Monitoring antibiotics in the environment. Study of Quinoxaline derivatives bioactivity

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável

Biological activity of well defined hydantoin derivatives on efflux pump systems of bacteria and cancer cells

A multi-resistência a antibióticos e medicamentos usados em quimioterapia é um dos grandes problemas com os quais as instituições de saúde se debatem hoje em dia. A acção provocada por bombas de efluxo é uma das suas causas. Estas bombas têm uma importância fundamental, uma vez que, ao expelirem todo o tipo de tóxicos para o exterior das células, também expelem medicamentos, fazendo com que estes não tenham o efeito desejado dentro delas. As bombas de efluxo são transportadores que se encontram nas membranas de todo o tipo de células. Existem dois grandes tipos de bombas de efluxo: as primárias e as secundárias. As primeiras conferem multi-resistência principalmente em células eucariotas, como as células do cancro em humanos, tendo como função a mediação da repulsa de substâncias tóxicas por intermédio da hidrólise de ATP. A primeira a ser descoberta e mais estudada destas bombas foi a ABCB1 que é o gene que codifica a glicoproteína-P (P de permeabilidade). Enquanto as secundárias, que são a maior fonte de multi-resistência em bactérias, promovem a extrusão de substâncias tóxicas através da força motriz de protões. Neste tipo de bombas são conhecidas quatro famílias principais, das quais uma das mais importantes é a superfamília RND, uma vez que inclui a bomba AcrAB-TolC, que é muito importante no metabolismo xenobiótico de bactérias Gramnegativas, nomeadamente a E.coli. Com o objectivo de reverter a multi-resistência, tanto em células eucariotas como procariotas, têm-se desenvolvido estratégias de combate que envolvem a descoberta de substâncias que inibam as bombas de efluxo. Assim sendo, ao longo dos tempos têm sido descobertas variadas substâncias que cumprem este objectivo. É o caso, por exemplo, dos derivados de fluoroquinolonas usados como inibidores de bombas de efluxo em bactérias ou do Tamoxifen, utilizado na terapia de pacientes com cancro da mama. Um dos grupos de substâncias estudados para o desenvolvimento de possíveis compostos que actuem como reversores de multi-resistência são os compostos derivados de hidantoínas. Estes, são conhecidos por possuírem uma grande variedade de propriedades bioquímicas e farmacológicas, sendo portanto usados para tratarem algumas doenças em humanos, como a epilepsia. Nestes, estão englobados compostos com actividade anti-convulsão que constitui a sua grande mais-valia e, dependente da substituição no anel que os constitui, uma grande variedade de outras propriedades farmacológicas como a anti-fungica, a anti-arritmica, a anti-viral, a anti-diabética ou por exemplo a antagonização de determinados receptores, como os da serotonina. Apesar de pouco usados em estudos experimentais para desenvolver substâncias anti-carcinogénicas, existem alguns estudos com este efeito. Objectivos: O presente projecto envolve o estudo de bombas de efluxo primárias e secundárias, em células eucariotas e procariotas, respectivamente. Em bactérias, foram usados quatro modelos experimentais: Staphylococcus aureus ATCC 25923, Enterococcus faecalis ATCC 29212, E. coli AG 100 e Salmonella Enteritidis NCTC 13349. Em células de cancro foram usadas, células T de linfoma de rato parentais e células T de linfoma de rato transfectadas com o gene humano MDR-1. O principal objectivo deste estudo foi a pesquisa de novos moduladores de bombas de