PEGylated ofloxacin nanoparticles render strong antibacterial activity against many clinically important human pathogens.

The rise of bacterial resistance against important drugs threatens their clinical utility. Fluoroquinones, one of the most important classes of contemporary antibiotics has also reported to suffer bacterial resistance. Since the general mechanism of bacterial resistance against fluoroquinone antibiotics (e.g. ofloxacin) consists of target mutations resulting in reduced membrane permeability and increased efflux by the bacteria, strategies that could increase bacterial uptake and reduce efflux of the drug would provide effective treatment. In the present study, we have compared the efficiencies of ofloxacin delivered in the form of free drug (OFX) and as nanoparticles on bacterial uptake and antibacterial activity. Although both poly(lactic-co-glycolic acid) (OFX-PLGA) and methoxy poly(ethylene glycol)-b-poly(lactic-co-glycolic acid) (OFX-mPEG-PLGA) nanoformulations presented improved bacterial uptake and antibacterial activity against all the tested human bacterial pathogens, namely, Escherichia coli, Proteus vulgaris, Salmonella typhimurium, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae and Staphylococcus aureus, OFX-mPEG-PLGA showed significantly higher bacterial uptake and antibacterial activity compared to OFX-PLGA. We have also found that mPEG-PLGA nanoencapsulation could significantly inhibit Bacillus subtilis resistance development against OFX.

Hydrocarbonoclastic bacteria: from bioremediation to bioenergy feedstock

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica.

Growth of sulfate reducing bacteria on the methanogenic inhibitor BES

The metabolism of methanogenic archaea is inhibited by 2-bromoethanesulfonate (BES). Methane production is blocked because BES is an analog of methyl-coenzyme M and competes with this key molecule in the last step of methanogenesis. For this reason, BES is commonly used in several studies to avoid growth of acetoclastic and hydrogenotrophic methanogens [1]. Despite its effectiveness as methanogenic inhibitor, BES was found to alter microbial communities’ structure, to inhibit the metabolism of non-methanogenic microorganisms and to stimulate homoacetogenic metabolism [2,3]. Even though sulfonates have been reported as electron acceptors for sulfate- and sulfite-reducing bacteria (SRB), only one study described the reduction of BES by complex microbial communities [4]. In this work, a sulfate-reducing bacterium belonging to Desulfovibrio genus (98 % identity at the 16S rRNA gene level with Desulfovibrio aminophilus) was isolated from anaerobic sludge after several successive transfers in anaerobic medium containing BES as sole substrate. Sulfate was not supplemented to the anaerobic growth medium. This microorganism was able to grow under the following conditions: on BES plus H2/CO2 in bicarbonate buffered medium; on BES without H2/CO2 in bicarbonate buffered medium; and on BES in phosphate buffered medium. The main products of BES utilization were sulfide and acetate, the former was produced by the reduction of sulfur from the sulfonate moiety of BES and the latter likely originated from the carbon backbone of the BES molecule. BES was found, in this study, to represent not only an alternative electron acceptor but also to serve as electron donor, and sole carbon and energy source, supporting growth of a Desulfovibrio sp. obtained in pure culture. This is the first study that reports growth of SRB with BES as electron donor and electron acceptor, showing that the methanogenic inhibitor is a substrate for anaerobic growth.

Novas bio-estratégias para a destoxificação de ocratoxina A utilizando bactérias do ácido láctico

