FISH analysis of biofilm samples from five CANON reactors in Beijing

Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) has been regarded as an efficient and economical process for nitrogen removal from wastewater. The distribution and genetic diversity of the functional microorganisms in five lab-scale CANON reactors have been investigated by using some molecular biology methods. Nitrosomonas-like aerobic ammonium oxidizing bacteria (AerAOB) and Candidatus Brocadia-related anaerobic ammonium oxidizing bacteria (AnAOB) were detected as predominant functional microbes in the five reactors while Nitrobacter-like nitrite oxidizing bacteria (NOB) existed only in the systems operated at ambient temperature. Communities of AerAOB and AnAOB were almost similar among the five reactors while the distribution of the functional microbes was either scattered or densely packed. Meanwhile, this study has demonstrated the feasibility of starting up CANON by inoculating conventional activated sludge in low ammonium content at ambient temperature.

Nematodes as indicators of the effect of soil fumigants on soil functioning

Debido al futuro incierto de la mayor parte de los fumigantes edáficos usados actualmente en la Unión Europea, que pueden implicar riesgos para la salud humana/animal y el medio ambiente, es necesario desarrollar programas de manejo integrado para el control de plagas de cultivos. Estos programas se incluyen como obligatorios en el Reglamento (EC) No. 1107/2009. De acuerdo con este Reglamento, es obligatoria la evaluación del riesgo asociado al uso de productos fitosanitarios sobre los organismos edáficos no diana y sus funciones, además de llevar a cabo ensayos con diferentes especies indicadoras para obtener datos de toxicidad que puedan ser usados posteriormente en la evaluación de riesgo. Sin embargo, la baja representatividad de algunas de estas especies indicadoras en el área Mediterránea supone una gran limitación. En esta situación, el Panel Científico de Productos Fitosanitarios y sus Residuos de la Autoridad Europea en Seguridad Alimentaria (EFSA), ha señalado la necesidad de modificar los datos ecotoxicológicos requeridos para evaluar los efectos adversos de los productos fitosanitarios de una manera más integrada, incluyendo criterios funcionales y estructurales mediante organismos como bacterias, hongos, protozoos y nematodos. De este modo, la EFSA ha recomendado el uso de los nematodos en la evaluación de la funcionalidad y estructura del suelo. Los nematodos están globalmente distribuidos y son morfológicamente diversos; esto junto con su gran abundancia y diversidad de respuestas a las perturbaciones edáficas, los convierte en indicadores adecuados del estado del suelo. Puesto que los nematodos interaccionan con muchos otros organismos que participan en diferentes eslabones de la red trófica edáfica, jugando papeles importantes en procesos edáficos esenciales en los agroescosistemas, la diversidad de nematodos es, a menudo, usada como indicador biológico de los efectos de las prácticas agrícolas en el estado del suelo. En los últimos años, diferentes índices basados en la comunidad nematológica han facilitado la interpretación de datos complejos sobre la ecología del suelo. Los índices de la red trófica edáfica, basados en la abundancia de grupos funcionales definidos como grupos C-P y grupos tróficos, permiten la evaluación de la funcionalidad de la red trófica edáfica. Por otra parte, la dificultad en la identificación taxonómica de nematodos para explicar su uso limitado como indicadores ecológicos, es ampliamente discutida, y existe cierta controversia en cuanto a la eficacia de los diferentes métodos de identificación de nematodos. Se argumenta que la identificación morfológica es difícil y puede llevar mucho tiempo debido a la falta de expertos especializados, y se afirma que las técnicas moleculares pueden resolver algunas limitaciones de las técnicas morfológicas como la identificación de juveniles. Sin embargo, los métodos de identificación molecular tienen también limitaciones; la mayoría de las bases de datos de secuencias de ADN están fuertemente orientadas hacia los nematodos fitoparásitos, los cuales representan sólo una parte de la comunidad edáfica de nematodos, mientras que hay poca información disponible de nematodos de vida libre a pesar de representar la mayoría de los nematodos edáficos. Este trabajo se centra en el estudio de los efectos de fumigantes edáficos en la funcionalidad del suelo a través del uso de diferentes indicadores basados en la comunidad de nematodos, como los índices de la red trófica, índices de diversidad, abundancia de los taxones más relevantes etc. También se han analizado otros indicadores funcionales relacionados con la supresividad edáfica, el ciclo de nutrientes o la actividad de la microfauna del suelo. En el capítulo 1, la diversidad de nematodos estudiada en una explotación comercial de fresa y sus alrededores durante dos campañas consecutivas en el suroeste español, fue baja en los suelos fumigados con fumigantes químicos ambas campañas y, aunque se observó una recuperación a lo largo de