Improved extraction of arabinoxylans from rye bran and production of health beneficial oligosaccharides

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2011

Isolamento e produção de agentes de controlo biológico das principais doenças de pós-colheita, em citrinos e pomóideas

Potenciais agentes de biocontrolo foram isolados a partir da microbiota epifítica de folhas e frutos, de citrinos e pomóideas, de diferentes pomares, durante diferentes campanhas e de distintas condições de armazenamento. A atividade antagonista de 1465 microrganismos isolados foi testada em ensaios in vivo em pomóideas face a Penicillium expansum (104 esporos/ml) e em citrinos face a P. digitatum (105 esporos/ml) em frutos feridos e inoculados artificialmente. Aproximadamente 7,6% dos isolados reduziu a severidade (diâmetro da podridão) e a incidência (% podres) em mais de 25%, menos de 3% reduziu ambos os parâmetros em mais de 50%, mas apenas 4 microrganismos preencheram os critérios de seleção, redução da incidência e severidade em mais de 75%. Dos 4 e pelos resultados obtidos em ensaios de seleção secundária e de determinação da concentração mínima eficaz, destacaram-se e selecionaram-se 2 microrganismos, uma bactéria isolada de laranjas „Valencia late‟ e identificada como pertencente ao grupo das Enterobactérias, Pantoea agglomerans PCB-1 e uma levedura isolada a partir da superfície de maças 'Bravo de Esmolfe' identificada como Metschnikowia andauensis PBC-2, com o objetivo de usar dois modelos distintos de agentes de biocontrol, uma bactéria e uma levedura. P. agglomerans é um agente de biocontrolo já conhecido. A estirpe PBC-1 isolada neste trabalho mostrou ter elevada eficácia face aos principais agentes patogénicos na póscolheita de citrinos e pomóideas. M. andauensis é uma levedura recentemente descoberta e a estirpe PBC-2 diz respeito à primeira referência desta espécie como agente de biocontrolo, a qual foi recentemente objeto de concessão de Patente de Invenção Nacional nº 105210, como uma nova estirpe desta espécie para uso como agente de biocontrolo das doenças de póscolheita de frutos. A concentração mínima eficaz dos antagonistas revelou estar dentro dos limites para o seu desenvolvimento comercial. M. andauensis PBC-2 quando aplicada à concentração de 5×106 ufc/ml, permitiu uma redução da incidência e da severidade de 62 e 70%, respetivamente, e quando aplicada a 1×107 ufc/ml, uma redução de 90% de incidência e de 95% de severidade. P. agglomerans PBC-1 aplicada a 1 × 108 ufc/ml em maçãs e em citrinos no controlo de P. expansum e P. digitatum, respetivamente, propiciaram uma redução significativa de cerca de 86% de cada um dos agentes patogénicos. O espectro de ação de M. andauensis PBC-2 foi avaliado, verificando-se o controlo efetivo face a Rhizopus stolonifer, P. expansum e Botritys cinerea, em pera 'Rocha' e em diferentes cultivares de maçã e contra P. digitatum e Penicillium italicum em clementinas e laranjas de diferentes cultivares. Durante 4 épocas, a eficácia de M. andauensis PBC-2, foi avaliada e comparada com o fungicida sintético mais usado comercialmente, Imazalil, em ensaios semicomerciais. Os resultados assemelharam-se aos obtidos com o fungicida, a redução da incidência do bolor azul foi de 90% em maças armazenadas durante 3 meses a 1±0.5 ºC, seguido de 7 dias à temperatura ambiente, para simular o tempo de prateleira. Em ensaios do estudo da dinâmica populacional, verificou-se que o agente de biocontrolo M. andauensis PBC-2 tem uma excelente capacidade colonizadora e que consegue crescer e sobreviver nas feridas, mas também na superfície dos frutos, armazenados à temperatura ambiente e em condições de frio. Pelo contrário, M. andauensis PBC- não apresentou capacidade de sobrevivência no suco gástrico simulado, começando a população a diminuir imediatamente após exposição e passadas 48 h não restava população viável. Diferentes meios de cultura usualmente descritos na produção de leveduras foram testados na produção de M. andauensis PBC-2. Aquele que apresentou a maior população viável ao fim de 40 h de incubação foi o meio YPD, entretanto escolhido para estudos posteriores. O pH mais favorável ao crescimento foi de 6,5, não se observando diferenças significativas entre os crescimentos a 25 e 30 ºC. Estudou-se ainda o efeito da concentração das duas fontes de azoto do meio YPD e elegeu-se a combinação de 10 g/l de extrato de levedura e 20 g/l de peptona. Nos estudos de produção de biomassa dos dois potenciais agentes de biocontrolo, analisou-se o efeito da sacarose, frutose e glucose, como fontes de carbono e otimizou-se a concentração destes açúcares no crescimento em Erlenmeyer. Após 20 h de incubação a população viável de P. agglomerans PBC-1 atingiu 3.9×109, 1.5×109, 3.9×109 ufc/ml, respetivamente. No caso de M. andauensis PBC-2, foi obtida a população de 1.2×108, 5.3×108 e 1,3×108 ufc/ml, com glucose, sacarose e frutose, após 40 h. Os resultados permitem