Afffinity tag excision strategies for Car9-tagged proteins

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Delipidation of a hepadnavirus: Viral inactivation and vaccine development

Many viruses including HIV, hepatitis C and hepatitis B, have an outer lipid envelope which maintains inserted viral peptides in the “correct” functional conformation and orientation. Disruption of the lipid envelope by most solvents destroys infectivity and often results in a loss of antigenicity. This communication outlines a novel approach to viral inactivation by specific solvent delipidation which modifies the whole virion rendering it non-infective, but antigenic. Duck hepatitis B virus (DHBV) was delipidated using a diisopropylether (DIPE) and butanol mixture and residual infectivity tested by inoculation into day-old ducks. Delipidation completely inactivated the DHBV (p < 0.001). Delipidated DHBV was then used to vaccinate ducks. Three doses of delipidated DHBV induced anti-DHBs antibody production and prevented high dose challenge infection in five out of six ducks. In comparison, five of six ducks vaccinated with undelipidated DHBV and four of four ducks vaccinated with glutaraldehyde inactivated DHBV were unprotected (p < 0.05). Although this solvent system completely inactivated DHBV, viral antigens were retained in an appropriate form to induce immunity. Delipidation of enveloped viruses with specific organic solvents has potential as the basis for development of vaccines.

Enzymatic stabilization of gelatin-based scaffolds

The definitive goal of this research is to develop protein-based scaffolds for use in soft tissue regeneration, particularly in the field of dermal healing. The premise of this investigation was to characterize the mechanical properties of gelatin cross-linked with microbial transglutaminase (mTGase) and to investigate the cytocompatibility of mTGase cross-linked gelatin. Dynamic rheological analysis revealed a significant increase in the storage modulus and thermal stability of gelatin after cross-linking with mTGase. Static, unconfined compression tests showed an increase in Young's modulus of gelatin gels after mTGase cross-linking. A comparable increase in gel strength was observed with 0.03% mTGase and 0.25% glutaraldehyde cross-linked gelatin gels. In vitro studies using 3T3 fibroblasts indicated cytotoxicity at a concentration of 0.05% mTGase after 72 h. However, no significant inhibition of cell proliferation was seen with cells grown on lower concentrations of mTGase cross-linked gelatin substrates. The mechanical improvement and cytocompatibility of mTGase cross-linked gelatin suggests mTGase has potential for use in stabilizing gelatin gels for tissue-engineering applications.

The incidence of corpora amylacea (CA) in the optic nerve of patients with Alzheimer's disease

Corpora amylacea (CA) are spherical or ovoid bodies 50-50 microns in diameter. They have been described in normal elderly brain as well as in a number of neurodegenerative disorders. In this study, the incidence of CA in the optic nerves of Alzheimer's disease (AD) patients was compared with normal elderly controls. Samples of optic nerves (MRC Brain Bank, Institute of Psychiatry) were taken from 12 AD patients (age range 69-94 years) and 18 controls (43-82 years). Optic nerves were fixed in 2% buffered glutaraldehyde, post-fixed in osmium tetroxide, embedded in epoxy resin and then sectioned to a thickness of 2 microns. Sections were stained with toluidine blue. CA were present in all of the optic nerves examined. In addition, a number of similarly stained but more irregularly shaped bodies were present. Fewer CA were found in the optic nerves of AD patients compared with controls. By contrast, the number or irregularly shaped bodies was increased in AD. In AD, there may be a preferential decline in the large diameter fibres which may mediate the M-cell pathway. Hence, the decline in the incidence of CA in AD may be associated with a reduction in these fibres. It is also possible that the irregualrly shaped bodies are a degeneration product of the CA.

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Obtenção de um hidrogel proveniente de proteínas da corvina (micropogonias furnieri) e solubilização das proteínas fibrosas residuais