la campaña en la zona tratada, los suelos fumigados mostraron una condición perturbada permanente. La comunidad de nematodos estuvo más asociada al ciclo de nutrientes en la zona sin cultivar que en los suelos cultivados, y se observó poca relación entre la biomasa de las plantas y la estructura de la comunidad de nematodos. Los surcos sin tratar dentro de la zona de cultivo funcionaron como reservorio tanto de nematodos fitoparásitos como beneficiosos; sin embargo estas diferencias entre los surcos y los lomos de cultivo no fueron suficientes para mantener la supresividad edáfica en los surcos. Los suelos tratados fueron menos supresivos que los suelos sin tratar, y se observaron correlaciones positivas entre la supresividad edáfica y la estructura de la red trófica edáfica y la diversidad de nematodos. En el capítulo 2, se evaluaron los efectos de dos pesticidas orgánicos con efecto nematicida y dos nematicidas convencionales sobre las propiedades físico químicas del suelo, la diversidad de nematodos y la biomasa de las plantas en condiciones experimentales en dos tipos de suelo: suelos agrícolas poco diversos y suelos provenientes de una zona de vegetación natural muy diversos. El mayor efecto se observó en el tratamiento con neem, el cual indujo un gran incremento en el número de dauerlarvas en los suelos pobres en nutrientes, mientras que el mismo tratamiento indujo un incremento de poblaciones de nematodos bacterívoros, más estables y menos oportunistas, en los suelos del pinar ricos en materia orgánica. En el capítulo 3, se comparó la eficacia de métodos moleculares (TRFLP, Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) y morfológicos (microscopía de alta resolución) para la identificación de diferentes comunidades denematodos de España e Irlanda. Se compararon estadísticamente las diferencias y similitudes en la diversidad de nematodos, otros indicadores ecológicos y de la red trófica edáfica. Las identificaciones mediante el uso de TRFLP sólo detectó un porcentaje de los taxones presentes en las muestras de suelo identificadas morfológicamente, y los nematodos omnívoros y predadores no fueron detectados molecularmente en nuestro estudio. Los índices calculados en base a los nematodos micróboros mostraron más similitud cuando se identificaron morfológica y molecularmente que los índices basados en grupos tróficos más altos. Nuestros resultados muestran que, al menos con la técnica usada en este estudio, la identificación morfológica de nematodos es una herramienta fiable y más precisa que la identificación molecular, puesto que en general se obtiene una mayor resolución en la identificación de nematodos. En el capítulo 4, se estudiaron también los efectos de los nematicidas químicos sobre la comunidad de nematodos y la biomasa de las plantas en condiciones experimentales de campo, donde se aplicaron en una rotación de cultivo judía-col durante un ciclo de cultivo. Se aplicaron dos tipos de enmiendas orgánicas con el objetivo de mitigar el efecto negativo de los productos fitosanitarios sobre la diversidad edáfica. El efecto de los nematicidas sobre las propiedades del suelo y sobre la comunidad de nematodos fue más agudo que el efecto de las enmiendas. La incorporación de los restos de cosecha al final del ciclo de cultivo de la judía tuvo un gran efecto sobre la comunidad de nematodos, y aunque el número total de nematodos incrementó al final del experimento, se observó una condición perturbada permanente de la red trófica edáfica a lo largo del experimento. ABSTRACT Due to the uncertain future of the soil fumigants most commonly used in the EU, that might involve risks for human/animal health and the environment, there is a need to develop new integrated pest management programs, included as mandatory in the Regulation (EC) No. 1107/2009, to control crop diseases. According to this Regulation, evaluating the risk associated to the use of the plant production products (PPP) on non-target soil fauna and their function, and developing assays with different indicator species to obtain toxicity data to be used in the risk evaluation is mandatory. However, the low representativeness of some of these indicator species in the Mediterranean area is a relevant limitation. In this situation, the Scientific Panel of Plant Protection Products and their Residues of the European Food Safety Authority (EFSA) has pointed out the necessity of modifying the ecotoxicological data set required to evaluate non-target effects of PPP in a more integrated way, including structural and functional endpoints with organism such as bacteria, fungi, protists and nematodes. Thus, EFSA has recommended the use of nematodes in the assessment of the functional and structural features of the soil. Nematodes are globally distributed and morphologically diverse, and due to their high abundance and diversity of responses to soil disturbance, they are suitable indicators of the soil condition. Since nematodes interact with many other organisms as participants in several links of the soil food web, playing important roles in essential soil processes in agroecosystems, nematode diversity is