concluir que os dois agentes têm capacidade de metabolizar os açúcares testados, contudo e atendendo à produtividade de biomassa, rendimento, disponibilidade e custo, optou-se por usar a sacarose como fonte de carbono nos restantes ensaios, nomeadamente na transição de Erlenmeyer para reator biológico. Na produção de P. agglomerans PBC-1 escolheu-se o meio SAC (5 g/l sacarose e 5 g/l extrato de levedura). O meio YPS (12.5g/l sacarose, 10 g/l extrato de levedura, 20 g/l peptona) foi usado no aumento de escala de M. andauensis PBC-2. A otimização da produção em reator biológico de P. agglomerans PCB-1 foi realizada submetendo o microrganismo a diferentes condições hidrodinâmicas, testando-se arejamentos, dois tipos de turbina (hélice; rusthon) e dispersores (poroso, em L). Foram igualmente estudados, o efeito da concentração inicial do inoculo e a adição programada da fonte de carbono. Embora tenham sido testadas diferentes variações, o perfil dos diferentes parâmetros analisados foi idêntico, a população máxima viável foi de 3-5×109 ufc/ml. A diferença mais notória foi observada na fermentação com concentração inicial de 107 cfu/ml, que permitiu encurtar em cinco horas a fase lag, o que pode significar uma redução de tempo de fermentação, e consequentemente uma redução de custos. Visando a produção de biomassa a baixo custo, fator importante na implementação de um sistema de controlo biológico, estudou-se a possibilidade de utilizar subprodutos e resíduos da indústria alimentar no crescimento dos agentes de biocontrolo. Subprodutos da indústria de alfarroba e subprodutos e resíduos da indústria de sumos de citrinos foram utilizados na produção de P. agglomerans PBC-1 e de M. andauensis PBC-2, respetivamente. Desta forma, para além de uma redução dos custos de produção, pretendeu-se a valorização de um subproduto (no caso de alfarroba e do bagaço de citrinos) e mitigar os efeitos nefastos de um resíduo (licor), com elevada carga poluente, que gera graves problemas ambientais e que pode ditar o encerramento desta unidade industrial, com efeitos devastadores para a economia local. Realizaram-se extrações de subprodutos da indústria de alfarroba, a diferentes razões sólido/líquido, tempos e temperaturas, de forma a maximizar a extração de açúcares. A potencialidade de utilizar o extrato de açúcares obtido, na produção de P. agglomerans PBC-1 foi avaliada, em ensaios de crescimento em Erlenmeyer, com consequente transição para reator mecanicamente agitado. Os perfis de crescimento da cultura crescida com subprodutos da indústria de alfarroba assemelharam-se aos observados com sacarose como fonte de carbono. A biomassa viável produzida com subprodutos da indústria de alfarroba, foi de 4- 7×109 ufc/ml, o que permite concluir que é uma alternativa viável à produção deste microrganismo. A produção de M. andauensis PBC-2 com subprodutos da indústria de sumos de citrinos, foi estudada em Erlenmeyer tendo como objetivo conhecer os perfis de crescimento do microrganismo, bem como, estudar a melhor combinação desta fonte de carbono e sua concentração. O bagaço de citrinos e um resíduo líquido, que se denominou de licor, foram testados com resultados comparáveis à produção obtida com meio usado como standard, (YPS), sem comprometer a atividade antagonista do agente de biocontrolo. Posteriormente, foi realizada a produção em reator mecanicamente agitado, escolhendo-se para tal o meio YL (10 g/l extrato de levedura e licor à concentração de açúcares de 12.5 g/l). Os parâmetros de crescimento da cultura foram semelhantes aos obtidos com a fonte de carbono comercial. Após aproximadamente 40 h de incubação, a população viável de M. andauensis PCB-2 atingiu 3.1×108 ufc/ml. A produtividade de biomassa e rendimento foi de 0.435 g/l.h e 1.502 g/g, respetivamente, comparável a produtividade de biomassa (0.432 g/l.h) e rendimento (1.4416 g/g) observado no meio YPS. Os resultados obtidos, são uma base sólida para o aumento de escala a um nível laboratorial e semi-industrial, permitiram concluir que é exequível produzir M. andauensis a baixo custo e representam uma possível alternativa para um resíduo. Em estudos dos possíveis modos de ação, de M. andauensis PBC-2, conclui-se que, este agente de biocontrolo, não tem como modos de ação a produção de antibióticos ou de voláteis, uma vez que, não se verificou inibição do crescimento dos agentes patogénicos. A competição por ferro e a produção de enzimas líticas por M. andauensis PBC-2 foi estudada em meios com diferentes concentrações de ferro e em um meio de cultura, com paredes celulares de fungos, como única fonte de carbono. Os resultados obtidos neste estudo sugerem que a produção e secreção de enzimas líticas não é o principal ou o mais importante modo de ação do agente de controlo biológico PBC-2, uma vez que a produção de quitinase observada ao 5 e 7º dia de incubação foi muito baixa, e não foi observada a produção de β-1,3- glucanases e proteases.

