Peroxide-based hybrid and prodrug antimalarials to deliver cysteine protease inhibitors into the parasitic food vacuole

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

New synthetic methodologies for the transformation of biomass derived intermediates to valuable molecules

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Laccase-assisted bio-grafting of polyhydroxy-alkanoates (PHAs) onto the ethyl cellulose (EC) backbone

In the present study, a novel enzyme-based methodology for grafting Polyhydroxyalkanoates (PHAs) onto the ethyl cellulose (EC) as a backbone polymer was developed. Laccase assisted copolymerization was carried out under mild and eco-friendly reaction conditions. The resulting homogeneous composite membranes were characterized by Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), and Atomic Force Microscopy (AFM). The FTIR spectra of pure PHAs and PHAs containing graft composites (PHAs-g-EC) showed their strong characteristic bands at 1721 cm1, 1651 cm-1 and 1603 cm-1 respectively. Other accompanying bands in the range of 900-1300 cm-1 correspond to C=O vibration and C-O-C bond stretching, which could be contributed from PHAs and EC, respectively. The high intensity of the 3358 cm-1 band in the graft composite may have corresponded to the degradation of the carboxylic group from PHAs and also showed an increase of hydrogen-bonded groups at that distinct band region. The morphology was examined by SEM, which showed the well dispersed PHAs crystals in the backbone polymer of EC. XRD pattern for PHAs showed distinct peaks at 2-Theta values of 28o, 32o, 34o, 39o, 46o, 57o, 64o, 78o and 84o that represent the crystalline nature of PHAs. In comparison with those of neat PHAs, the degree of crystallinity for PHAs-g-EC decreased and this reduction is mainly because of the new cross-linking of PHAs within the EC backbone that changes the morphology and destroys the crystallites. Improved mechanical properties were observed for the PHAs-g-EC as compared to the individual components due to the impregnation of EC as reinforcement into the PHAs matrix. Improved mechanical strength enhanced thermal properties, along with low crystallinity of the present PHAs-g-EC suggesting its potential for various industrial and bio-medical applications.

Laccase bio-grafting a versatile modification tool from green chemistry technologies

Today more than 99% of plastics are petroleum-based because of availability and cost of the raw material. The durability of these disposed plastics contributes to the environmental problems as waste and their persistence in the environment causes deleterious effects on the ecosystem. Environmental pollution awareness and the demand for green technology have drawn considerable attention of both academia and industry into biodegradable polymers. In this regard green chemistry technology has the potential to provide solution to this problematic issue. Laccase bio-grafting has recently been the focus of green chemistry technologies due to the growing environmental concerns, legal restrictions and increasing availability of scientific knowledge. In the last several years, research covering various applications of laccases has been increased rapidly particularly in the field of grafting. In principle, laccase-assisted graft co-polymerization may impart a variety of new functionalities to a polymer. The modified polymers through grafting have a bright future and their development is practically boundless. In present work, novel biodegradable graft copolymers combining the advantages of bacterial cellulose backbone and PHB side chains will be prepared by introducing enzymatic grafting technique. The present research will be a first step in the biopolymer modification. To date no report has been found in literature explaining the enzymatic grafting of PHAs. The technique would also provide an efficient modulation approach to improve the biodegradability and biocompatibility of the graft copolymer. The newly grafted copolymers will exhibit unique functionalities with wider range of potential applications mainly in tissue engineering, biosensors, pharmaceutical industry (drug delivery systems) and bio-plastics.

Intelligent Bio-Inspired system for manufacturing scheduling under uncertainties

A novel approach to scheduling resolution by combining Autonomic Computing (AC), Multi-Agent Systems (MAS), Case-based Reasoning (CBR), and Bio-Inspired Optimization Techniques (BIT) will be described. AC has emerged as a paradigm aiming at incorporating applications with a management structure similar to the central nervous system. The main intentions are to improve resource utilization and service quality. In this paper we envisage the use of MAS paradigm for supporting dynamic and distributed scheduling in Manufacturing Systems with AC properties, in order to reduce the complexity of managing manufacturing systems and human interference. The proposed CBR based Intelligent Scheduling System was evaluated under different dynamic manufacturing scenarios.

Geostatistical Prediction of Ocean Outfall Plume Characteristics Based on an Autonomous Underwater Vehicle

Geostatistics has been successfully used to analyze and characterize the spatial variability of environmental properties. Besides giving estimated values at unsampled locations, it provides a measure of the accuracy of the estimate, which is a significant advantage over traditional methods used to assess pollution. In this work universal block kriging is novelty used to model and map the spatial distribution of salinity measurements gathered by an Autonomous Underwater Vehicle in a sea outfall monitoring campaign, with the aim of distinguishing the effluent plume from the receiving waters, characterizing its spatial variability in the vicinity of the discharge and estimating dilution. The results demonstrate that geostatistical methodology can provide good estimates of the dispersion of effluents that are very valuable in assessing the environmental impact and managing sea outfalls. Moreover, since accurate measurements of the plume’s dilution are rare, these studies might be very helpful in the future to validate dispersion models.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Sels d’imidazolium avec des anions catalytiques : vers le développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides actifs en milieu liquide ionique