efluxo presentes em bactérias e células do cancro, tentando assim contribuir para o desenvolvimento de novos agentes farmacológicos que consigam reverter a multi-resistência a medicamentos. Assim sendo foram testados trinta compostos derivados de hidantoínas: SZ-2, SZ-7, LL-9, BS-1, JH-63, MN-3, TD-7k, GG-5k, P3, P7, P10, P11, RW-15b, AD-26, RW-13, AD-29, KF-2, PDPH-3, Mor-1, KK-XV, Thioam-1, JHF-1, JHC-2, JHP-1, Fur-2, GL-1, GL-7, GL-14, GL-16, GL-18. Como forma de atingir estes objectivos, a actividade biológica dos trinta compostos derivados de hidantoínas foi avaliada nas quatro estirpes de bactérias da seguinte forma: foram determinadas as concentrações mínimas inibitórias dos trinta compostos como forma de definir as concentrações em que os compostos seriam utilizados. Os compostos foram posteriormente testadas com um método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo, que é um substrato comum em bombas de efluxo bacterianas, desenvolvido por Viveiros et al. A actividade biológica dos compostos derivados de hidantoínas nas células de cancro foi demonstrada por diferentes métodos. O efeito anti-proliferativo e citotóxico dos trinta compostos foi avaliado nas células T de linfoma de rato transfectadas com o gene humano MDR-1 pelo método de thiazolyl de tetrazólio (MTT). Como o brometo de etídeo também é expelido pelos transportadores ABC, estes compostos foram posteriormente testados com um método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo desenvolvido por Spengler et al nos dois diferentes tipos de células eucariotas. Resultados: A maioria dos compostos derivados de hidantoínas foi eficaz na modulação de bombas de efluxo, nas duas estirpes de bactérias Gram-negativas e nos dois diferentes tipos de células T de linfoma. Em contraste com estes resultados, nas duas estirpes de células Gram-positivas, a maioria dos compostos tiveram pouco efeito na inibição de bombas de efluxo ou até nenhum, em muitos dos casos. De uma maneira geral os melhores compostos nas diferentes estirpes de bactérias foram: Thioam-1, SZ-2, P3, Rw-15b, AD-26, AD-29, GL-18, GL-7, KF-2, SZ-7, MN-3, GL-16 e GL- 14. Foram portanto estes os compostos que provocaram maior acumulação de brometo de etídeo, inibindo assim com maior eficácia as bombas de efluxo. No presente estudo, a maioria dos compostos conseguiu inibir a resistência provocada pela bomba de efluxo ABCB1, tanto nas células parentais bem como nas células que sobre-expressam esta bomba, causando a acumulação de brometo de etídeo dentro das células. As células que sobreexpressam a bomba ABCB1 foram posteriormente testadas com citometria de fluxo que é a técnica padrão para pesquisa de inibidores de bombas de efluxo. Os compostos que foram mais efectivos na inibição da bomba ABCB1, causando assim maior acumulação de brometo de etídeo nas células que sobre-expressam esta bomba foram: PDPH-3, GL-7, KK-XV, AD-29, Thioam-1, SZ-7, KF-2, MN-3, RW-13, LL-9, P3, AD-26, JH-63 e RW- 15b. Este facto não corroborou totalmente os resultados da citometria de fluxo uma vez que os moduladores que provocaram maior inibição da bomba ABCB1 foram o MN-3, JH-63 e o BS-1, sendo que o último não foi seleccionado como um bom composto usando o método fluorométrico de acumulação de brometo de etídeo. Conclusão: Os compostos derivados de hidantoínas testados tiveram maior efeito nas estirpes de bactérias Gram-negativas do que nas Gram-positivas. Relativamente às células eucariotas, as estruturas mais activas apresentam substituintes aromáticos bem como alguns fragmentos aminicos terciários.