often used as a biological indicator of the effects of agricultural practices on soil condition. In the last years, various indices based on soil nematode assemblages, have facilitated the interpretation of complex soil ecological data. Soil food web indices based on the abundances of functional guilds defined by C-P groups and trophic groups, permit evaluating soil food web functioning. On the other hand, the difficulty of nematode taxonomical identification is commonly argued to explain their limited used as ecological indicators, and there is a certain controversy in terms of the efficacy of various nematode identification methods. It is argued that the morphological identification is difficult and time consuming due to the lack of specialist knowledge, and it is claimed that molecular techniques can solve some limitations of morphological techniques such as the identification of juveniles. Nevertheless, molecular identification methods are limited too, since most of the DNA-based databases are strongly oriented towards plant-parasitic nematodes that represent only a fraction of the soil nematode community, while there is little information available on free-living nematodes, which represent most soil nematodes. This work focuses on the study of the effects of soil fumigants on soil functioning through the use of different indicators based on soil nematode community as soil food web indices, diversity indices, the abundance of more relevant taxa etc. Other functional indicators related to soil suppressiveness, nutrient cycling, or the activity of soil microfauna have been also studied. In chapter 1, nematode diversity assessed in a commercial strawberry farm and its surroundings for two consecutive growing seasons in southern Spain, was low in fumigated soils with chemical pesticides throughout both seasons and, although yearly recovery occurred within the treated fields, fumigated soils showed a permanent perturbed condition. The nematode community was more closely associated to nutrient cycling in the non-cropped than in the cropped soils, and the link between plant biomass and nematode community structure was weak. Non-treated furrows within the treated fields were a reservoir of both beneficial and plant-parasitic nematodes, but such difference between furrows and beds was not enough to maintain more suppressive soil assemblages in the furrows. Treated soils were less suppressive than unmanaged soils, and there was a positive and significant correlation between soil suppressiveness and soil food web structure and diversity. In chapter 2, the effects of two organic pesticides with nematicide effect and two chemical nematicides on soil physicalchemical properties, soil nematode diversity and plant biomass in experimental conditions were assessed in two types of soils: low diversity soils from an agricultural farm, and high diversity soils from a natural vegetation area. The larger effect was observed on the neem treatment, which induced a large boost of dauer juveniles in the nutrient-depleted soil, while the same treatment induced the increase of more stable, less opportunistic, populations of generalist bacterivore nematodes in the pine forest soil, rich in organic matter. In chapter 3, comparison of the efficiency of molecular (TRFLP, Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) and morphological (microscopy at high magnification) identification methods was carried out in different nematode communities from five sites of different land uses in Spain and Ireland. Differences and similarities on nematode diversity and other ecological and soil food web indices assessed by both methods, were statistically compared. Molecular identification with TRFLP only detected a percentage of the taxa present in the soil samples identified morphologically, and omnivores and predators were not detected molecularly in our study. Indices involving microbial feeding nematodes were more similar between identification methods than indices involving higher trophic links. Our results show that, at least with the technique used in this study, identifying nematodes morphologically is a reliable and more precise identification tool than molecular identification, since a higher taxonomic resolution is in general obtained compared to TRFLP. In chapter 4, the effect of chemical nematicides on nematode community descriptors and plant biomass was also studied in field conditions in an experimental area in which dazomet and dimethyl disulfide was applied in a bean-cabbage rotation system for a single season. Organic amendments were incorporated into the soil with the aim of mitigate the negative effect of the pesticides on soil diversity. The effect of the nematicides was much more noticeable than the effect of the amendments on soil properties and nematode community descriptors. The incorporation of bean crop residues into the soil at the end of bean crop cycle affected soil nematode community descriptors to a great extent, and although total number of nematodes increased at the end of the experiment, a permanent perturbed soil food web condition was observed along the experiment.

