Experimental design methodologies for the identification of Michaelis-Menten type kinetics

The main objective of this work was to investigate the application of experimental design techniques for the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters. More specifically, this study attempts to elucidate the relative advantages/disadvantages of employing complex experimental design techniques in relation to equidistant sampling when applied to different reactor operation modes. All studies were supported by simulation data of a generic enzymatic process that obeys to the Michaelis-Menten kinetic equation. Different aspects were investigated, such as the influence of the reactor operation mode (batch, fed-batch with pulse wise feeding and fed-batch with continuous feeding) and the experimental design optimality criteria on the effectiveness of kinetic parameters identification. The following experimental design optimality criteria were investigated: 1) minimization of the sum of the diagonal of the Fisher information matrix (FIM) inverse (A-criterion), 2) maximization of the determinant of the FIM (D-criterion), 3) maximization of the smallest eigenvalue of the FIM (E-criterion) and 4) minimization of the quotient between the largest and the smallest eigenvalue (modified E-criterion). The comparison and assessment of the different methodologies was made on the basis of the Cramér-Rao lower bounds (CRLB) error in respect to the parameters vmax and Km of the Michaelis-Menten kinetic equation. In what concerns the reactor operation mode, it was concluded that fed-batch (pulses) is better than batch operation for parameter identification. When the former operation mode is adopted, the vmax CRLB error is lowered by 18.6 % while the Km CRLB error is lowered by 26.4 % when compared to the batch operation mode. Regarding the optimality criteria, the best method was the A-criterion, with an average vmax CRLB of 6.34 % and 5.27 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively, while presenting a Km’s CRLB of 25.1 % and 18.1 %, for batch and fed-batch (pulses), respectively. As a general conclusion of the present study, it can be stated that experimental design is justified if the starting parameters CRLB errors are inferior to 19.5 % (vmax) and 45% (Km), for batch processes, and inferior to 42 % and to 50% for fed-batch (pulses) process. Otherwise equidistant sampling is a more rational decision. This conclusion clearly supports that, for fed-batch operation, the use of experimental design is likely to largely improve the identification of Michaelis-Menten kinetic parameters.

The expression in saccharomyces cerevisiae of a glucose/xylose symporter from Candida intermedia is affected by the presence of a glucose/xylose facilitator

Microbiology, 154

Structure to function studies in UDP-glucose dehydrogenases and nitroreductases

The thesis is divided into two parts corresponding to structural studies on two different proteins. The first part concerns the study of two UDP-glucose dehydrogenases (UGDs) from Sphingomonas elodea ATCC 31461 and Burkholderia cepacia IST 408, both involved in exopolysaccharide production. Their relevance arises because some of these bacterial exopolysaccharides are valuable as established biotechnological products, the former case, whilst others are highly problematic, when used by pathogens in biofilm formation over biological surfaces, as the latter case, namely in the human lungs. The goal of these studies is to increase our knowledge regarding UGDs structural properties, which can potentiate either the design of activity enhancers to respond to the increased demand of useful biofilms, or the design of inhibitors of biofilm production, in order to fight invading pathogens present in several infections. The thesis reports the production and crystallisation of both proteins, the determination of initial phases by single-wavelength anomalous dispersion (SAD) in S. elodea crystals using a seleno-methionine isoform, and phasing of B. cepacia crystals by molecular replacement (MR) using the S. elodea model, as well as the refinement, structural analysis and comparison between the several UGDs structures available during this work.(...)

trans-Acting factors and cis elements involved in glucose repression of arabinan degradation in Bacillus subtilis.

Journal of Bacteriology (Nov 2007) 8371-8376

Fast-to-fed shift in glucose homeostasis: clues to an earlier detection of human prediabetic states

FCM: UC Bioquímica I - PhD Thesis

Modelling of the kinetics of municipal solid waste composting in full-scale mechanical-biological treatment plants

A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Sanitary Engineering in the Faculty of Sciences and Technology of the New University of Lisbon

Alterações de pH após adição de pulsos de glucose a Saccharomyces cerevisiae: estimativa de parâmetros a partir da modelação matemática do comportamento cinéticometabólico

Dissertação para a obtenção do grau de mestre em Bioquímica Estrutural e Funcional

Regulação integrada do metabolismo da glucose no estado pós-prandial : fisiologia e reversão de processos patológicos

