos moleculares da função da Arl13b. Propomos um novo modelo para o mecanismo molecular da Arl13b na regulação do comprimento dos cílios onde podemos integrar os nossos resultados com os relatados na literatura. Este trabalho adiciona mais conhecimento para o mecanismo de ação da Arl13b e, portanto, fornece uma importante contribuição para o campo da investigação em cílios.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ABSTRACT: Arl13b is an important ciliary protein, present in primary and motile cilia. arl13b-/- mouse mutants have reduced cilia length and cilia B-tubule defects. As a consequence of these phenotypes, Arl13b loss of function animal models suffer from several congenital disorders including left-right problems, brain malformations and body deformations. In humans Arl13b depletion leads to a congenital chronic disease called Joubert Syndrome. On the other hand, overexpressing Arl13b leads to longer cilia but the characterization of the cellular and developmental phenotypes was missing. In this work we explore the effect of Arl13b overexpression in zebrafish embryos. We found that, at the ciliary level, Arl13b overexpression from 1 cell stage produces longer primary and motile cilia, but these cilia lack proper alpha tubulin acetylation of their microtubule cytoskeleton. Our results showed that this effect is specific from Arl13b overexpression and when we manipulated the enzymes responsible for acetylation, Mec17, and de-acetylation, HDAC6, we found a potential synergy of both mec17 knockdown and HDAC6 activity with Arl13b overexpression. We tested that the ciliary increase in length was not causally related to the lack of acetylation, meaning the more de-acetylated cilia were not necessarily the longer ones. We also showed that Arl13b overexpression is able to restore cilia length in short cilia mutants and how that may be explored to a potential future therapeutic role for Arl13b. Next, we evaluated the impact of increasing the amount of Arl13b in zebrafish embryonic development. We observed that Arl13b overexpression presented very mild phenotypes when compared to the loss of function mutants. We focused on the unexpected left-right mild phenotype and by establishing a mathematical modeling collaboration, we found out that the longer cilia generated force was attenuated by smaller beating amplitudes, and as a result, these long cilia were not impairing the cilia generated flow and the establishment of left-right patterning. We suggest that Arl13b is one key cilia length regulator. We disclosed a novel interaction with the acetylation / de-acetylation enzymes and raised new hypothesis as to the mechanisms of Arl13b function. We propose a new model for the Arl13b molecular mechanism of cilia length regulation where we integrate our findings with those reported in the literature. This work adds more knowledge to the Arl13b mechanism of action and therefore provides an important contribution to the cilia research field.