The inhibitory activity of synthetic compounds and ions against transporters of multi-drug resistant bacteria

RESUMO: Sessenta e três derivados de hidantoína foram utilizados para avaliar possíveis efeitos de modulação na actividade das bombas de efluxo (BE) na Salmonella NCTC 13349 utilizando um método fluorimétrico semi-automático. Nenhum dos compostos apresentaram actividade anti-bacteriana até concentrações de 240 mg/L. Entre todos os compostos, SZ-7 demonstrou possuir propriedades de modulação de effluxo na presença de glucose. Para testar esta actividade, estirpes de Salmonella resistentes à ciprofloxacina, induzidas a elevados níveis de resistência com sobre-expressão de BE, foram expostas ao SZ-7. Este derivado afectou a susceptibilidade das estirpes à ciprofloxacina. Uma vez que os 63 compostos estudados apresentaram pouco efeito inibitório /cumulativo, apesar de serem conhecidos pelos seus efeitos moduladores de BE-dependentes de iões em eucariotas, foi questionado o papel dos iões na regulação de BE bacterianas, que poderão influenciar a eficácia de novos compostos. Para este estudo, utilizamos a Escherichia coli AG100 como modelo, devido ao extenso conhecimento no que respeita a estrutura e actividade das BE. Devido à importância de iões de cálcio (Ca2+) nos canais de transporte membranar e na actividade de ATPases, a sua actividade na modulação do efluxo foi investigada. De resultados anteriormente obtidos concluiu-se que a pH 5 o efluxo é independente de energia metabólica; contudo, a pH 8 é absolutamente dependente, sendo que o Ca2+ é indispensável para manter a actividade das ATPases bacterianas. A acumulação/effluxo de EtBr pela E. coli AG100 foi determinada na presença/ausência de Ca2+, clorpromazina (inibidor de ligação de Ca2+ a proteínas), e ácido etilenodiamino tetra-acético (quelante de Ca2+). Acumulação/effluxo aumentou a pH 8, contudo o Ca2+ reverte estes efeitos evidenciando a sua importância no funcionamento das BE bacterianas. Em resumo este trabalho colocou em evidência que muitos aspectos bioquímicos e bioenergéticos devem ser tomados em consideração no estudo da resistência bacteriana mediada por BE.------- ABSTRACT: Sixty-three hydantoin derivatives were evaluated for their modulating effects on efflux pump (EP) activity of Salmonella NCTC 13349 utilizing a semi-automatic fluorometric method. None of the compounds presented antibacterial activities at concentrations as high as 240 mg/L. Among all compounds, SZ-7 showed possible efflux modulating activity in the presence of glucose, indicative of a potential EP inhibitor. To verify its potential effects, ciprofloxacin-resistant Salmonella strains, induced to high level resistance with over-expressing EPs, were exposed to SZ-7. This derivative affected the susceptibility of the ciprofloxacin-resistant strains. Since the 63 compounds studied had very low inhibitory/accumulative effects, even though their known for being efficient in modulating ion-driven eukaryotic EPs, we questioned whether ions had a leading role in regulating bacterial EPs, influencing the effectiveness of new compounds. For this study we used Escherichia coli AG100 as a model, due to the extensive knowledge on its EPs structure and activity. Owing the importance of calcium ions (Ca2+) for membrane transport channels and activity of ATPases, the role of Ca2+ was investigated. From previous results we concluded that at pH 5 efflux is independent of metabolic energy; however, at pH 8 it is entirely dependent of metabolic energy and the Ca2+ ions are essential to maintain the activity of bacterial ATPases. Accumulation and efflux of ethidium bromide (EtBr) by E. coli AG100 was determined in the presence and absence of Ca2+, chlorpromazine (inhibitor of Ca2+-binding to proteins), and ethylenediaminetetraacetic acid (Ca2+ chelator). Accumulation of EtBr increased at pH 8; however Ca2+ reversed these effects providing information as to the importance of this ion in the regulation of bacterial EP systems. Overall this work puts in evidence that many biochemical and bioenergetic aspects related to the strains physiology need to be taken into consideration in bacterial drug resistance mediated by EPs.

Revealing fungal activity in the presence of ionic liquids

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

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.

Anaerobic bacteria: an investigation of metabolic important enzymes: a novel type of oxygen reductase and enzymes of the tetrapyrrole biosynthesis

Desulfovibrio desulfuricans was the first species of a sulphatereducing bacterium to be isolated, in 1895. Since that time, many questions were raised in the scientific community regarding the metabolic and ecological aspects of these bacteria. At present, there is still a myriad of open questions remaining to be answered to enlarge our knowledge of the metabolic pathways operative in these bacteria that have implications in the sulfur cycle, in biocorrosion, namely in sewers and in oil and gas systems, and in bioremediation of several toxic metals. The work presented in this dissertation aimed at contributing with new insights of enzymes involved in two different metabolic systems on Desulfovibrio species, namely enzymes that play a role in the response to oxidative stress and that are involved in the haem biosynthetic pathway.(...)

Environmental management and mudit training at the New University of Lisbon by University-Industry co-operation

Environmental Training in Engineering Education (ENTREE 2001) - integrated green policies: progress for progress, p. 329-339 (Florence, 14-17 November 2001; proceedings published as book)

Screening pentachlorophenol degradation ability by environmental fungal strains belonging to the phyla Ascomycota and Zygomycota

Pentachlorophenol (PCP) bioremediation by the fungal strains amongst the cork- colonising community has not yet been analysed. In this paper, the co- and direct metabolism of PCP by each of the 17 fungal species selected from this community were studied. Using hierarchical data analysis, the isolates were ranked by their PCP bioremediation potential. Fifteen isolates were able to degrade PCP under co-metabolic conditions, and surprisingly Chrysonilia sitophila, Trichoderma longibrachiatum, Mucor plumbeus, Penicillium janczewskii and P. glandicola were able to directly metabolise PCP, leading to its complete depletion from media. PCP degradation intermediates are preliminarily discussed. Data emphasise the signiWcance of these fungi to have an interesting potential to be used in PCP bioremediation processes.