A ocorrência de bolores micotoxigénicos pertencentes aos géneros Aspergillus, Penicillium e Fusarium em alimentos para consumo Humano e animal, tem um impacto importante sobre a saúde pública e constitui também um importante problema económico. Isto é devido à síntese por este tipo de fungos filamentosos de metabolitos altamente tóxicos conhecidos como micotoxinas. A maioria das micotoxinas são substâncias cancerígenas, mutagénicas, neurotóxicas e imunossupressoras, sendo a ocratoxina A (OTA) uma das mais importantes. A OTA é uma micotoxina, tóxica para os animais e Humanos principalmente devido às suas propriedades nefrotóxicas. Alguns grupos de bactérias gram positivas nomeadamente as bactérias do ácido láctico (BAL) são capazes de controlar o crescimento de fungos, melhorando e aumentando a vida útil de muitos produtos fermentados e, assim, reduzir os riscos para a saúde provocados pela exposição às micotoxinas. Algumas BAL são, também, capazes de destoxificar certas micotoxinas. Em trabalhos anteriores do nosso grupo foi observada a biodegradação da OTA por estirpes de Pediococcus parvulus isoladas de vinhos do Douro. Assim, com este trabalho, pretendeu-se compreender com maior detalhe o processo de biodegradação da OTA pelas referidas estirpes e identificar quais as enzimas que estão associadas à sua biodegradação. Para atingir este objetivo utilizaram-se algumas ferramentas ioinformáticas (BLAST, CLUSTALX2, CLC Sequence Viewer 7, Finch TV), desenharam-se primers específicos e realizaram-se PCR específicos para os genes envolvidos. Através da utilização de ferramentas de bioinformática, foi possível identificar várias proteínas que pertencem à família das carboxipeptidases e que podem eventualmente participar no processo da degradação da OTA, tais como D-Ala-D-Ala carboxipeptidase serínica e carboxipeptidase membranar. Estas BAL podem desempenhar um papel importante na destoxificação da OTA, sendo as carboxipeptidases uma das enzimas envolvidas na sua biodegradação.

Optimization of peptide nucleic acid fluorescence in situ hybridization (PNA-FISH) for the detection of bacteria: the effect of pH, dextran sulfate and probe concentration

Fluorescence in situ hybridization (FISH) is a molecular technique widely used for the detection and characterization of microbial populations. FISH is affected by a wide variety of abiotic and biotic variables and the way they interact with each other. This is translated into a wide variability of FISH procedures found in the literature. The aim of this work is to systematically study the effects of pH, dextran sulfate and probe concentration in the FISH protocol, using a general peptide nucleic acid (PNA) probe for the Eubacteria domain. For this, response surface methodology was used to optimize these 3 PNA-FISH parameters for Gram-negative (Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens) and Gram-positive species (Listeria innocua, Staphylococcus epidermidis and Bacillus cereus). The obtained results show that a probe concentration higher than 300 nM is favorable for both groups. Interestingly, a clear distinction between the two groups regarding the optimal pH and dextran sulfate concentration was found: a high pH (approx. 10), combined with lower dextran sulfate concentration (approx. 2% [w/v]) for Gram-negative species and near-neutral pH (approx. 8), together with higher dextran sulfate concentrations (approx. 10% [w/v]) for Gram-positive species. This behavior seems to result from an interplay between pH and dextran sulfate and their ability to influence probe concentration and diffusion towards the rRNA target. This study shows that, for an optimum hybridization protocol, dextran sulfate and pH should be adjusted according to the target bacteria.

The role of marine anaerobic bacteria and archaea in bioenergy production

The development of products from marine bioresources is gaining importance in the biotechnology sector. The global market for Marine Biotechnology products and processes was, in 2010, estimated at 2.8 billion with a cumulative annual growth rate of 510% (Børresen et al., Marine biotechnology: a new vision and strategy for Europe. Marine Board Position Paper 15. Beernem: Marine Board-ESF, 2010). Marine Biotechnology has the potential to make significant contributions towards the sustainable supply of food and energy, the solution of climate change and environmental degradation issues, and the human health. Besides the creation of jobs and wealth, it will contribute to the development of a greener economy. Thus, huge expectations anticipate the global development of marine biotechnology. The marine environment represents more than 70% of the Earths surface and includes the largest ranges of temperature, light and pressure encountered by life. These diverse marine environments still remain largely unexplored, in comparison with terrestrial habitats. Notwithstanding, efforts are being done by the scientific community to widespread the knowledge on oceans microbial life. For example, the J. Craig Venter Institute, in collaboration with the University of California, San Diego (UCSD), and Scripps Institution of Oceanography have built a state-of-the-art computational resource along with software tools to catalogue and interpret microbial life in the worlds oceans. The potential application of the marine biotechnology in the bioenergy sector is wide and, certainly, will evolve far beyond the current interest in marine algae. This chapter revises the current knowledge on marine anaerobic bacteria and archaea with a role in bio-hydrogen production, syngas fermentation and bio-electrochemical processes, three examples of bioenergy production routes.

