Antibacterial activity of Ionic Liquids based on ampicillin against resistant bacteria

Antibacterial activity of novel Active Pharmaceutical Ingredient Ionic Liquids (API-ILs) based on ampicillin anion [Amp] have been evaluated. They showed growth inhibition and bactericidal properties on some sensitive bacteria and especially some Gram-negative resistant bacteria when compared to the [Na][Amp] and the initial bromide and chloride salts. For these studies were analysed the minimum inhibitory concentration (MIC) and minimum bactericidal concentration (MBIC) against sensitive Gram-negative bacteria Escherichia coli ATCC 25922 and Klebsiella pneumonia (clinically isolated), as well as sensitive Gram positive S. Aureus ATCC 25923, Staphylococcus epidermidis and Enterococcus faecalis and completed using clinically isolated resistent strains: E. coli TEM CTX M9, E. coli CTX M2 and E. coli AmpC Mox. From the obtained MIC values of studied APIs-ILs and standard [Na][Amp] were derived RDIC values (relative decrease of inhibitory concentration). High RDIC values of [C16Pyr][Amp] especially against two resistant Gram-negative strains E. coli TEM CTX M9 (RDIC>1000) and E. coli CTX M2 (RDIC>100) point clearly to a potential promising role of APIs-ILs as antimicrobial drugs especially against resistant bacterial strains.

Bioatividade de Líquidos Iónicos derivados do Ácido Valpróico em bactérias Gram-negativa

Os Líquidos Iónicos (LIs) são sais orgânicos constituídos exclusivamente por iões e possuem pontos de fusão inferiores a 100ºC. As suas propriedades únicas e o facto de ser possível ajustar as suas propriedades físicas, químicas e biológicas, de acordo com o objetivo pretendido, tornam esta classe de compostos, um grande objeto de estudo de inúmeros investigadores. Desde os inícios da sua aplicação até à atualidade, a investigação nesta área expandiu o seu raio de ação, estando já descrito o seu potencial como agentes antimicrobianos e, mais recentemente, como compostos farmacêuticos ativos. Atualmente muitas das suas aplicações são baseadas nas suas propriedades biológicas. Esta Tese teve como objetivo avaliar a influência que os LIs podem exercer a nível do crescimento bacteriano e estudar alternativas de combater a resistência bacteriana. Todos os LIs utilizados neste trabalho tinham como anião o ácido valpróico, sendo utilizados catiões orgânicos de amónio e de imidazólio. Foram utilizadas 4 bactérias e avaliou-se a atividade biológica e a respetiva taxa de crescimento. O estudo da sua atividade biológica foi feito através da determinação da Concentração Mínima Inibitória (CMI) e a análise das suas curvas de crescimentos na presença e ausência de composto. Com este trabalho foi possível verificar que dentro dos compostos em estudo, LIs derivados do valproato, o Valproato com o cetilperidínio [valp] [cetylpir] foi o que influenciou o crescimento de todas as bactérias estudadas. Este estudo demonstrou o potencial antibacteriano de alguns compostos, podendo desta forma vir a ser utilizados para fins farmacêuticos

Recovery of acid and base from brackish water by bipolar membrane electrodialysis

Nesta dissertação pretendeu-se estudar a viabilidade do uso de eletrodiálise com membranas bipolares (BM) na recuperação de ácido clorídrico e de hidróxido de sódio a partir de um efluente industrial que contém 1.4 mol/L de cloreto de sódio. Estas membranas mostraram ser uma ferramenta eficiente para a produção de ácidos e bases a partir do respetivo sal. Foi feita uma seleção de diferentes membranas bipolares (Neosepta, Fumatech e PCA) e aniónicas (PC-SA e PC-ACID 60) na tentativa de encontrar a combinação mais adequada para o tratamento do efluente. Dependendo do critério, o melhor arranjo de membranas é o uso de PC-ACID 60 (membrana aniónica), PC-SK (membrana catiónica) e membranas bipolares do tipo Neosepta para maior pureza dos produtos; membranas bipolares Fumatech para maior eficiência de dessalinização e membranas bipolares PCA para um maior grau de dessalinização. Tecnologicamente foi possível obter uma dessalinização de 99.8% em quatro horas de funcionamento em modo batch com recirculação de todas as correntes. Independentemente da combinação usada é recomendável que o processo seja parado quando a densidade de corrente deixa de ser máxima, 781 A/m2. Assim é possível evitar o aumento de impurezas nos produtos, contra difusão, descida instantânea do pH e uma dessalinização pouco eficiente. A nível piloto o principal fornecedor de membranas e unidade de tratamento “stack” é a marca alemã PCA. Sendo assim realizaram-se ensaios de repetibilidade, contra difusão, avaliação económica e upscaling utilizando as membranas bipolares PCA. A nível económico estudou-se o uso de dois tipos de unidades de tratamento; EDQ 380 e EDQ 1600, para diferentes níveis de dessalinização (50, 75 e 80%). Tendo em conta a otimização económica, é recomendável uma dessalinização máxima de 80%, uma vez que a eficiência de processo a este ponto é de 40%. A aplicação do método com a unidade EDQ 1600 para uma dessalinização de 50% é a mais vantajosa economicamente, com custos de 16 €/m3 de efluente tratado ou 0,78 €/kg Cl- removido. O número de unidades necessárias é 4 posicionados em série.