Propriedades biotecnológicas de microrganismos isolados de processos fermentativos

Dissertação de mestrado, Tecnologia dos Alimentos, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2014

Peroxide-based hybrid and prodrug antimalarials to deliver cysteine protease inhibitors into the parasitic food vacuole

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Deciphering the mechanisms underlying the loss of BDNF neuroprotection in an Alzheimer’s disease model

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2016

Role on serine protease inhibitors in the pathogenisis of Steinernema carpocapsae

Tese de Doutoramento, Biologia (Biologia Celular e Molecular), 18 de Novembro de 2013, Universidade dos Açores.

Terpinen-4-ol: estudo do efeito sinérgico/aditivo, adesão em co-cultura e alteração dos fatores de virulência sobre Candida spp

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Potencial da diversidade microbiana dos Açores na saúde : screening, purificação e caracterização de uma enzima trombolítica

Dissertação de Mestrado, Mestrado em Ciências Biomédicas, 8 de Maio de 2015, Universidade dos Açores.

Non-clinical isolates bring new findings on enterococcal virulence

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biology

Caracterização bioquímica de metaloproteinases de parasitas tripanosomatídeos

A identificação e caracterização de processos mediados por metaloproteinases de uma grande variedade de eucariotas está a avançar rapidamente, tanto a nível molecular como celular – e os muitos papéis que as proteases desempenham nestes organismos estão a ser trazidas para o foco. As metaloproteinases de matriz executam tarefas de ―housekeeping” comuns a muitos organismos, bem como funcionam a um nível muito mais específico no ciclo de vida dos parasitas, por exemplo. Papéis pivotais foram propostos em diferentes processos, como invasão e egressão de células, enquistação e desenquistação, catabolismo de proteínas, diferenciação, progressão do ciclo celular, citoaderência, e ainda estimulação e evasão ao sistema imune. No presente estudo, é feito o reconhecimento e a caracterização de metaloproteinases de dois diferentes extractos de parasitas protozoários: Trypanosoma brucei brucei e Leishmania infantum. A classificação de metaloproteases foi obtida a partir da inibição diferencial da actividade destas proteases sobre diferentes substratos (gelatina e caseína), tendo sido efectuada uma prospecção de inibidores selectivos com potencial para serem empregues em novas estratégias de quimioterâpeutica contra estes agentes. Adicionalmente, é feito um estudo bioinformático sobre uma metaloproteinase comum aos parasitas aqui abordados, alargando o estudo a outros organismos relacionados. Os resultados obtidos demonstram a presença de metaloproteinases capazes de degradar proteínas de matriz em ambos os extractos estudados, sendo possível inibir a sua actividade com concentrações relativamente moderadas de inibidores. Além disso, sugerem que em todos os eventos patológicos abordados neste estudo, a presença de metaloproteinases activas é estável no seu ciclo de vida e provavelmente na progressão da patologia provocada pelos diferentes agentes em estudo. A análise de todos os resultados e observações poderá possivelmente levar à identificação e integração de elementos comuns nos processos de invasão celular e progressão parasitária aqui abordados. Por essa razão, a compreensão destas interacções permanece um desafio importante.