Role of a critical water in scytalone dehydratase-catalyzed reaction

Scytalone dehydratase (EC 4.2.1.94) catalyzes the dehydration of two important intermediates in the biosynthesis of melanin, and it functions without metal ions or any cofactors. Using molecular orbital theory, we have examined the role of a critical water molecule in the mechanism of scytalone dehydratase. The water, together with an internal hydrogen bonding, contributes significantly to the stabilization of the transition state (or the enolate intermediate). The role of two active site tyrosines (Tyr-50 and Tyr-30) is (i) to hold the critical water in place so that it may stabilize the transition state without much structural rearrangement during the catalytic reaction, and (ii) to polarize the water, making it a better general acid. The stereochemistry of the scytalone dehydratase-catalyzed dehydration is also discussed.

Octamer-based genome scanning distinguishes a unique subpopulation of Escherichia coli O157:H7 strains in cattle

Multilocus-genotyping methods have shown that Escherichia coli O157:H7 is a geographically disseminated clone. However, high-resolution methods such as pulse-field gel electrophoresis demonstrate significant genomic diversity among different isolates. To assess the genetic relationship of human and bovine isolates of E. coli O157:H7 in detail, we have developed an octamer-based genome-scanning methodology, which compares the distance between over-represented, strand-biased octamers that occur in the genome. Comparison of octamer-based genome-scanning products derived from >1 megabase of the genome demonstrated the existence of two distinct lineages of E. coli O157:H7 that are disseminated within the United States. Human and bovine isolates are nonrandomly distributed among the lineages, suggesting that one of these lineages may be less virulent for humans or may not be efficiently transmitted to humans from bovine sources. Restriction fragment length polymorphism analysis with lambdoid phage genomes indicates that phage-mediated events are associated with divergence of the lineages, thereby providing one explanation for the degree of diversity that is observed among E. coli O157:H7 by other molecular-fingerprinting methods.

Theoretical investigation of the [1,2]-sigmatropic hydrogen migration in the mechanism of oxidation of 2-aminobenzoyl-CoA by 2-aminobenzoyl-CoA monooxygenase/reductase