Ditopic molecular architectures for the recognition of anionic species

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Chemistry

Estudo da Toxicidade do Chumbo na Levedura Saccharomyces cerevisiae

O chumbo é um importante poluente ambiental. A levedura Saccharomyces cerevisiae constitui um modelo útil para o estudo dos efeitos tóxicos do chumbo. O conhecimento dos mecanismos de defesa e resistência à presença de metais pesados poderá ser útil em tecnologias de proteção ambiental, nomeadamente no desenvolvimento de novas metodologias para a biorremediação de metais pesados. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o impacto do Pb na capacidade proliferativa, na integridade membranar e na produção intracelular de espécies reativas de oxigénio (ROS), na estirpe laboratorial da levedura Saccharomyces cerevisiae BY4741 (estirpe selvagem, WT). Foi também estudado o papel das mitocôndrias, como fonte de ROS induzida por Pb, e o envolvimento da H+-ATPase vacuolar (V-ATPase) e de transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC (de ATP-binding cassette) na defesa contra a toxicidade do Pb. O estudo cinético do impacto de duas concentrações de Pb na viabilidade das leveduras (avaliado através de um ensaio clonogénico), na integridade da membrana celular (determinada com iodeto de propídio) e na produção intracelular de ROS (o anião superóxido foi detetado com dihidroetídio e o peróxido de hidrogénio com 2’,7’- diclorodihidrofluoresceína), revelou uma perda progressiva da capacidade proliferativa (53 e 17% de células viáveis, após a exposição durante 3h a 250 ou 1000 µmol/l de chumbo, respetivamente), coincidente com a acumulação intracelular de anião superóxido e de peróxido de hidrogénio, na ausência de perda da integridade membranar. A importância das mitocôndrias na produção de ROS, induzida por chumbo, foi levada a cabo usando um mutante deficiente respiratório desprovido de ADN mitocondrial (ƿ0). Quando comparado com a respetiva estirpe parental, o mutante ƿ0 apresentou uma maior resistência ao Pb e uma menor produção de ROS induzida por Pb. A exposição das células da estirpe BY4741 a 250 e 1000 µmol/l de chumbo originou a formação de 49 e 58% de células deficientes respiratórias, respetivamente. A função da V-ATPase, na desintoxicação de chumbo, foi avaliada utilizando mutantes com uma estrutura vacuolar normal mas defetivos em subunidades da VATPase (vma1Δ, vma2Δ, vma3Δ e vph1Δ). Comparativamente às células da estirpe WT, todos os mutantes testados, sem V-ATPase funcional, apresentaram uma maior suscetibilidade ao Pb. O papel dos transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC, na defesa contra a toxicidade induzida por chumbo, foi levada a cabo utilizando mutantes sem os transportadores Ycf1p ou Vmr1p. Os resultados preliminares mostraram que quando comparadas com as células da estirpe WT, as células das estirpes ycf1Δ ou vmr1Δ não apresentavam uma maior perda da viabilidade. A modificação da morfologia vacuolar, em células expostas a chumbo, foi visualizada utilizando a estirpe Vma2p-GFP. O tratamento das células com Pb originou a fusão dos vacúolos de tamanho médio num único vacúolo de grande dimensão. Em conclusão, os estudos desenvolvidos no presente trabalho, utilizando a estirpe laboratorial BY4741, mostraram que a perda da capacidade proliferativa das leveduras, induzida pelo chumbo, pode ser atribuída à acumulação intracelular do anião superóxido e de peróxido de hidrogénio. As mitocôndrias parecem ser uma das principais fontes de ROS induzido por Pb e, simultaneamente, um dos principais alvos da sua toxicidade. Em S. cerevisiae, o vacúolo desempenha um papel importante na desintoxicação do Pb. A modificação da morfologia vacuolar após exposição ao chumbo poderá ser a consequência da acumulação de Pb no vacúolo. Enquanto os transportadores da superfamília ABC parecem não estar envolvidos na sequestração vacuolar de Pb, é necessária a presença, num estado funcional, da V-ATPase para que ocorra a compartimentação do Pb. Muito provavelmente, a compartimentação do Pb no vacúolo previne a sua acumulação no citosol e o desencadear dos respetivos efeitos tóxicos.