Development of a poly(L-Lactic acid) based drug release system

Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas

Estudo de estirpes probióticas como inoculantes de silagens para o controlo de micotoxinas

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

The effects of sodium hypochlorite against selected drinking water-isolated bacteria in planktonic and sessile states

Chlorine is the most commonly used agent for general disinfection, particularly for microbial growth control in drinking water distribution systems. The goals of this study were to understand the effects of chlorine, as sodium hypochlorite (NaOCl), on bacterial membrane physicochemical properties (surface charge, surface tension and hydrophobicity) and on motility of two emerging pathogens isolated from drinking water, Acinetobacter calcoaceticus and Stenotrophomonas maltophilia. The effects of NaOCl on the control of single and dual-species monolayer adhered bacteria (2 h incubation) and biofilms (24 h incubation) was also assessed. NaOCl caused significant changes on the surface hydrophobicity and motility of A. calcoaceticus, but not of S. maltophilia. Planktonic and sessile S. maltophilia were significantly more resistant to NaOCl than A. calcoaceticus. Monolayer adhered co-cultures of A. calcoaceticus-S. maltophilia were more resilient than the single species. Oppositely, dual species biofilms were more susceptible to NaOCl than their single species counterparts. In general, biofilm removal and killing demonstrated to be distinct phenomena: total bacterial viability reduction was achieved even if NaOCl at the higher concentrations had a reduced removal efficacy, allowing biofilm reseed. In conclusion, understanding the antimicrobial susceptibility of microorganisms to NaOCl can contribute to the design of effective biofilm control strategies targeting key microorganisms, such as S. maltophilia, and guarantying safe and high-quality drinking water. Moreover, the results reinforce that biofilms should be regarded as chronic contaminants of drinking water distribution systems and accurate methods are needed to quantify their presence as well as strategies complementary/alternative to NaOCl are required to effectively control the microbiological quality of drinking water.

Malolactic fermentation in winemaking: evaluation of operational parameters

Dissertação de mestrado em Bioengenharia

Estudio de epitopes de antígenos para interpretar su respuesta inmune. Modelo 1: Virus rubeola. Modelo 2: Bacteria Chlamydia trachomatis

El estudio de los epitopes de los antígenos permitirá no sólo la diferenciación de cepas sino también la interpretación correcta de la respuesta inmune. Modelo1: Rubeola es una enfermedad infecciosa caracterizada por una erupción localizada, fiebre y adenopatías, que por lo general se produce en niños de edad escolar o preescolar. El virus de la rubeola es el único miembro del género ribivirus en la familia de los Togavirus. Se sabe que es una partícula esférica que mide 60-90 nm y lleva la información genética en una sola cadena de RNA de polaridad positiva formando una cápside icosahédrica. Estructuralmente está compuesto por tres proteínas, una no glicosilada, asociada al RNA en la nucleocápside, llamada C, y dos glicoproteínas E1 y E2 que se encuentran en la envoltura del virus donde se presentan formando complejos por dímeros E1-E1 y E1-E2. Uno de los motivos por los que se realizan estudios comparativos entre diferentes cepas de virus rubeola radica en la observación de que la respuesta inmune frente a la infección con la cepa salvaje es más eficiente y duradera que la inducida por la cepa vacunal y que no se conocen fehacientemente si la capacidad teratogénica del virus depende de la cepa viral o del tipo de infección que se produce en la placenta y en el feto. La disminución o desaparición de la respuesta inmune específica puede posibilitar la reinfección de una persona vacunada, lo que adquiere particular importancia en el caso de las embarazadas. Es por ello que este estudio se centra en el análisis comparativo de las propiedades biológicas y estructurales de la cepa de virus rubeola de circulación local (cepa Córdoba y sus clones) frente a las cepas Glichrist (prototipo) y RA 27/3 (vacunal). Esta parte del trabajo contribuye al proyecto mundial de obtención de una vacuna sintética o infectiva para controlar la infección por el virus rubeola. Objetivos: 1. Estudiar la cinética de aparición de los epitopes en citoplasma y membrana celular con una técnica de inmunofuorescencia indirecta de células infectadas y bloquear a distintos pasos la vía de síntesis de proteínas en las células infectadas para producir el camino de síntesis del complejo E1-E1 hasta su aparición en membrana. 2. Realizar la técnica de mapeo peptídico para la proteína E2 en diferentes cepas. Modelo 2: Chlamydia trachomatis es una bacteria intracelular obligada de un ciclo de vida dimórfico, con una fase extracelular llamada Cuerpo Elemental (CE), que es la forma infectiva y metabólicamente inactiva y una fase intracelular llamada Cuerpo Reticular que es la forma replicada y metabólicamente activa de la bacteria. Es el agente etiológico de Enfermedades de Transmisión Sexual (ETS) más comunmente aislado en poblaciones de riesgo, además de ser la primera causa de ceguera prevenible a nivel mundial. El resultado de la infección con C. trachomatis puede terminar en inmunidad o enfermedad dependiendo de la interacción del sistema inmune del huésped con los antígenos chlamydiales específicos. El estudio de los antígenos que generan la respuesta inmune humoral como los tipos e isotipos de inmunoglobulinas producidas en esta respuesta, en las poblaciones con diferentes manifestaciones de la infección por C. trachomatis , podrían asociarse a un tipo de perfil de respuesta de linfocitos TH y dar un valor pronóstico de la evolución de la infección. Objetivo: 1. Separar y estudiar algunos de los más importantes antígenos de la bacteria Chlamydia trachomatis .