Disaggregating chaperones: an unfolding story.

Stress, molecular crowding and mutations may jeopardize the native folding of proteins. Misfolded and aggregated proteins not only loose their biological activity, but may also disturb protein homeostasis, damage membranes and induce apoptosis. Here, we review the role of molecular chaperones as a network of cellular defenses against the formation of cytotoxic protein aggregates. Chaperones favour the native folding of proteins either as "holdases", sequestering hydrophobic regions in misfolding polypeptides, and/or as "unfoldases", forcibly unfolding and disentangling misfolded polypeptides from aggregates. Whereas in bacteria, plants and fungi Hsp70/40 acts in concert with the Hsp100 (ClpB) unfoldase, Hsp70/40 is the only known chaperone in the cytoplasm of mammalian cells that can forcibly unfold and neutralize cytotoxic protein conformers. Owing to its particular spatial configuration, the bulky 70 kDa Hsp70 molecule, when distally bound through a very tight molecular clamp onto a 50-fold smaller hydrophobic peptide loop extruding from an aggregate, can locally exert on the misfolded segment an unfolding force of entropic origin, thus destroying the misfolded structures that stabilize aggregates. ADP/ATP exchange triggers Hsp70 dissociation from the ensuing enlarged unfolded peptide loop, which is then allowed to spontaneously refold into a closer-to-native conformation devoid of affinity for the chaperone. Driven by ATP, the cooperative action of Hsp70 and its co-chaperone Hsp40 may thus gradually convert toxic misfolded protein substrates with high affinity for the chaperone, into non-toxic, natively refolded, low-affinity products. Stress- and mutation-induced protein damages in the cell, causing degenerative diseases and aging, may thus be effectively counteracted by a powerful network of molecular chaperones and of chaperone-related proteases.

Expression of protease-activated receptors in arthritic synovial tissues

Clinical and experimental evidence suggests that synovial thrombin formation in arthritic joints is prominent and deleterious, leading to exacerbation of rheumatoid arthritis (RA). In this context, cellular effects of thrombin mediated by the protease-activated receptors (PARs) in arthritic joints may be of paramount significance. Four PARs have now been identified. PAR1, PAR3, and PAR4 can all be activated by thrombin whereas PAR2 is activated by trypsin and few other proteases.We first explored PARs expression in RA synovial tissues. Synovial membranes from 11 RA patients were analyzed for PARs expression by RT-PCR and by immunohistology. PAR4 was found in all the biopsies, whereas the expression of PAR1, PAR 2 and PAR3 was more restricted (8/11, 5/11 and 3/11 respectively). In the arthritic synovial membrane of murine antigen-induced arthritis (AIA) we found coexpression of the four different PARs. Next, we explored the functional importance of PAR1 during AIA in vivo using PAR-1 deficient mice. The phenotype of PAR1-deficient mice (n = 22), based on the analysis of arthritis severity (as measured by 99 m tecnetium uptake, histological scoring and intra-articular fibrin measurements) was similar to that of wild-type mice (n = 24). In addition, the in vivo production of antibodies against mBSA was also similar. By contrast, the mBSA-induced in vitro lymph node cell proliferation was significantly decreased in PAR1-deficient mice as compared with controls. Accordingly, mBSA-induced production of interferon-γ by lymph node cells in culture was significantly decreased in PAR1-deficient mice as compared with controls, whereas opposite results were observed for production of IL-10.

Preferential assembly of epithelial sodium channel (ENaC) subunits in Xenopus oocytes: role of furin-mediated endogenous proteolysis.

