Defective protein folding and function in metabolic disorders: studies on the mitochondrial flavoenzyme ETF

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biochemistry at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

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

X-ray crystal structure and EPR spectra of "arsenite-inhibited" Desulfovibriogigas aldehyde dehydrogenase: a member of the xanthine oxidase family

J. Am. Chem. Soc., 2004, 126 (28), pp 8614–8615 DOI: 10.1021/ja0490222

Pyruvate kinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficies and their association with malaria - population genetics and proteomic studies

A malária é reconhecida como uma das principais forças selectivas a actuar na história recente no genoma humano. Inúmeros polimorfismos genéticos têm sido descritos como protectores contra a gravidade da malária, como o alelo HbS (designado de traço falciforme) e o alelo G6PD A- (associado à deficiência de G6PD). Mais recentemente, também a deficiência de PK foi associada com a protecção contra a malária. Evidências desta associação foram obtidas em estudos com modelos de roedor e estudos in vitro utilizando GV humanos deficientes em PK. Até à data, não foram obtidos dados em populações humanas que revelem esta associação: ainda não foi identificada uma variante de PK com uma prevalência elevada em regiões endémicas de malária e não foram identificadas marcas de selecção na região do gene que codifica para a PK (gene PKLR). Além disso, os mecanismos subjacentes à protecção contra a malária por deficiências enzimáticas dos GV não estão bem esclarecidos. Assim, os objectivos do presente estudo foram: investigar os polimorfismos genéticos humanos com associação com a malária em Cabo Verde; pesquisar marcas de selecção da malária na região do gene PKLR em populações Africanas; determinar a frequência da deficiência em PK e identificar uma eventual variante da enzima que possa estar sob selecção positiva em regiões endémicas de malária; avaliar o efeito das duas deficiências enzimáticas (PK e G6PD) na invasão e maturação do parasita em culturas in vitro de Plasmodium usando GV normais e deficientes; e analisar o perfil proteómico de GV infectados e não infectados, normais e com deficiência (em PK e G6PD), bem como de parasitas isolados de GV tanto deficientes como normais. Em Cabo Verde (área epidémica), não foram identificadas marcas de selecção pela malária, através da análise dos vários polimorfismos. No entanto, quando a análise foi realizada em dois países endémicos (Angola e Moçambique), foram detectadas várias marcas de selecção: a genotipagem de microssatélites (STRs) e polimorfismos de base única (SNPs) localizados na vizinhança do gene PKLR revelou uma diferenciação consideravelmente maior entre as populações Africana e Europeia (Portuguesa), do que a diferenciação determinada aquando da utilização de marcadores genéticos neutros. Além disso, uma região genómica de maior amplitude apresentou um Desequilíbrio de Ligação (LD) significativo no grupo de malária não grave (e não no grupo de malária grave), sugerindo que a malária poderá estar a exercer pressão selectiva sobre a região do genoma humano que envolve o gene PKLR. No estudo que incidiu na determinação da prevalência da deficiência de PK no continente Africano (realizado em Moçambique), esta revelou-se elevada - 4,1% - sendo o valor mais elevado descrito até ao momento a nível mundial para esta enzimopatia. Na pesquisa de mutações que pudessem estar na causa deste fenótipo (baixa actividade de PK), foi identificada uma mutação não sinónima 829G>A (277Glu>Lys), significativamente associada à baixa actividade enzimática. Esta mutação foi também identificada em Angola, São Tomé e Príncipe e Guiné Equatorial, onde a frequência de portadores heterozigóticos foi entre 2,6 e 6,7% (valores que se encontram entre os mais elevados descritos globalmente para mutações associadas à deficiência em PK). Não foi possível concluir acerca da associação entre a deficiência de PK e o grau de severidade da malária e da associação entre o alelo 829A e a mesma, devido ao baixo número de amostras. Os resultados dos ensaios de invasão/maturação do parasita sugeriram que, nos GV com deficiência de PK ou G6PD, a invasão (onde está envolvida a membrana do GV hospedeiro e o complexo apical do parasita) é mais relevante para a eventual protecção contra a malária do que a maturação. Os resultados da análise proteómica revelaram respostas diferentes por parte do parasita nas duas condições de crescimento (GV com deficiência de PK e GV com deficiência de G6PD). Esta resposta parece ser proporcional à gravidade da deficiência enzimática. Nos parasitas que cresceram em GV deficientes em G6PD (provenientes de um indivíduo assintomático), a principal alteração observada (relativamente às condições normais) foi o aumento do número de proteínas de choque térmico e chaperones, mostrando que os parasitas responderam às condições de stress oxidativo, aumentando a expressão de moléculas de protecção. Nos parasitas que cresceram em condições de deficit de PK (GV de indivíduo com crises hemolíticas regulares, dependente de transfusões sanguíneas), houve alteração da expressão de um maior número de proteínas (relativamente ao observado em condições normais), em que a maioria apresentou uma repressão da expressão. Os processos biológicos mais representados nesta resposta do parasita foram a digestão da hemoglobina e a troca de proteínas entre hospedeiro e parasita/remodelação da superfície do GV. Além disso, uma elevada percentagem destas proteínas com expressão alterada está relacionada com as fendas de Maurer, que desempenham um papel importante na patologia da infecção malárica. É colocada a hipótese de que a protecção contra a malária em GV deficientes em PK está relacionada com o processo de remodelação da membrana dos GV pelo parasita, o que pode condicionar a invasão por novos parasitas e a própria virulência da malária. Os resultados da análise do proteoma dos GV contribuirão para confirmar esta hipótese.