The flavin hydroperoxide at the active site of the mixed-function oxidase 2-aminobenzoyl-CoA monooxygenase/reductase (Azoarcus evansii) transfers an oxygen to the 5-position of the 2-aminobenzoyl-CoA substrate to provide the alkoxide intermediate II−. Hydrogen migration from C5 to C6 follows this monooxygenation. The nature of the monooxygenation intermediate and plausible competing reactions leading to hydrogen migration have been considered. Ab initio molecular orbital theory has been used to calculate structures and electron distributions in intermediate and transition state structures. Electrostatic potential surface calculations establish that the transition state and product, associated with the C5 to C6 hydrogen transfer, are stabilized by electron distribution to the benzoyl-CoA thioester carbonyl oxygen. This is not so for the transition state and product associated with hydrogen transfer from C5 to C4. The activation energy for the 5,6-shift is 2.5 kcal/mol lower than that for the 5,4-shift. In addition, the product of the hydrogen 5,6-shift is more stable than is the product of the hydrogen 5,4-shift, by ≈6 kcal/mol. These results explain why only the shift of hydrogen from C5 to C6 is observed experimentally. Oxygen transfer and hydrogen migration almost coincide in the gas phase (activation energy of ≈0.6 kcal/mol, equivalent to a single bond vibration). Enzymatic formation of alkoxide II− requires its stabilization; thus, the rate constant for its breakdown would be slower than in the gas phase.

Photochemically induced nuclear spin polarization in reaction centers of photosystem II observed by 13C-solid-state NMR reveals a strongly asymmetric electronic structure of the P680.+ primary donor chlorophyll

We report 13C magic angle spinning NMR observation of photochemically induced dynamic nuclear spin polarization (photo- CIDNP) in the reaction center (RC) of photosystem II (PS2). The light-enhanced NMR signals of the natural abundance 13C provide information on the electronic structure of the primary electron donor P680 (chlorophyll a molecules absorbing around 680 nm) and on the pz spin density pattern in its oxidized form, P680⨥. Most centerband signals can be attributed to a single chlorophyll a (Chl a) cofactor that has little interaction with other pigments. The chemical shift anisotropy of the most intense signals is characteristic for aromatic carbon atoms. The data reveal a pronounced asymmetry of the electronic spin density distribution within the P680⨥. PS2 shows only a single broad and intense emissive signal, which is assigned to both the C-10 and C-15 methine carbon atoms. The spin density appears shifted toward ring III. This shift is remarkable, because, for monomeric Chl a radical cations in solution, the region of highest spin density is around ring II. It leads to a first hypothesis as to how the planet can provide itself with the chemical potential to split water and generate an oxygen atmosphere using the Chl a macroaromatic cycle. A local electrostatic field close to ring III can polarize the electronic charge and associated spin density and increase the redox potential of P680 by stabilizing the highest occupied molecular orbital, without a major change of color. This field could be produced, e.g., by protonation of the keto group of ring V. Finally, the radical cation electronic structure in PS2 is different from that in the bacterial RC, which shows at least four emissive centerbands, indicating a symmetric spin density distribution over the entire bacteriochlorophyll macrocycle.

Relationship between the oxidation potential and electron spin density of the primary electron donor in reaction centers from Rhodobacter sphaeroides

The primary electron donor in bacterial reaction centers is a dimer of bacteriochlorophyll a molecules, labeled L or M based on their proximity to the symmetry-related protein subunits. The electronic structure of the bacteriochlorophyll dimer was probed by introducing small systematic variations in the bacteriochlorophyll–protein interactions by a series of site-directed mutations that replaced residue Leu M160 with histidine, tyrosine, glutamic acid, glutamine, aspartic acid, asparagine, lysine, and serine. The midpoint potentials for oxidation of the dimer in the mutants showed an almost continuous increase up to ≈60 mV compared with wild type. The spin density distribution of the unpaired electron in the cation radical state of the dimer was determined by electron–nuclear–nuclear triple resonance spectroscopy in solution. The ratio of the spin density on the L side of the dimer to the M side varied from ≈2:1 to ≈5:1 in the mutants compared with ≈2:1 for wild type. The correlation between the midpoint potential and spin density distribution was described using a simple molecular orbital model, in which the major effect of the mutations is assumed to be a change in the energy of the M half of the dimer, providing estimates for the coupling and energy levels of the orbitals in the dimer. These results demonstrate that the midpoint potential can be fine-tuned by electrostatic interactions with amino acids near the dimer and show that the properties of the electronic structure of a donor or acceptor in a protein complex can be directly related to functional properties such as the oxidation–reduction midpoint potential.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Role of potassium orbitals in the metallic behavior of K3picene

