Towards modification of Medicago truncatula epigenome: genome editing with engineered nucleases

Periodic drought is the primary limitation of plant growth and crop yield. The rise of water demand caused by the increase in world population and climate change, leads to one of the biggest challenges of modern agriculture: to increase food and feed production. De novo DNA methylation is a process regulated by small interfering RNA (siRNAs), which play a role in plant response and adaptation to abiotic stress. In the particular case of water deficit, growing evidences suggest a link between the siRNA pathways and drought response in the model legume Medicago truncatula. As a first step to understand the role of DNA methylation under water stress, we have set up several bioinformatics and molecular methodologies allowing the design of Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 systems and the assembly of TALENs (transcription activator-like effector nucleases), to target both dicer-like 3 (MtDCL3) and RNA-Dependent RNA polymerase (MtRDR2), enzymes of the RNA-directed DNA methylation pathway. TALENs efficiency was evaluated prior to plant transformation by a yeast-based assay using two different strategies to test TALENs activity: Polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) and Single strand conformation polymorphisms (SSCP). In this assay, yeast cells triple transformation emerged as good and rapid alternative to laborious yeast mating strategies. PAGE analysis might be a valuable tool to test TALENs efficacy in vivo if we could increase TALENs activity. SSCP-based approach proved to be ineffective due to the generation of several false positives. TALENs and CRISPR/Cas9 system constructed and designed in this work will in the future certainly enable the successful disruption of DCL3 and RDR2 genes and shed the light on the relationship between plant stress resistance and epigenetic regulation mediated by siRNAs in M.truncatula.

A bombagem hidroelétrica em Portugal no quadro do mercado ibérico

Portugal tem vindo a reduzir na produção de energia elétrica com base nos sistemas convencionais de origem fóssil, em contraste com a forte aposta no sector das energias renováveis, privilegiando essencialmente a energia eólica e hídrica através de projetos de grandes dimensões. A maioria das fontes renováveis são caraterizadas pela sua imprevisibilidade e variabilidade, implicando por vezes défices e excessos de produção conforme os fatores meteorológicos. As centrais hídricas reversíveis têm a capacidade de armazenamento de energia, através da bombagem de água nos períodos em que existem excessos de produção de energia elétrica, turbinando-a nas horas em que existe maior procura. Esta funcionalidade tem sido alegada para a implementação de um conjunto de novos aproveitamentos hidroelétricos deste tipo no país. Tendo em conta os aspetos referidos, este trabalho tem como objetivo principal analisar a bombagem hidroelétrica em Portugal, de modo a verificar como é usada a capacidade de bombagem já instalada, e se a nova capacidade apresenta ou não benefícios ao país. Esta análise é feita num contexto de mercado ibérico em que são analisadas as interligações entre Portugal e Espanha, tendo em conta a estreita ligação entre a bombagem e a importação/exportação de energia elétrica. Os resultados do presente estudo indicam que existe um excesso de potência de bombagem atualmente instalada no país. A capacidade instalada ou em instalação ultrapassa o dobro do solicitado, sem contar com novas barragens. Nas condições presentes do mercado a rentabilidade da bombagem é marginal nos empreendimentos existentes e negativa em qualquer empreendimento novo. Relativamente às interligações e redes internas de Portugal e Espanha, têm sido alvo de constantes reforços, o que contribuiu para uma reduzida percentagem de congestionamentos nas interligações em 2014 e consequentemente preços de mercado diário idênticos entre os dois países na grande maioria do tempo. Nas condições presentes do mercado a oferta é excedentária, encontrando-se já ao nível das metas assumidas para 2030.