Modelling and optimization of the ion exchange membrane bioreactor for removal of anionic pollutants from drinking water streams

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química, especialidade de Engenharia Bioquímica

Revealing fungal activity in the presence of ionic liquids

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

The mechanism of formate oxidation by metal-dependent formate dehydrogenases

J Biol Inorg Chem (2011) 16:1255–1268 DOI 10.1007/s00775-011-0813-8

Development of integrated separation processes with green solvents

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável

Overexpression and purification of Treponema pallidum rubredoxin; kinetic evidence for a superoxide-mediated electron transfer with the superoxide reductase neelaredoxin

J Biol Inorg Chem (2004) 9: 839–849 DOI 10.1007/s00775-004-0584-6

Formation of a stable cyano-bridged dinuclear iron cluster following oxidation of the superoxide reductases from Treponema pallidum and Desulfovibrio vulgaris with K(3)Fe(CN)(6)

Inorg. Chem., 2003, 42 (4), pp 938–940 DOI: 10.1021/ic0262886

Reductive scavenging of reactive oxygen species in prokaryotes

Dissertação para a obtenção de grau de doutor em Bioquímica pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa.

Aqueous biphasic system based on cholinium ionic liquids: extraction of biologically active phenolic acids

Phenolic acids are aromatic secondary plant metabolites, widely spread throughout the plant kingdom. Due to their biological and pharmacological properties, they have been playing an important role in phytotherapy and consequently techniques for their separation and purification are in need. This thesis aims at exploring new sustainable separation processes based on ionic liquids (ILs) in the extraction of biologically active phenolic acids. For that purpose, three phenolic acids with similar chemical structures were selected: cinnamic acid, p-coumaric acid and caffeic acid. In the last years, it has been shown that ionic liquids-based aqueous biphasic systems (ABSs) are valid alternatives for the extraction, recovery and purification of biomolecules when compared to conventional ABS or extractions carried out with organic solvents. In particular, cholinium-based ILs represent a clear step towards a greener chemistry, while providing means for the implementation of efficient techniques for the separation and purification of biomolecules. In this work, ABSs were implemented using cholinium carboxylate ILs using either high charge density inorganic salt (K3PO4) or polyethylene glycol (PEG) to promote the phase separation of aqueous solutions containing three different phenolic acids. These systems allow for the evaluation of effect of chemical structure of the anion on the extraction efficiency. Only one imidazolium-based IL was used in order to establish the effect of the cation chemical structure. The selective extraction of one single acid was also researched. Overall, it was observed that phenolic acids display very complex behaviours in aqueous solutions, from dimerization to polymerization and also hetero-association are quite frequent phenomena, depending on the pH conditions. These phenomena greatly hinder the correct quantification of these acids in solution.