Les liquides ioniques connaissent depuis quelques décennies un essor particulier en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, telles qu’une faible pression de vapeur saturante, une viscosité limitée, une faible miscibilité avec la plupart des solvants communs, ou encore des propriétés d’agencement supramoléculaire, qui en font des outils puissants dans de nombreux domaines de la chimie. Les sels d’imidazolium représentent la plus grande famille de liquides ioniques à ce jour. Leur modulabilité leur permet d’être dérivés pour de nombreuses applications spécifiques, notamment en synthèse organique, où ils sont utilisés majoritairement comme solvants, et plus récemment comme catalyseurs. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur leur utilisation en synthèse organique, à la fois comme solvants et principalement comme catalyseurs chiraux, catalyseurs pour lesquels l’anion du sel est l’espèce catalytique, permettant d’ajouter de la flexibilité et de la mobilité au système. En tirant parti de la tolérance des liquides ioniques envers la majorité des macromolécules naturelles, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est le développement d’un nouveau type de catalyseur bio-hybride reposant sur l’encapsulation d’un sel d’imidazolium dans une protéine. Par le biais de la technologie biotine-avidine, l’inclusion supramoléculaire de sels d’imidazolium biotinylés portant des contre-anions catalytiques dans l’avidine a été réalisée et exploitée en catalyse. Dans un premier temps, le développement et l’étude de deux sels de 1-butyl-3-méthylimidazolium possédant des anions chiraux dérivés de la trans-4-hydroxy-L-proline sont rapportés, ainsi que leur comportement dans des réactions énantiosélectives d’aldol et d’addition de Michael. Ces types de composés se sont révélés actifs et performants en milieu liquide ionique. Dans un second temps, la préparation de sels d’imidazolium dont le cation est biotinylé et portant un contre-anion achiral, a été réalisée. Le comportement de l’avidine en milieu liquide ionique et son apport en termes de chiralité sur le système bio-hybride ont été étudiés. Les résultats montrent le rôle crucial des liquides ioniques sur la conformation de la protéine et l’efficacité du catalyseur pour des réactions d’aldol. Dans un dernier temps, l’influence de la structure du cation et de l’anion sur le système a été étudiée. Différents espaceurs ont été introduits successivement dans les squelettes cationiques et anioniques des sels d’imidazolium biotinylés. Dans le cas du cation, les résultats ne révèlent aucune influence majeure sur l’efficacité du catalyseur. La structure de l’anion se montre cependant beaucoup plus importante : la préparation de différents catalyseurs bio-hybrides possédant des anions aux propriétés physico-chimiques différentes a permis d’obtenir de plus amples informations sur le mode de fonctionnement du système bio-hybride et de la coopérativité entre l’avidine et l’anion du sel d’imidazolium.La nature ionique de la liaison cation-anion offrant une liberté de mouvement accrue à l’anion dans la protéine, la tolérance à différents substrats a également été abordée après optimisation du système.

Synthesis of Bio-Compatible SPION–based Aqueous Ferrofluids and Evaluation of RadioFrequency Power Loss for Magnetic Hyperthermia

Bio-compatible magnetic fluids having high saturation magnetization find immense applications in various biomedical fields. Aqueous ferrofluids of superparamagnetic iron oxide nanoparticles with narrow size distribution, high shelf life and good stability is realized by controlled chemical co-precipitation process. The crystal structure is verified by X-ray diffraction technique. Particle sizes are evaluated by employing Transmission electron microscopy. Room temperature and low-temperature magnetic measurements were carried out with Superconducting Quantum Interference Device. The fluid exhibits good magnetic response even at very high dilution (6.28 mg/cc). This is an advantage for biomedical applications, since only a small amount of iron is to be metabolised by body organs. Magnetic field induced transmission measurements carried out at photon energy of diode laser (670 nm) exhibited excellent linear dichroism. Based on the structural and magnetic measurements, the power loss for the magnetic nanoparticles under study is evaluated over a range of radiofrequencies.