Analysis of chromium behaviour and speciation during the electrodialytic process

The interest in chromium (Cr) arises from the widespread use of this heavy metal in various industrial processes that cause its release as liquid, solid and gaseous waste into the environment. The impact of Cr on the environment and living organisms primarily depends on its chemical form, since Cr(III) is an essential micronutrient for humans, other animals and plants, and Cr(VI) is highly toxic and a known human carcinogen. This study aimed to evaluate if the electrodialytic process (ED) is an appropriate treatment for Cr removal, through a critical overview of Cr speciation, before and after the ED experiments, to assess possible Cr(III)-Cr(VI) interconversions during the treatment. ED was the treatment technique applied to two types of matrices containing Cr: chromate copper arsenate (CCA) contaminated soil and municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash. In order to study Cr remediation, three EDR set-ups were used: a new set-up, the combined cell (2/3C or 3/2C), with three compartments, alternating current between two anodes and different initial experimental conditions, one set-up with three compartments (3C cell) and the other set-up with two compartments (2C cell). The Cr removal rates obtained in this study were between 10-36% for the soil, and 1-13% for the fly ash. The highest Cr removal rates were achieved in the 26 days experiments: 36% for the soil, 13% for the fly ash. Regarding the 13 days experiments, the highest Cr removal rates were attained with the 2/3C set-up: 24% for the soil, 5% for the fly ash. The analysis of Cr(VI) was performed before and after ED experiments to evaluate eventual changes in Cr speciation during the treatment. This analysis was conducted by two methods: USEPA Method 3060A, for the extraction of Cr(VI); and Hach Company Method 8023, for the detection of Cr(VI). Despite the differences in Cr total concentration, both matrices presented a similar speciation, with Cr(III) being the main species found and Cr(VI) less than 3% of Cr total, before and after the treatment. For fly ash, Cr(VI) was initially below the detection limit of the method and remained that way after the treatment. For soil, Cr(VI) decreased after the treatment. Oxidation of Cr(III) to Cr(VI) did not occur during the ED process since there was no increase in Cr(VI) in the matrices after the treatment. Hence, the results of this study indicate that ED is an appropriate technique to remediate matrices containing Cr because it contributes to Cr removal, without causing Cr(III)-Cr(VI) interconversions.

Optimization of the electrodialytic phosphorus recovery from sewage sludge ash

Phosphorus (P) is becoming a scarce element due to the decreasing availability of primary sources. Therefore, recover P from secondary sources, e.g. waste streams, have become extremely important. Sewage sludge ash (SSA) is a reliable secondary source of P. The use of SSAs as a direct fertilizer has very restricted legislation due to the presence of inorganic contaminants. Furthermore, the P present in SSAs is not in a plant-available form. The electrodialytic (ED) process is one of the methods under development to recover P and simultaneously remove heavy metals. The present work aimed to optimize the P recovery through a 2 compartment electrodialytic cell. The research was divided in three independent phases. In the first phase, ED experiments were carried out for two SSAs from different seasons, varying the duration of the ED process (2, 4, 6 and 9 days). During the ED treatment the SSA was suspended in distilled water in the anolyte, which was separated from the catholyte by a cation exchange membrane. From both ashes 90% of P was successfully extracted after 6 days of treatment. Regarding the heavy metals removal, one of the SSAs had a better removal than the other. Therefore, it was possible to conclude that SSAs from different seasons can be submitted to ED process under the same parameters. In the second phase, the two SSAs were exposed to humidity and air prior to ED, in order to carbonate them. Although this procedure was not successful, ED experiments were carried out varying the duration of the treatment (2 and 6 days) and the period of air exposure that SSAs were submitted to (7, 14 and 30 days). After 6 days of treatment and 30 days of air exposure, 90% of phosphorus was successfully extracted from both ashes. No differences were identified between carbonated and non-carbonated SSAs. Thus, SSAs that were exposed to the air and humidity, e.g. SSAs stored for 30 days in an open deposit, can be treated under the same parameters as the SSAs directly collected from the incineration process. In the third phase, ED experiments were carried out during 6 days varying the stirring time (0, 1, 2 and 4 h/day) in order to investigate if energy can be saved on the stirring process. After 6 days of treatment and 4 h/day stirring, 80% and 90% of P was successfully extracted from SSA-A and SSA-B, respectively. This value is very similar to the one obtained for 6 days of treatment stirring 24 h/day.