Molybdenum-containing proteins from Sulphate Reducing Bacteria: studying proteins with novel cofactors and revealing new features of old enzymes

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Doutor em Bioquímica, especialidade de Bioquímica-Física pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Reactivity of human fetal and adult immortalized hepatocytes to potentially toxic bilirubin and bile acid species

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Estudos de folding e efeito de chaperões químicos e moleculares em proteínas envolvidas na β-oxidação de ácidos gordos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Bioquímica Estrutural e Funcional

The mechanism of formate oxidation by metal-dependent formate dehydrogenases

J Biol Inorg Chem (2011) 16:1255–1268 DOI 10.1007/s00775-011-0813-8

Genetic characterization of Portuguese Fasciola hepatica isolates

Dissertation presented to obtain the Master Degree in Molecular, Genetics and Biomedicine

NADH oxidase activity of rat and human liver xanthine oxidoreductase: potential role in superoxide production

J Biol Inorg Chem (2007) 12:777–787 DOI 10.1007/s00775-007-0229-7

Mo and W bis-MGD enzymes: nitrate reductases and formate dehydrogenases

J Biol Inorg Chem (2004) 9: 791–799 DOI 10.1007/s00775-004-0573-9

Novel ready-to-eat mango product using gellan gum as gelling agent: physico-chemical, microbial and sensory characteristics

Este trabalho foi efectuado com o apoio da Universidade de Lisboa, Instituto Superior de Agronomia com o Centro de Engenharia dos Biossistemas (CEER

Bioremediation and CO2 scavenging using molybdenum-containing enzymes

Carbon dioxide valorization, will not only help to relieve the greenhouse effect but might also allow us to transform it in value-added chemicals that will help overcoming the energy crisis. To accomplish this goal, more research that focus on sequestering CO2 and endeavors through a carbon-neutral or carbon-negative strategy is needed in order to handle with the dwindling fossil fuel supplies and their environmental impact. Formate dehydrogenases are a promising means of turning CO2 into a biofuel that will allow for a reduction of greenhouse gas emissions and for a significant change to the economic paramount. The main objective of this work was to assess whether a NAD+-independent molybdenum-containing formate dehydrogenase is able to catalyze the reduction of CO2 to formate. To achieve this, a molybdenum-containing formate dehydrogenase was isolated from the sulfate reducing bacteria Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774. Growth conditions were found that allowed for a greater cellular mass recovery and formate dehydrogenase expression. After growth trials, kinetic assays for formate oxidation and CO2 reduction were performed and kinetic parameters determined. For the formate oxidation reaction, a KM of 49 μM and a turnover constant of 146 s-1 were determined. These kinetic parameters are in agreement with those determined by Mota, et al. (2011). Finally, we found that this molybdenum-containing enzyme was able to catalyze the reduction of CO2 to formate with a turnover constant of 4.6 s-1 and a KM of 13 μM. For the first time a NAD+-independent molybdenum-containing formate dehydrogenase was found to catalyze CO2 reduction, allowing its use as a biocatalyst in energetically efficient CO2 fixation processes that can be directed towards bioremediation or as an alternative and renewable energy source. Characterizing these enzymes may lead to the development of more efficient synthetic catalysts, make them readily available and more suited for practical applications.