Detailed electronic structure calculations of picene clusters doped by potassium modeling the crystalline K3picene structure show that while two electrons are completely transferred from potassium atoms to the lowest-energy unoccupied molecular orbital of pristine picene, the third one remains closely attached to both material components. Multiconfigurational analysis is necessary to show that many structures of almost degenerate total energies compete to define the cluster ground state. Our results prove that the 4s orbital of potassium should be included in any interaction model describing the material. We propose a quarter-filled two-orbital model as the most simple model capable of describing the electronic structure of K-intercalated picene. Precise solutions obtained by a development of the Lanczos method show low-energy electronic excitations involving orbitals located at different positions. Consequently, metallic transport is possible in spite of the clear dominance of interaction over hopping.

On the forbidden gap of finite graphene nanoribbons

The electronic structure of isolated finite graphene nanoribbons is investigated by solving, at the Hartree-Fock (HF) level, the Pariser, Parr and Pople (PPP) many-body Hamiltonian. The study is mainly focused on 7-AGNR and 13-AGNR (Armchair Graphene Nano-Ribbons), whose electronic structures have been recently experimentally investigated. Only paramagnetic solutions are considered. The characteristics of the forbidden gap are studied as a function of the ribbon length. For a 7-AGNR, the gap monotonically decreases from a maximum value of ~6.5 eV for short nanoribbons to a very small value of ~0.12 eV for the longer calculated systems. Gap edges are defined by molecular orbitals that are spatially localized near the nanoribbon extremes, that is, near both zig-zag edges. On the other hand, two delocalized orbitals define a much larger gap of about 5 eV. Conductance measurements report a somewhat smaller gap of ~3 eV. The small real gap lies in the middle of the one given by extended states and has been observed by STM and reproduced by DFT calculations. On the other hand, the length dependence of the gap is not monotonous for a 13-AGNR. It decreases initially but sharply increases for lengths beyond 30 Å remaining almost constant thereafter at a value of ~2.1 eV. Two additional states localized at the nanoribbon extremes show up at energies 0.31 eV below the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and above the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). These numbers compare favorably with those recently obtained by means of STS for a 13-AGNR sustained by a gold surface, namely 1.4 eV for the energy gap and 0.4 eV for the position of localized band edges. We show that the important differences between 7- and 13-AGNR should be ascribed to the charge rearrangement near the zig-zag edges obtained in our calculations for ribbons longer than 30 Å, a feature that does not show up for a 7-AGNR no matter its length.

Inflamação na aterosclerose : impacto na doença coronária

Trabalho Final do Curso de Mestrado Integrado em Medicina, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2014

New insights into NO-carbon and N2O-carbon reactions from quantum mechanical calculations

Density functional theory calculations were used to investigate the mechanisms of NO-carbon and N2O-carbon reactions. It was the first time that the importance of surface nitrogen groups was addressed in the kinetic behaviors of the NO-carbon reaction. It was found that the off-plane nitrogen groups that are adjacent to the zigzag edge sites and in-plane nitrogen groups that are located on the armchair sites make the bond energy of oxygen desorption even ca. 20% lower than that of the off-plane epoxy group adjacent to zigzag edge sites and in-plane o-quinone oxygen atoms on armchair sites; this may explain the reason why the experimentally obtained activation energy of the NO-carbon reaction is ca. 20% lower than that of the O-2-carbon reaction over 923 K. A higher ratio of oxygen atoms can be formed in the N2O-carbon reaction, because of the lower dissociation energy of N2O, which results in a higher ratio of off-plane epoxy oxygen atoms. The desorption energy of semiquinone with double adjacent off-plane oxygen groups is ca. 20% less than that of semiquinone with only one adjacent off-plane oxygen group. This may be the reason why the activation energy of N2O is also ca. 20% less than that of the O-2-carbon reaction. The new mechanism can also provide a good qualitative comparison for the relative reaction rates of NO-, N2O-, and O-2-carbon reactions. The anisotropic characters of these gas-carbon reactions can also be well explained.