Melhoramento e automatização de um sistema de revestimento com laser

O revestimento com laser permite criar revestimentos localizados pela adição de uma liga similar ou dissimilar. O revestimento visa melhorar as características da superfície metálica, tais como a dureza, a resistência ao desgaste por atrito, à corrosão e à fadiga térmica dos componentes sujeitos a condições adversas de trabalho por prolongados períodos de tempo. Esta dissertação tem como objetivo o melhoramento da configuração, a automatização do sistema de revestimento com laser do Laboratório de Laser do Instituto Superior Técnico (IST) da Universidade de Lisboa, utilizado pelo Centro de Física e Engenharia de Materiais Avançados do Instituto Superior Técnico – CeFEMA e a realização de ensaios de deposições com o fim de validação. Foram estudadas as configurações possíveis para o sistema de posicionamento da amostra, do laser e a configuração para o posicionamento com precisão do bocal de adição de pós ao banho de fusão. Após este estudo foram apresentadas e implementadas as propostas de melhoria do sistema inicial. Para tornar o sistema funcional, foi desenvolvido um controlador para comandar as três guias motorizadas de movimento linear OWIS, o laser IPG YLR e o alimentador de pós PLASMA-TECHNIK. Para simplificar a utilização aos investigadores do CeFEMA foi ainda desenvolvida uma interface gráfica que permite ao utilizador definir os principais parâmetros do processo Para a validação do trabalho desenvolvido foram realizados diversos ensaios de deposição da liga Ti52Ta num substrato de titânio. Através dos ensaios de deposição foi estudada a influência de alguns parâmetros do processo na geometria do revestimento obtido, como a altura, a profundidade, o ângulo do cordão, a diluição entre o material de adição e o substrato, tendo ainda sido estudada a influência dos parâmetros do processo na eficiência de deposição.

Estudo numérico da interação de ondas com um quebra-mar poroso utilizando o código IHFOAM

A presente dissertação tem como principal objetivo a validação da ferramenta IHFOAM do código OpenFOAM para problemas de interação de ondas com estruturas costeiras porosas, concretamente a interação de ondas com o quebra-mar poente do porto de pesca de Albufeira. Numa primeira parte deste trabalho analisa-se o comportamento do código com malhas de diferentes tipos, mais especificamente, estuda-se os efeitos sobre o escoamento de uma malha não estruturada no meio poroso em relação a uma malha estruturada. Isto é de extrema importância, devido ao tempo dispensado na construção de uma malha estruturada com elementos rectangulares. É ainda estudada a dependência da simulação numérica com o modelo de turbulência. O estudo mostra que os efeitos dos diferentes tipos de malha na zona porosa influenciam pouco o escoamento, sendo aceitável o recurso a malhas não estruturadas na zona porosa, em contraste com a escolha do modelo de turbulência que se mostra muito importante para a simulação. Numa segunda parte, são calibrados os parâmetros do meio poroso usados pelo modelo numérico. Apresenta-se o método utilizado para a calibração dos parâmetros e são estudados os seus efeitos sobre o comportamento hidráulico da estrutura. O estudo é realizado com duas alturas de ondas, uma altura de onda que não gera galgamento e uma altura de onda que gera galgamento. Foram colocadas várias sondas numéricas ao longo de um canal de ondas que medem a elevação de superfície livre simulada. Para os ensaios com galgamento, mediu-se a altura da água galgada e o volume galgado, podendo-se assim estudar os efeitos dos parâmetros do meio poroso do quebra-mar sobre o galgamento. A calibração sequencial dos parâmetros mostrou-se muito eficaz, gerando resultados muito bons. Ao longo do estudo entende-se a forte dependência do comportamento hidrodinâmico da estrutura, dos parâmetros e a necessidade de os calibrar, para cada caso estudado. Conclui-se que o IHFOAM é muito interessante para o estudo numérico de interação de onda-estrutura porosa, obtendo resultados satisfatórios para a superfície livre dentro e fora do quebra-mar. O galgamento, sendo um processo muito rápido, foi razoavelmente simulado e captado pelo código.

Analysis of classification algorithms for crop detection using LANDSAT 8 images

Remote sensing - the acquisition of information about an object or phenomenon without making physical contact with the object - is applied in a multitude of different areas, ranging from agriculture, forestry, cartography, hydrology, geology, meteorology, aerial traffic control, among many others. Regarding agriculture, an example of application of this information is regarding crop detection, to monitor existing crops easily and help in the region’s strategic planning. In any of these areas, there is always an ongoing search for better methods that allow us to obtain better results. For over forty years, the Landsat program has utilized satellites to collect spectral information from Earth’s surface, creating a historical archive unmatched in quality, detail, coverage, and length. The most recent one was launched on February 11, 2013, having a number of improvements regarding its predecessors. This project aims to compare classification methods in Portugal’s Ribatejo region, specifically regarding crop detection. The state of the art algorithms will be used in this region and their performance will be analyzed.