Efficacy of Cluster- Based Approach for the revival of Handloom Co-operative Societies in Kerala- with special reference to Thiruvananthapuram and Kannur Districts

one of the key sectors, identified by the Department of Industries Government of Kerala, for the cluster development initiative is Handloom, which gives employment to over over 50,000 people directly. Despite its age old tradition and fame, the performance of the sector vis-à-vis power looms is not very rosy owing to (i) competition from cheap power loom cloth from other states (ii) scarcity of quality yarn (iii) price escalation of yarn, dyes, chemicals and other raw materials (iv) the shrinking market for handlooms in Kerala (v) non-demand based production and inadequacy of new designs and (vi) inefficiencies in the system, particularly in the co-operative sector. Cluster based approach is adopted in the handloom sector with the objective of providing necessary support mechanism to come out of the crisis that the sector faces now. While four cluster schemes are being implemented in Kerala, it is under IHDS-CDP that the State got a sizeable number of clusters benefiting a large number of societies and weavers- 24 handloom clusters, bringing 152 handloom co-operative societies and over 19,800 handloom workers under the Programme. This research attempts to revisit the underlying rationale and context of the new direction and would attempt to broadly analyze the growth trends under the influence of cluster model adopted by the State IHDS-CDP for the revival of handloom sector through a detailed study of the handloom co-operative societies in Kerala. If handloom sector in Kerala can be revived using cluster based approach, it can be easily concluded that cluster is capable of taking the MSME in Kerala to a ‘high growth path.’ The study is aimed at understanding how best clusters emerge as appropriate industrial organization suitable for the current global structure of manufacture

Determination of the silvo-melliferous regions of Benin: a nationwide categorisation of the land based on melliferous plants suitable for timber production

Perennial plants are the main pollen and nectar sources for bees in the tropical areas where most of the annual flora are burned in dry seasons. Therefore perennial plants constitute the most reliable bio materials for determining and evaluating the beekeeping regions of the Republic of Benin. A silvo-melliferous region (S-MR) is a geographical area characterised by a particular set of homogenous melliferous plants that can produce timber. Using both the prevailing climatic and the agro-ecological conditions six S-MRs could be identified, i.e. the South region, the Common Central region, the Central West region, the Central North region, the Middle North region and the Extreme North region. At the country level, the melliferous plants were dominated by Vitellaria paradoxa which is common to all regions. The most diversified family was the Caesalpiniaceae (12 species) followed by the Combretaceae (10 species) and Combretum being the richest genus. The effect of dominance is particularly high in the South region where Elaeis guineensis alone represented 72.6% of the tree density and 140% of the total plant importance. The total melliferous plant density varied from 99.3 plants ha^(−1) in the Common Central region to 178.0 plants ha^(−1) in the Central West region. On the basis of nectar and pollen source, the best region for beekeeping is the CentralWest region with 46.7% of nectar producing trees, 9.4% of pollen producing trees and 40.6% of plants that issue both, this in opposition to the South region which was characterised by an unbalanced distribution of melliferous trees.

Review of bio-particle manipulation using dielectrophoresis

During the last decade, large and costly instruments are being replaced by system based on microfluidic devices. Microfluidic devices hold the promise of combining a small analytical laboratory onto a chip-sized substrate to identify, immobilize, separate, and purify cells, bio-molecules, toxins, and other chemical and biological materials. Compared to conventional instruments, microfluidic devices would perform these tasks faster with higher sensitivity and efficiency, and greater affordability. Dielectrophoresis is one of the enabling technologies for these devices. It exploits the differences in particle dielectric properties to allow manipulation and characterization of particles suspended in a fluidic medium. Particles can be trapped or moved between regions of high or low electric fields due to the polarization effects in non-uniform electric fields. By varying the applied electric field frequency, the magnitude and direction of the dielectrophoretic force on the particle can be controlled. Dielectrophoresis has been successfully demonstrated in the separation, transportation, trapping, and sorting of various biological particles.

Analytical methodologies based on X-Ray Fluorescence Spectrometry (XRF) and Inductively Couple Plasma Spectroscopy (ICP) for the assessment of metal dispersal around mining environments

La investigació que es presenta en aquesta tesi es centra en l'aplicació i millora de metodologies analítiques existents i el desenvolupament de nous procediments que poden ser utilitzats per a l'estudi dels efectes ambientals de la dispersió dels metalls entorn a les zones mineres abandonades. En primer lloc, es van aplicar diferents procediments d'extracció simple i seqüencial per a estudiar la mobilitat, perillositat i bio-disponibilitat dels metalls continguts en residus miners de característiques diferents. Per altra banda, per a estudiar les fonts potencials de Pb en la vegetació de les zones mineres d'estudi, una metodologia basada en la utilització de les relacions isotòpiques de Pb determinades mitjançant ICP-MS va ser avaluada. Finalment, tenint en compte l'elevat nombre de mostres analitzades per a avaluar l'impacte de les activitats mineres, es va considerar apropiat el desenvolupament de mètodes analítics d'elevada productivitat. En aquest sentit la implementació d'estratègies quantitatives així com l'aplicació de les millores instrumentals en els equips de XRF han estat avaluades per a aconseguir resultats analítics fiables en l'anàlisi de plantes. A més, alguns paràmetres de qualitat com la precisió, l'exactitud i els límits de detecció han estat curosament determinats en les diverses configuracions de espectròmetres de XRF utilitzats en el decurs d'aquest treball (EDXRF, WDXRF i EDPXRF) per a establir la capacitat de la tècnica de XRF com a tècnica alternativa a les clàssiques comunament aplicades en la determinació d'elements en mostres vegetals.