Prenatal diagnosis of tetrasomy 18p using multiplex fluorescent PCR and comparison with a variety of techniques

We report genetic characterization of isochromosome 18p using a combination of cytogenetic and molecular genetic methods, including multiplex fluorescent PCR. The patient was referred for chorionic villus sampling (CVS) due to advanced maternal age and maternal anxiety. The placental karyotype was 47,XX,+mar, with the marker having the appearance of a small supernumerary isochromosome. Because differentiating between isochromosomes and other structural rearrangements is normally very difficult, a variety of genetic tests including fluorescence in situ hybridization (FISH), PCR, and multiplex fluorescent PCR were undertaken to determine chromosomal origin and copy number and, thus, allow accurate diagnosis of the corresponding syndrome. FISH determined that the marker chromosome contained chromosome 18 material. PCR of a variety of short tandem repeats (STRs) confirmed that there was at least one extra copy of the maternal 18p material. However, neither FISH nor PCR could accurately determine copy number. Multiplex fluorescent PCR (MF-PCR) of STRs simultaneously determined that: (1) the marker included 18p material; (2) the marker was maternal in origin; (3) allele copy number indicated tetrasomy; and (4) contamination of the sample could be ruled out. Results were also rapid with accurate diagnosis of the syndrome tetrasomy 18p possible within 5 hours.

Transition-state-theory calculations for reactions of O(3P) with halogenated olefins

The potential energy surfaces for the reactions of atomic oxygen in its ground electronic state, O(P-3), with the olefins: CF2=CCl2 and CF2=CF - CF3, have been characterized using ab initio molecular orbital calculations. Geometry optimization and vibrational frequency calculations were performed for reactants, transition states and products at the MP2 and QCISD levels of theory using the 6-31G(d) basis set. This database was then used to calculate the rate constants by means of Transition-State-Theory. To obtain a better reference and to test the reliability of the activation barriers we have also carried out computations using the CCSD(T)(fc)/6-311Gdagger, MP4(SDQ)(fc)/CBSB4 and MP2(fc)/CBSB3 single point energy calculations at both of the above levels of theory, as well as with the composite CBS-RAD procedure ( P. M. Mayer, C. J. Parkinson, D. M. Smith and L. Radom, J. Chem. Phys., 1998, 108, 604) and a modi. cation of this approach, called: CBS-RAD( MP2, MP2). It was found that the kinetic parameters obtained in this work particularly with the CBS-RAD ( MP2, MP2) procedure are in reasonable agreement with the experimental values. For both reactions it is found that the channels leading to the olefin double-bond addition predominates with respect to any other reaction pathway. However, on account of the different substituents in the alkenes we have located, at all levels of theory, two transition states for each reaction. Moreover, we have found that, for the reactions studied, a correlation exists between the activation energies and the electronic structure of the transition states which can explain the influence of the substituent effect on the reactivity of the halo-olefins.

Comparative study of Li, Na, and K adsorptions on graphite by using ab initio method

A comprehensive study has been conducted to compare the adsorptions of alkali metals (including Li, Na, and K) on the basal plane of graphite by using molecular orbital theory calculations. All three metal atoms prefer to be adsorbed on the middle hollow site above a hexagonal aromatic ring. A novel phenomenon was observed, that is, Na, instead of Li or K, is the weakest among the three types of metal atoms in adsorption. The reason is that the SOMO (single occupied molecular orbital) of the Na atom is exactly at the middle point between the HOMO and the LUMO of the graphite layer in energy level. As a result, the SOMO of Na cannot form a stable interaction with either the HOMO or the LUMO of the graphite. On the other hand, the SOMO of Li and K can form a relatively stable interaction with either the HOMO or the LUMO of graphite. Why Li has a relatively stronger adsorption than K on graphite has also been interpreted on the basis of their molecular-orbital energy levels.