Novel antibiotic-loaded orthopaedic bone cements: insights on drug release profiles and biocompatibility

Acrylic bone cement (BC) is widely used as an anchor of artificial joints. Bacterial infection due to biofilm formation and inflammation are common and difficult to treat problems associated with commercial available BC formulations. Research on novel BC compositions is urgently needed. The main objective of this thesis was to develop a new biocompatible antibiotic-loaded BC with improved release profile. To achieve that aim several additives were incorporated, as an antibiotic (levofloxacin) to combat bacterial growth, an anti-inflammatory drug (diclofenac) to decrease the inflammatory process and two well-known and broadly used biopolymers, alginate and chitosan in order to increase matrix porosity, and in this way to intensify the amount of released drug. Novel BC formulations were tested in order to find the most suitable one that had potential to proceed to clinical application. Numerous tests were conducted as: a) evaluation of drug release profiles in different biomimetic media, b) mechanical and surface studies, c) microbiological activity testing against Staphylococcus aureus and d) in vitro biocompatibility assays (fibroblasts and osteoblasts). In general, the addition of biopolymers increased drug release, didn’t compromised BC mechanical properties and increased BC hydrophilicity. Microbiological testing revealed that Lev[BC]Chi was the only matrix that reduced significantly biofilm formation. On the contrary, alginate and diclofenac loading into BC seemed to increase biofilm growth. Biocompatibility studies showed some decrease in cell viability, in particularly on osteoblasts, mainly due to the high amounts of released drugs. In conclusion, the present work has shown that the matrix with more potential to proceed in further investigations was Lev[BC]Chi. Other conditions (namely additives and drugs concentrations) should be evaluated with the other tested BC matrices before being discharged.

Staying under the radar - the multifunctional LANA Protein

Many viruses have developed numerous strategies to recruit and take advantage of cellular protein degradation pathways to evade the cellular viral immune system. One such virus is the Kaposi´s Sarcoma associated herpesvirus (KSHV), first discovered in Kaposi´s Sarcoma lesions found in AIDS patients. Latency-Associated Nuclear Antigen (LANA) is a KSHV multifunctional protein responsible for tethering viral DNA to the chromosome ensuring maintenance and segregation of the viral genome during cell division. Besides its main role of viral maintenance, LANA also physically interacts with several host proteins to modulate cell functions. One such function is to recruit the EC5S ubiquitin-ligase complex by interacting with Elongin BC complex and Cullin 5 protein, which in turn ubiquitinate substrates such as NF-κB and p53 to allow persistent viral infection. Like any other post-translation modifications, ubiquitination is reversible through deubiquitination enzymes (DUBs). LANA also interacts with ubiquitin specific protease 7 (USP7), a deubiquitination enzyme involved in regulation of several proteins including p53. Interaction with USP7 is made through a conserved peptide motif, which is also present in LANA. This work addresses the role of LANA in the recruitment and modulation of the ubiquitination and deubiquitination pathways. Despite the continued efforts in uncovering new LANA interacting partners to form a functional EC5S ubiquitin-ligase complex, only MHV-68 LANA interacted directly with Elongin BC, other interactions were not direct and may require a linker protein. On the other hand, LANA interaction with USP7 was able to be analysed by X-ray structure determination. In addition to a conserved P/AxxS motif, a novel Glutamine (Gln) residue from KSHV LANA was shown to make a specific interaction with USP7. This Gln residue is also present in other herpesvirus protein and hence it might be a conserved motif within herpesviruses.