Resumo: Os mecanismos que regulam a homeostase da glucose no pós-prandial são distintos dos mecanismos desencadeados em situações de jejum. Desta forma o fígado parece desempenhar um papel fundamental na acção periférica da insulina após a refeição através de um mecanismo que envolve os nervos parassimpáticos hepáticos e o óxido nítrico (NO). Esta dissertação procura evidenciar a importância de ambos na fi siologia de manutenção da glicémia pós-prandial e na fi siopatologia da resistência à insulina. Dos resultados obtidos observou-se que após a administração de uma refeição mista o perfi l glicémico foi distinto em animais com ou sem ablação dos nervos parassimpáticos hepáticos. A desnervação parassimpática hepática aumentou as excursões de glucose imediatamente após a refeição. Estas diferenças nas excursões de glucose dependentes do parassimpático ocorreram devido a uma diminuição da clearance de glucose, sem que fosse afectada a taxa de aparecimento de glucose no sangue, a produção endógena de glucose e secreção de insulina ou péptido-C. Este aumento das excursões de glucose revelou-se ser devida à diminuição da clearance de glucose pós-prandial exclusivamente no músculo-esquelético, coração e o rim. Concluiu-se que o fígado teria uma função endócrina nestes três órgãos. Surgiu assim a hipótese dos S-nitrosotiois (RSNOs) poderem mimetizar essa resposta endócrina. Testou-se o seu efeito in vivo na sensibilidade à insulina. Para níveis baixos de sensibilidade à insulina, como jejum, desnervação no estado pós-prandial e resistência à insulina os RSNOs potenciaram a sensibilidade à insulina para valores semelhantes ao pós-prandial indicando-os como potenciais fármacos no tratamento da resistência à insulina. O NO e seus derivados ganharam assim uma evidência cada vez maior na acção periférica da insulina e portanto fez-se uma caracterização dos seus níveis desde a fi siologia à fi siopatologia. Os resultados obtidos nesta dissertação permitiram correlacionar a sintetase de óxido nítrico (NOS), enzima responsável pela síntese de NO como um possível marcador da resistência à insulina. Os resultados obtidos contribuíram substancialmente para compreender os mecanismos fi siológicos e fi siopatológicos de manutenção da glicémia após a refeição, colocando o fígado como órgão primordial na regulação periférica (extra-hepática) da captação de glucose.-------- ABSTRACT: The mechanisms responsible for the postprandial response are different from the ones in the fasted state. Therefore the liver seems to play a fundamental role in postprandial insulin action through a mechanism that evolves the hepatic parasympathetic nerves (HPN) and nitric oxide (NO). This work focused on the importance of both, HPN and NO, on postprandial glycemic control and on the pathophysiology of insulin resistance. We observed that after administration of a mixed meal the glycemic profi les with or without the parasympathetic nerves were distinct, increasing glucose excursions after ablation of HPN.This increase in glucose excursions was due to a decrease on the rate of glucose disappearance in extra-hepatic tissues. Glucose appearance rate, endogenous glucose production and insulin secretion were not related to this mechanism. The increase on glucose excursions after the ablation of hepatic parasympathetic system was due to a decrease on glucose clearance on extra-hepatic tissues, namely skeletal-muscle, heart and kidney. We concluded that the liver has an endocrine function on those tissues increasing their glucose uptake.This mechanism led to propose the hypothesis that S-nitrosothiols (RSNOs) could mimic this mechanism. Therefore RSNOs effects on insulin sensitivity were tested. For low insulin sensitivity levels, i.e. fasted state, ablation of the HPN or insulin resistance state induced by a high sucrose diet RSNOs increased insulin sensitivity to levels normally observed in the postprandial state. These results indicated these drugs as potential pharmacological tools in the treatment of insulin resistance. NO and their derivates emerged as fundamental parts of insulin action. A characterization of nitric oxide and nitric oxide synthase (NOS), the enzyme responsible for NO synthesis was part of the work performed. We concluded that NO could be used as a biomarker for insulin resistance states. This work contributed for understanding the mechanism underlying postprandial glycemic control indicating the liver as a key organ in the regulation of peripheral (extra-hepatic) insulin action.

Mediated catalysis of Paracoccus pantotrophus cytochrome c peroxidase by P. pantotrophus pseudoazurin: kinetics of intermolecular electron transfer

J Biol Inorg Chem (2007) 12:691–698 DOI 10.1007/s00775-007-0219-9

Kinetics studies of the superoxide-mediated electron transfer reactions between rubredoxin-type proteins and superoxide reductases

J Biol Inorg Chem (2006) 11: 433–444 DOI 10.1007/s00775-006-0090-0

Bioengineering of Lactococcus lactis through modulation of its major glucose transporter

Dissertation to obtain the Master Degree in Biotechnology

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.

Marine toxins in bivalves: accumulation, kinetics and subcellular responses

Sociedade Polis Litoral Ria Formosa,Projects Quasus and Project Toxigest financed by PROMAR (2007-2013)

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.