Com o aumento na captura de pescado e da poluição do meio ambiente, esta-se à margem de exceder a estimativa do limite da sustentabilidade, e obviamente isto faz com se utilize os recursos marítimos com mais inteligência e precaução. Aplicando tecnologia enzimática ou química é possível recuperar as proteínas do processamento do pescado, produzindo hidrolisados e isolados protéicos. Uma grande quantidade de proteínas insolúveis está disponível em escamas, peles e ossos, subprodutos do processamento do pescado, que podem ser solubilizadas através de fungos e bactérias. Utilizando isolados protéicos é possível obter biopolímeros, estes têm chamado a atenção nos últimos anos, pois são biodegradáveis, não-tóxicos e geralmente biocompatíveis. Os hidrogéis protéicos são polímeros que podem absorver uma quantidade de água a partir de 10 até centenas de vezes o seu peso seco. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um hidrogel protéico, com propriedades superabsorventes, a partir das proteínas solúveis e insolúveis da corvina (Micropogonias furnieri). Para a produção dos hidrolisados a partir das proteínas solúveis foi utilizado processo enzimático (Alcalase e Flavourzyme) e químico (solubilização ácida e alcalina). Nos processos de solubilização das proteínas insolúveis foram utilizados microrganismos (bactérias e fungos). Tanto as bactérias como os fungos avaliados apresentaram capacidade de solubilizar as proteínas insolúveis presentes nos resíduos (escamas, ossos, cartilagens e outros). A bactéria que atingiu a maior atividade proteolítica foi a Bacillus velesensis (47,56 U mL-1) e o fungo foi o Penicillium sp. (E20) (31,20 U mL-1). Para a produção dos hidrogéis, foram utilizados isolados protéicos provenientes de solubilização ácida ou alcalina, produzidos a partir de resíduos da industrialização de pescado, modificados quimicamente com dianidrido etilenodiamino tetraacético (EDTAD) e adicionados de agente de ligação cruzada (glutaraldeído). Algumas proteínas modificadas ainda foram submetidas a tratamento com etanol. Foram realizadas análise estrutural das proteínas modificadas e estudo da capacidade de retenção de água dos hidrogéis assim obtidos. Os hidrogéis produzidos apresentaram alta capacidade de retenção de água. A máxima absorção de água foi alcançada pelo hidrogel ácido sem o tratamento com etanol foi de 103,25 gágua/ggel seco, enquanto que a mesma amostra tratada com etanol alcançou 216,05 gágua/ggel seco. Os hidrogéis produzidos podem ser utilizados em diversas indústrias, tais como, farmacêutica, alimentícia, médica, agroindústria, entre outras, que necessitem de hidrogéis com alta capacidade de retenção de água.

Produção enzimática de biodiesel a partir de resíduos agro-industriais usando a lipase imobilizada de origem microbiana

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Développement de matériaux à base de protéines extraites du byssus de la moule bleue Mytilus edulis

Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.

Evaluation of cross-linked enzyme aggregates of Lactobacillus cell-envelope proteinases, for protein degradation

Enzymatic hydrolysis is a widely used approach to improve the functional, nutritionaland physiological properties of food proteins. In this study, cross-linked enzyme aggre-gates (CLEAs) have been prepared from cell-envelope proteinases (CEPs) of Lactobacillusdelbrueckii subsp. lactis 313 and their proteolytic properties have been evaluated using severalfood proteins. We have optimized cross-linking conditions including ammonium sulphateconcentration, incubation temperatures, agitation speed, glutaraldehyde cross-linker con-centration, reaction time and the addition of proteic feeders. Particularly, the presence ofBSA improves retained activity of cross-linked CEP aggregates (CLCEPAs) from 21.5% to 40.9%.Blocking unreacted cross-linking groups on aggregates is important to enhance recyclabil-ity of CLCEPAs. CLCEPAs had attractive thermal stability at 50◦C and it showed enhancedcatalytic activity over long-term storage after lyophilization. We have demonstrated thatCLCEPAs has proteolytic properties on different food proteins including complex (chickenegg albumin, skimmed-milk protein), fractionated (bovine casein, whey protein isolate), andpurified (bovine serum albumin) proteins. Being the first report of CLEAs from lactobacilliCEPs, this study demonstrates the feasibility of using LDL 313 CLCEPAs for degradation ofvarious food proteins.

Microencapsulation of flaxseed oil in flaxseed protein and flaxseed gum complex coacervates

Flaxseed oil, a rich source of omega-3 fatty acids, was microencapsulated in a novel matrix formed by complex coacervation between flaxseed protein isolate (FPI) and flaxseed gum (FG). This matrix was crosslinking with glutaraldehyde. Liquid microcapsules with three core (oil)-to-wall ratios (1:2, 1:3 and 1:4) were prepared and spray-dried or freeze-dried to produce powders. The microencapsulation efficiency, surface oil, morphology and oxidative stability of these microcapsules were determined. The spray-dried solid microcapsules had higher oil microencapsulation efficiency, lower surface oil content, smoother surface morphology and higher oxidation stability than the freeze-dried microcapsules. The highest microencapsulation efficiency obtained in spray-dried microcapsules was 87% with a surface oil of 2.78% at core-to-wall ratio 1:4 and oil load 20%. The oxidation stability obtained from spray-dried microcapsules at core-to-wall ratio of 1:4 was nearly double that of the unencapsulated flaxseed oil.