Preservación de la información génica en bacterias; mecanismos y modulación molecular. Preservation of the genetic information in bacteria; mechanisms and molecular modulation.

El objetivo general del presente proyecto es contribuir a la caracterización genética y bioquímica molecular de mecanismos involucrados en el mantenimiento de la información génica, a través del estudio de sistemas fisiológicos involucrados en la prevención, reparación y tolerancia de mutaciones. Dichos sistemas se encuentran evolutivamente conservados y ampliamente distribuidos en los seres vivos. La importancia de los mismos se refleja en el hecho que su deficiencia genera en humanos, enfermedades genéticas, apoptosis y cáncer; y en especies procariotas, células denominadas "hipermutadoras". En los últimos años el estudio de la hipermutabilidad en bacterias ha cobrado gran interés ya que se le atribuye importancia en procesos infectivos y en aspectos básicos relacionados a evolución. Nuestro modelo de estudio son las bacterias Pseudomonas aeruginosa y Escherichia coli, siendo esta última especie no solo modelo de estudio sino también especie de referencia. P. aeruginosa es una bacteria ambiental gram negativa, e importante patógeno oportunista de humanos. Específicamente nos proponemos estudiar en P. aeruginosa algunos aspectos particulares del Sistema de Reparación de Bases Apareadas Incorrectamente (Mismatch Repair System, MRS), del Sistema de Prevención/Reparación de Lesiones Oxidativas generadas a través de 8-oxo-7,8-dihidroguanina (8-oxo-dG ó GO) y el papel de las ADN Polimerasas de baja fidelidad en la modulación de la tasa de mutación. Asimismo estamos interesados en estudiar en cepas de E. coli deficientes en el sistema Dam, la existencia de subpoblaciones de alta estabilidad genética debido a la eliminación de posibles mutantes por incremento de la expresión de los otros componentes del MRS. Metodológicamente la caracterización bioquímica de factores proteicos se llevará a cabo utilizando proteínas recombinantes purificadas, análisis de interacción proteína-proteína y proteína-ADN mediante electroforesis en geles y resonancia plasmónica de superficie (Biacore), mutagenésis dirigida in vitro, y estudios de complementación en cepas mutantes específicas. Aspectos fenotípicos y de regulación génica en cultivos de biofilm y células en suspensión serán estudiados mediante la construcción de cepas mutantes, fusiones transcripcionales, PCR en tiempo real, western blot y microscopia de fluorescencia confocal.

Aspectos moleculares del desarrollo de biofilms, la colonización de la planta y la emisión de compuestos orgánicos volátiles en bacterias rizosféricas. Molecular aspects of biofilm development, plant colonization and microbial volatile organic emission in rhizospheric bacteria.