Valorization of grape pomace through hot compressed water extraction/hydrolysis

The world energy consumption is expected to increase strongly in coming years, because of the emerging economies. Biomass is the only renewable carbon resource that is abundant enough to be used as a source of energy Grape pomace is one of the most abundant agro-industrial residues in the world, being a good biomass resource. The aim of this work is the valorization of grape pomace from white grapes (WWGP) and from red grapes (RWGP), through the extraction of phenolic compounds with antioxidant activity, as well as through the extraction/hydrolysis of carbohydrates, using subcritical water, or hot compressed water (HCW). The main focus of this work is the optimization of the process for WWGP, while for RWGP only one set of parameters were tested. The temperatures used were 170, 190 and 210 °C for WWGP, and 180 °C for RWGP. The water flow rates were 5 and 10 mL/min, and the pressure was always kept at 100 bar. Before performing HCW assays, both residues were characterized, revealing that WWGP is very rich in free sugars (around 40%) essentially glucose and fructose, while RWGP has higher contents of structural sugars, lignin, lipids and protein. For WWGP the best results were achieved at 210 °C and 10 mL/min: higher yield in water soluble compounds (69 wt.%), phenolics extraction (26.2 mg/g) and carbohydrates recovery (49.3 wt.% relative to the existing 57.8%). For RWGP the conditions were not optimized (180 °C and 5 mL/min), and the values of the yield in water soluble compounds (25 wt.%), phenolics extraction (19.5 mg/g) and carbohydrates recovery (11.4 wt.% relative to the existing 33.5%) were much lower. The antioxidant activity of the HCW extracts from each assay was determined, the best result being obtained for WWGP, namely for extracts obtained at 210 °C (EC50=20.8 μg/mL; EC50 = half maximum effective concentration; EC50 = 22.1 μg/mL for RWGP, at 180 ºC).

Agregação e formação de amilóides por proteínas neuroinflamatórias S100A8 e S100A9 e implicações em processos neurodegenerativos

Uma caraterística comum a muitas doenças neurodegenerativas é a formação de agregados proteicos e amilóides, no que se designa a cascata amiloíde. O foco deste trabalho é o estudo do homodímero S100A9 e do heterodímero S100A8/A9, duas das proteínas da resposta neuroinflamatória, que se encontram elevadas na vizinhança de depósitos proteicos, nomeadamente na doença de Alzheimer. Estas proteínas pertencem à família das S100, que possuem dois domínios EF-hand de ligação a Ca2+, e ligam também cobre e zinco. Este estudo visa contribuir esclarecer se as proteínas S100A8 e A100A9 estarão envolvidas na cascata de agregação amilóide, por formação direta de agregados das S100, ou mediante a associação com iões metálicos, cuja disfunção é característica em doenças neurodegenerativas. O primeiro passo do trabalho consistiu em expressar e purificar a S100A9 e a S100A8/A9, optimizando o processo. Os estudos de estabilidade térmica na presença e ausência de Ca2+, Cu2+ e Zn2+, revelaram que a S100A8/A9 é termodinamicamente mais estável que a S100A9. Os três iões metálicos são destabilizadores da S100A9, diminuindo a sua estabilidade térmica. Para a estabilidade térmica da S100A8/A9 os mesmos iões não mostraram ter um efeito significativo, pelo que se sugere uma conformação diferente com o core hidrofóbico mais blindado, aumentando a estabilidade. Realizaram-se também ensaios cinéticos de agregação, que revelram que a S100A9 apresenta uma agregação heterogénea, não dependente de nucleação na presença dos metais. No caso da S100A8/A9, os três iões metálicos potenciam a agregação. Por fim, analisou-se a hipótese de S100A9 e S100A8/A9 como moduladores de agregação do péptido Aβ1-42. O Aβ1-42 mostrou ter influência na agregação da S100A9 e da S100A8/A9, podendo estas proteínas ser potenciadoras da agregação. Este trabalho revelou que a agregação das proteínas em estudo é influenciada e potenciada pela ligação dos iões metálicos, pelo que se sugere que estes tenham um papel crucial na formação de agregados de S100A8/A9 e de S100A9.