Application of NMR RDC’s, relaxation and self-diffusion for the study of dynamic processes of small molecules in solution

Spin-lattice Relaxation, self-Diffusion coefficients and Residual Dipolar Couplings (RDC’s) are the basis of well established Nuclear Magnetic Resonance techniques for the physicochemical study of small molecules (typically organic compounds and natural products with MW < 1000 Da), as they proved to be a powerful and complementary source of information about structural dynamic processes in solution. The work developed in this thesis consists in the application of the earlier-mentioned NMR techniques to explore, analyze and systematize patterns of the molecular dynamic behavior of selected small molecules in particular experimental conditions. Two systems were chosen to investigate molecular dynamic behavior by these techniques: the dynamics of ion-pair formation and ion interaction in ionic liquids (IL) and the dynamics of molecular reorientation when molecules are placed in oriented phases (alignment media). The application of NMR spin-lattice relaxation and self-diffusion measurements was applied to study the rotational and translational molecular dynamics of the IL: 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [BMIM][BF4]. The study of the cation-anion dynamics in neat and IL-water mixtures was systematically investigated by a combination of multinuclear NMR relaxation techniques with diffusion data (using by H1, C13 and F19 NMR spectroscopy). Spin-lattice relaxation time (T1), self-diffusion coefficients and nuclear Overhauser effect experiments were combined to determine the conditions that favor the formation of long lived [BMIM][BF4] ion-pairs in water. For this purpose and using the self-diffusion coefficients of cation and anion as a probe, different IL-water compositions were screened (from neat IL to infinite dilution) to find the conditions where both cation and anion present equal diffusion coefficients (8% water fraction at 25 ºC). This condition as well as the neat IL and the infinite dilution were then further studied by 13C NMR relaxation in order to determine correlation times (c) for the molecular reorientational motion using a mathematical iterative procedure and experimental data obtained in a temperature range between 273 and 353 K. The behavior of self-diffusion and relaxation data obtained in our experiments point at the combining parameters of molar fraction 8 % and temperature 298 K as the most favorable condition for the formation of long lived ion-pairs. When molecules are subjected to soft anisotropic motion by being placed in some special media, Residual Dipolar Couplings (RDCs), can be measured, because of the partial alignment induced by this media. RDCs are emerging as a powerful routine tool employed in conformational analysis, as it complements and even outperforms the approaches based on the classical NMR NOE or J3 couplings. In this work, three different alignment media have been characterized and evaluated in terms of integrity using 2H and 1H 1D-NMR spectroscopy, namely the stretched and compressed gel PMMA, and the lyotropic liquid crystals CpCl/n-hexanol/brine and cromolyn/water. The influence that different media and degrees of alignment have on the dynamic properties of several molecules was explored. Different sized sugars were used and their self-diffusion was determined as well as conformation features using RDCs. The results obtained indicate that no influence is felt by the small molecules diffusion and conformational features studied within the alignment degree range studied, which was the 3, 5 and 6 % CpCl/n-hexanol/brine for diffusion, and 5 and 7.5 % CpCl/n-hexanol/brine for conformation. It was also possible to determine that the small molecules diffusion verified in the alignment media presented close values to the ones observed in water, reinforcing the idea of no conditioning of molecular properties in such media.

Development of novel active pharmaceutical ionic liquids and salts based on antibiotics and anti-fungal drugs

Ionic Liquids (ILs) are class of compounds, which have become popular since the mid-1990s. Despite the fact that ILs are defined by one physical property (melting point), many of the potential applications are now related to their biological properties. The use of a drug as a liquid can avoid some problems related to polymorphism which can influence a drug´s solubility and thus its dosages. Also, the arrangement of the anion or cation with a specific drug might be relevant in order to: a) change the correspondent biopharmaceutical drug classification system; b) for the drug formulation process and c) the change the Active Pharmaceutical Ingredients’ (APIs). The main goal of this Thesis is the synthesis and study of physicochemical and biological properties of ILs as APIs from beta-lactam antibiotics (ampicillin, penicillin G and amoxicillin) and from the anti-fungal Amphotericin B. All the APIs used here were neutralized in a buffer appropriate hydroxide cations. The cation hydroxide was obtained on Amberlite resin (in the OH form) in order to exchange halides. The biological studies of these new compounds were made using techniques like the micro dilution and colorimetric methods. Overall a total of 19 new ILs were synthesised (6 ILs based on ampicillin, 4 ILs, based on amoxicillin, 6 ILs based on penicillin G and 4 ILs based on amphotericin B) and characterized by spectroscopic and analytical methods in order to confirm their structure and purity. The study of the biological properties of the synthesised ILs showed that some have antimicrobial activity against bacteria and yeast cells, even in resistant bacteria. Also this work allowed to show that ILs based on ampicillin could be used as anti-tumour agents. This proves that with a careful selection of the organic cation, it is possible to provoke important physico-chemical and biological alteration in the properties of ILs-APIs with great impact, having in mind their applications.