Las bacterias que habitan la rizosfera y que poseen la capacidad de provocar un efecto positivo sobre las plantas son denominadas en su conjunto como Rizobacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal (PGPR). Estas bacterias han desarrollado diferentes estrategias para adaptarse a diversas condiciones ambientales. La capacidad para responder a variaciones en la disponibilidad nutricional permite la persistencia de la bacteria en el suelo y mejora sus posibilidades para colonizar la planta hospedadora. En la naturaleza, a menudo las bacterias se encuentran en estructuras de comunidades de microorganismos interconectados denominados biofilms, con un estilo de vida diferente al de la vida en forma planctónica. La formación del biofilm podría representar una estrategia de supervivencia de la rizobacteria a condiciones adversas del suelo. Por Microscopía Confocal de Barrido Láser (CLSM), hemos observado que Rhizobium leguminosarum desarrolla un biofilm característico sobre una superficie abiótica. Hemos identificado algunos de los factores genéticos que influyen en su formación. El presente proyecto propone avanzar en el conocimiento de los factores ambientales y genéticos que influyen sobre la capacidad de las rizobacterias para formar biofilms y su impacto en la interacción con las plantas. A través de enfoques genéticos (mutacionales y de expresión génica) y análisis por CLSM nos proponemos acercarnos a un modelo de los factores de superficie, extracelulares y regulatorios propios de la bacteria que influyen en las propiedades de adhesión y la formación de biofilms. Por último, se intentará correlacionar la emisión de compuestos orgánicos volátiles por las bacterias rizosféricas con ciertos aspectos de la promoción del crecimiento de las plantas.

Impacto de las prácticas agrícolas en los recursos hídricos de la provincia de Córdoba: aislamiento y caracterización de bacterias degradadoras de pesticidas para su utilización en procesos de biorremediación. Impact of agricultural activities on aquatic environments of Córdoba: isolation and characterization of bacteria with pesticide removal capacities for bioremediation treatments.

Los sistemas de agua dulce constituyen fuentes vitales para el desarrollo de la vida. Entre otras causas, el excesivo y poco controlado uso de pesticidas por las prácticas agrícolas modernas ha contribuido con la degradación de estos ecosistemas en la provincia de Córdoba (Secretaría de Ambiente, 2008). Los pesticidas son compuestos tóxicos y químicamente estables en el ambiente. Diversas especies microbianas presentan la capacidad para mineralizar dichos compuestos, siendo uno de los mecanismos de descomposición más importante. En el presente trabajo se pretende (1) Detectar y cuantificar principios activos de pesticidas en diferentes aguas ambientales de la región centro-sur de la provincia de Córdoba; (2) Aislar y caracterizar especies bacterianas a partir de muestras de aguas superficiales y subterráneas de la región que demuestren ser eficientes en la biodegradación de diferentes pesticidas. Para ello, se estudiará la presencia de 10 pesticidas organoclorados y organofosforados (lindano, 2,4D, DDT, p,p-DDE, �-endosulfán, �-endosulfán, clorpirifós, dimetoato) y herbicidas (atrazina) en muestras de agua superficiales y subterráneas (8 - 12m de profundidad) de la región agrícola centro-sur de Córdoba. Se establecerán diferentes puntos de muestreo en las principales cuencas hidrográficas: Río Tercero y Embalse de Río Tercero, Canal Desviador de Bell Ville, Laguna La Salada, Río Saladillo, Río Carcarañá y Río Cuarto. La determinación de pesticidas se realizará mediante Cromatografía de Gases (GC). Conjuntamente, se realizará el aislamiento de microorganismos a partir de las muestras de agua suplementadas con diferentes concentraciones de pesticidas (López et al., 2005) y se procederá a la caracterización morfológica y bioquímica (Lechevalier, 1989). Se realizarán curvas de crecimiento (DO600) y se determinará la viabilidad celular mediante el método de recuento en placa. El potencial catabólico de cada aislamiento se determinará analizando la concentración residual de pesticidas en el sobrenadante de los cultivos (Benimeli et al, 2003) y mediante ensayos de resting-cell (Hernández et al, 2008). Finalmente se realizará la caracterización genética (Weisburg, 1991) de los aislamientos que demuestren una mayor eficiencia en la biodegradación de pesticidas. El presente estudio pretende abordar una temática prioritaria como es la contaminación ambiental de ecosistemas acuáticos de la provincia de Córdoba. la detección de principios activos de pesticidas sería, por lo tanto, un indicador de contaminación de origen antropológica y brindaría información respecto al deterioro de la calidad del agua. Por otra parte, el aislamiento de bacterias adaptadas a las condiciones ecológicas de la región y capaces de metabolizar eficientemente diferentes pesticidas como fuentes de carbono y energía sería beneficioso para su utilización en futuros ensayos de biorremediación.