Radiation damage in flexible TFTs and organic detectors

In this thesis was investigated the radiation hardness of the building blocks of a future flexible X-ray sensor system. The characterized building blocks for the pixel addressing and signal amplification electronics are high mobility semiconducting oxide transistors (HMSO-TFTs) and organic transistors (OTFTs), whereas the photonic detection system is based on organic semiconducting single crystals (OSSCs). TFT parameters such as mobility, threshold voltage and subthreshold slope were measured as function of cumulative X-ray dose. Instead for OSSCs conductivity and X-ray sensitivity were analysed after various radiation steps. The results show that ionizing radiation does not lead to degradation in HMSO-TFTs. Instead OTFTs show instability in mobility which is reduced up to 73% for doses of 1 kGy. OSSC demonstrate stable detector properties for the tested total dose range. As conclusion, HMSO-TFTs and OSSCs can be readily employed in the X-ray detector system allowing operation for total doses exceeding 1 kGy of ionizing radiation.

Influência da exsudação e da perda de água nas propriedades reológicas de grouts

A sociedade dispõe hoje de um vasto património edificado que na maioria dos casos necessita de conservação para que continue a corresponder às necessidades e expectativas das comunidades. A alvenaria de pedra de múltiplos panos apresenta-se como a solução construtiva mais comum nos centros urbanos europeus. No entanto, a sua conservação requer na maioria das vezes intervenções de consolidação com vista à melhoria das suas características mecânicas e consequente integridade estrutural. A técnica de consolidação por injeção de grouts é uma das mais utilizadas neste tipo de solução construtiva. O trabalho aqui apresentado teve como objetivo contribuir para o conhecimento dos grouts, à base de cal hidráulica, para injeção em alvenarias antigas de três panos. Concretamente, sobre a influência da perda de água e da exsudação nas suas propriedades reológicas. É sabido, que as propriedades no estado fresco dos grouts condicionam a resistência mecânica e durabilidade no estado sólido. Essas estão dependentes da capacidade de penetração nas fendas da alvenaria, preenchimento uniforme dos vazios e da manutenção da homogeneidade do grout, ao longo de todo o processo de reforço. Neste sentido, definiu-se para a campanha experimental a realização de dois tipos de ensaios: fluidez-estabilidade e reométricos, de forma a quantificar os parâmetros definidos, genericamente, pelas propriedades em cima referidas. Durante os ensaios com o reómetro rotacional (pratos paralelos), investigou-se o fenómeno de escorregamento para três formulações de grouts. Foi possível correlacionar a ocorrência deste fenómeno com as condições de ensaio no reómetro (tensão e taxas de corte aplicadas e gap) e com a sua composição, nomeadamente o rácio entre água/ligante. Propôs-se, também, a colagem de uma lixa na superfície da geometria do reómetro, de forma a mitigar a subestimação dos parâmetros reológicos, introduzidas pelo escorregamento.

Estudo exploratório – Caracterização da exposição a elementos tóxicos com recurso a metodologias multivariadas

O mercado das bebidas comerciais em Portugal tem aumentado ano após ano, sendo uma das principais fontes de hidratação não só da população portuguesa como europeia. Em contrapartida, sumos e néctares, analogamente ao arroz e à água, podem apresentar quantidades que embora sejam vestigiais, poderão ser expressivas relativamente a alguns contaminantes (arsénio, cádmio e chumbo), prejudiciais ao Homem, existentes no organismo humano através da bioacumulação. O estudo inicia-se com a realização de um questionário à população estudantil da FCT-UNL sobre os hábitos de consumo, que contou com a participação de mais de 500 alunos. Paralelamente e com um total de 23 sumos analisados pelo INSA, ao nível de 12 diferentes tipos de elementos químicos seguiram-se à análise estatística multivariada, com o intuito de separar sumos e néctares de acordo com os elementos químicos. Para este estudo utilizaram-se as análises de componentes principais e de clusters, considerando três abordagens diferentes ao tratamento do limite de quantificação. Tendo este estudo conduzido a resultados similares entre as abordagens, o passo seguinte centrou-se na análise dos sumos de laranja que contrariamente apresentam resultados díspares. Com o objectivo de quantificar o teor dos contaminantes presentes nos alimentos que fazem parte dos hábitos de consumo dos estudantes combinou-se a informação proveniente dos inquéritos com a informação da composição dos contaminantes e estimou-se a ingestão diária dos três químicos. Os valores estimados para a dose de ingestão tolerável provisória, no presente trabalho determinado numa base diária, ficam muito aquém dos valores toleráveis provisórios de ingestão tabelados, apresentando assim baixos níveis de nocividade para os alunos.