Design and characterization of novel biopolymeric structure using biocompatible ionic liquids

The main objective of this thesis was the development of polymeric structures from the dissolution of FucoPol, a bacterial exopolysaccharide (EPS), in a biocompatible ionic liquid, choline acetate. The FucoPol was produced by the bacteria Enterobacter A47 using glycerol as carbon source at controlled temperature and pH (30ºC and 7, respectively). At the end of 3 days it was produced 7 g/L of FucoPol. The net yield of Fucopol in glycerol (YP/S) was 0.22 g/g and the maximum productivity 2.37 g/L.d This polymer was characterized about its composition in sugars and acyl groups (by High-Performance Liquid Chromatography - HPLC), containing fucose (35 % mol), galactose (21 % mol), glucose (29 % mol), rhamnose (3% mol) and glucuronic acid (12% mol) as well as acetate (14.28 % mol), pyruvate (2.15 % mol) and succinate (1.80 % mol). Its content of water and ash was 15% p/p and 2% p/p, respectively, and the chemical bonds (determined by Infrared Spectroscopy - FT-IR) are consistent to the literature reports. However, due to limitations in Differential Scanning Calorimetry (DSC) equipment it was not possible to determine the glass transition temperature. In turn, the ionic liquid showed the typical behavior of a Newtonian fluid, glass transition temperature (determined by DSC) -98.03ºC and density 1.1031 g/cm3. The study of chemical bonds by FT-IR showed that amount of water (8.80%) influenced the visualization of the bands predicted to in view of their chemical structure. After the dissolution of the FucoPol in the ionic liquid at different temperatures (50, 60, 80 and 100 ° C) it was promoted the removal of this by the phase inversion method using deionized water as a solvent, followed by drying in an oven at 70 ° C. The mixtures before and after the phase inversion method were characterized through the studies mentioned above. In order to explore possible application field’s biocompatibility assays and collage on balsa wood tests were performed. It was found that the process of washing with water by the phase inversion method was not totally effective in removing the biocompatible ionic liquid, since all FucoPol – IL mixtures still contained ionic liquid in their composition as can be seen by the DSC results and FT-IR. In addition, washing the mixtures with water significantly altered the composition of FucoPol. However, these mixtures, that developed a viscous behavior typical of a non-Newtonian fluid (shear-thinning), have the potential to be applied in the biomedical field as well as biological glues.

Cerebral vasculopathy in children with sickle cell disease A study of genetic modulators of the disease

Sickle cell disease (SCD) is a genetic disorder with recessive transmission, caused by the mutation HBB:c.20A>T. It originates hemoglobin S that forms polymers inside the erythrocyte, upon deoxygenation, deforming it and ultimately leading to premature hemolysis. The disease presents with high heterogeneity of clinical manifestations, the most devastating of which, ischemic stroke, occurs in 11% of patients until 20 years of age. In this study, we tried to identify genetic modifiers of risk and episodes of stroke by studying 66 children with SCD, grouped according to the degree of cerebral vasculopathy (Stroke, Risk and Control). Association studies were performed between the three phenotypic groups and hematological and biochemical parameters of patients, as well as with 23 polymorphic regions in genes related to vascular cell adhesion (VCAM-1, THBS-1 and CD36), vascular tonus (NOS3 and ET-1) and inflammation (TNF-α and HMOX-1). Relevant data was collected from patient’s medical records. Known genetic modulators of SCD (beta-globin cluster haplotype and HBA and BCL11A genotypes) and putative genetic modifiers of cerebral vasculopathy were characterized. Differences in their distribution among groups were assessed. VCAM-1 rs1409419 allele C and NOS3 rs207044 allele C were associated to stroke events, while VCAM-1 rs1409419 allele T was found to be protective. Alleles 4a and 4b of NOS3 27 bp VNTR appeared to be respectively associated to stroke risk and protection. HMOX-1 longer STRs seemed to predispose to stroke. Higher hemoglobin F levels were found in Control group, as a result of Senegal haplotype or of BCL11A rs11886868 allele T, and higher lactate dehydrogenase levels, marker of hemolysis, were found in Risk group. Molecular mechanisms underlying the modifier functions of the relevant genetic variants are discussed.