Environmental Decision-making utilizing a Web GIS to Monitor Hazardous Industrial Emissions in the Valencian community of Spain

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Structural and functional characterization of the gene products responsible for phototrophic iron oxidation by purple bacteria

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

Identification of mechanisms controlling the transcriptional activity of nuclear factor kappa B (NF-κB) p65/RelA

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

The Role of Small RNAs and Ribonucleases in the Control of Gene Expression in Salmonella Typhimurium

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Atividade física e Saúde Pública : políticas e estratégias de ação intersectorial na promoção de health-enhancing physical activity (HEPA) em Portugal

RESUMO - INTRODUÇÃO: A promoção de health-enhancing physical activity (HEPA), entendida como atividade física para a saúde, revela-se um dos aspectos fulcrais do trabalho de ação intersectorial da saúde pública e um dos principais desafios atuais no combate a esta pandemia da inatividade física de consequências na saúde, económicas, ambientais e sociais. A inatividade física está identificada como sendo um dos fatores de risco que contribui largamente para a mortalidade global. Análises às abordagens políticas de promoção da atividade física para a saúde são importantes instrumentos de sistematização da informação relacionada com o estudo deste problema. OBJETIVOS: É objetivo deste estudo analisar políticas e estratégias de ação intersectorial na promoção da atividade física para a saúde em Portugal. Em específico, elencar e analisar: 1) principais políticas e estratégias atuais dos diferentes sectores; 2) consideração de qual é o papel do sector da saúde no assunto; 3) fatores-chave e critérios de sucesso para a implementação de políticas de promoção de HEPA. METODOLOGIA: Estudo qualitativo, descritivo e transversal, por meio de entrevistas semiestruturadas e abertas pelos sectores da saúde, educação, desporto, transportes/planeamento urbano e ação social; análise documental, relativamente aos últimos 3 anos, com análise de conteúdo quanto aos critérios de sucesso presentes. RESULTADOS: Foram encontradas várias categorias nas dimensões macroambiente, microambiente e individual dos determinantes da atividade física no trabalho dos diferentes sectores; o sector da saúde não foi habitualmente considerado como devendo proporcionar administração para a ação intersectorial neste domínio; foram identificados os critérios: com menor expressão no material analisado, aos quais é atribuída maior importância e aqueles com menor aplicabilidade nos documentos analisados. CONCLUSÕES: Não podemos afirmar que exista uma abordagem política/estratégica integrada de abrangência nacional, operacional, no que respeita à promoção da atividade física para a saúde. São limitadas as conclusões pelas características inerentes ao tipo de estudo desenhado, no entanto, pensamos ter contribuído para descrever as principais políticas e estratégias de ação intersectorial na promoção de HEPA em Portugal. Estudos mais abrangentes em termos de níveis de governação, sectores envolvidos e período temporal deverão ser desenvolvidos de forma a potenciar o desenvolvimento da atividade física e saúde pública.

Genomic and environmental factors influence Wolbachia-Drosophila symbiosis

Intracellular, vertically transmitted bacteria form complex and intimate relationships with their hosts. Wolbachia, maternally transmitted α- proteobacteria, live within the cells of numerous arthropod species. Wolbachia are famous master manipulators of insect reproduction: to favour their own spread they can induce male killing, parthenogenesis or cytoplasmic incompatibility. Wolbachia can also protect various insects from pathogens, which makes them a promising tool for the control of vector-borne diseases. Mosquitoes with Wolbachia have already been released in the wild to eliminate dengue. Yet, how Wolbachia manipulate their hosts remains largely unknown.(...)

Genome-scale metabolic network reconstruction of Polaromonas sp. strain JS666: analysis of cDCE degradation rates and design of experiments for bioremediation improvement

Release of chloroethene compounds into the environment often results in groundwater contamination, which puts people at risk of exposure by drinking contaminated water. cDCE (cis-1,2-dichloroethene) accumulation on subsurface environments is a common environmental problem due to stagnation and partial degradation of other precursor chloroethene species. Polaromonas sp. strain JS666 apparently requires no exotic growth factors to be used as a bioaugmentation agent for aerobic cDCE degradation. Although being the only suitable microorganism found capable of such, further studies are needed for improving the intrinsic bioremediation rates and fully comprehend the metabolic processes involved. In order to do so, a metabolic model, iJS666, was reconstructed from genome annotation and available bibliographic data. FVA (Flux Variability Analysis) and FBA (Flux Balance Analysis) techniques were used to satisfactory validate the predictive capabilities of the iJS666 model. The iJS666 model was able to predict biomass growth for different previously tested conditions, allowed to design key experiments which should be done for further model improvement and, also, produced viable predictions for the use of biostimulant metabolites in the cDCE biodegradation.