The epithelial sodium channel (ENaC) is preferentially assembled into heteromeric alphabetagamma complexes. The alpha and gamma (not beta) subunits undergo proteolytic cleavage by endogenous furin-like activity correlating with increased ENaC function. We identified full-length subunits and their fragments at the cell surface, as well as in the intracellular pool, for all homo- and heteromeric combinations (alpha, beta, gamma, alphabeta, alphagamma, betagamma, and alphabetagamma). We assayed corresponding channel function as amiloride-sensitive sodium transport (I(Na)). We varied furin-mediated proteolysis by mutating the P1 site in alpha and/or gamma subunit furin consensus cleavage sites (alpha(mut) and gamma(mut)). Our findings were as follows. (i) The beta subunit alone is not transported to the cell surface nor cleaved upon assembly with the alpha and/or gamma subunits. (ii) The alpha subunit alone (or in combination with beta and/or gamma) is efficiently transported to the cell surface; a surface-expressed 65-kDa alpha ENaC fragment is undetected in alpha(mut)betagamma, and I(Na) is decreased by 60%. (iii) The gamma subunit alone does not appear at the cell surface; gamma co-expressed with alpha reaches the surface but is not detectably cleaved; and gamma in alphabetagamma complexes appears mainly as a 76-kDa species in the surface pool. Although basal I(Na) of alphabetagamma(mut) was similar to alphabetagamma, gamma(mut) was not detectably cleaved at the cell surface. Thus, furin-mediated cleavage is not essential for participation of alpha and gamma in alphabetagamma heteromers. Basal I(Na) is reduced by preventing furin-mediated cleavage of the alpha, but not gamma, subunits. Residual current in the absence of furin-mediated proteolysis may be due to non-furin endogenous proteases.

In vivo characterization of the circadian clock output gene usp2

Life on earth is subject to the repeated change between day and night periods. All organisms that undergo these alterations have to anticipate consequently the adaptation of their physiology and possess an endogenous periodicity of about 24 hours called circadian rhythm from the Latin circa (about) and diem (day). At the molecular level, virtually all cells of an organism possess a molecular clock which drives rhythmic gene expression and output functions. Besides altered rhythmicity in constant conditions, impaired clock function causes pathophysiological conditions such as diabetes or hypertension. These data unveil a part of the mechanisms underlying the well-described epidemiology of shift work and highlight the function of clock-driven regulatory mechanisms. The post-translational modification of proteins by the ubiquitin polypeptide is a central mechanism to regulate their stability and activity and is capital for clock function. Similarly to the majority of biological processes, it is reversible. Deubiquitylation is carried out by a wide variety of about ninety deubiquitylating enzymes and their function remains poorly understood, especially in vivo. This class of proteolytic enzymes is parted into five families including the Ubiquitin-Specific Proteases (USP), which is the most important with about sixty members. Among them, the Ubiquitin-Specific Protease 2 (Usp2) gene encodes two protein isoforms, USP2-45 and USP2-69. The first is ubiquitously expressed under the control of the circadian clock and displays all features of core clock genes or its closest outputs effectors. Additionally, Usp2-45 was also found to be induced by the mineralocorticoid hormone aldosterone and thought to participate in Na+ reabsorption and blood pressure regulation by Epithelial Na+ Channel ENaC in the kidneys. During my thesis, I aimed to characterize the role of Usp2 in vivo with respect to these two areas, by taking advantage of a total constitutive knockout mouse model. In the first project I aimed to validate the role of USP2-45 in Na+ homeostasis and blood pressure regulation by the kidneys. I found no significant alterations of diurnal Na+ homeostasis and blood pressure in these mice, indicating that Usp2 does not play a substantial role in this process. In urine analyses, we found that our Usp2-KO mice are actually hypercalciuric. In a second project, I aimed to understand the causes of this phenotype. I found that the observed hypercalciuria results essentially from intestinal hyperabsorption. These data reveal a new role for Usp2 as an output effector of the circadian clock in dietary Ca2+ metabolism in the intestine.

Calpain 3, the "gatekeeper" of proper sarcomere assembly, turnover and maintenance.

Calpain 3 is a member of the calpain family of calcium-dependent intracellular proteases. Thirteen years ago it was discovered that mutations in calpain 3 (CAPN3) result in an autosomal recessive and progressive form of limb girdle muscular dystrophy called limb girdle muscular dystrophy type 2A. While calpain 3 mRNA is expressed at high levels in muscle and appears to have some role in developmental processes, muscles of patients and mice lacking calpain 3 still form apparently normal muscle during prenatal development; thus, a functional calpain 3 protease is not mandatory for muscle to form in vivo but it is a pre-requisite for muscle to remain healthy. Despite intensive research in this field, the physiological substrates of the calpain 3 protein (hereafter referred to as CAPN3) and its alternatively spliced isoforms remain elusive. The existence of these multiple isoforms complicates the search for the physiological functions of CAPN3 and its pathophysiological role. In this review, we summarize the genetic and biochemical evidence that point to loss of function of the full-length isoform of CAPN3, also known as p94, as the pathogenic isoform. We also argue that its natural substrates must reside in its proximity within the sarcomere where it is stored in an inactive state anchored to titin. We further propose that CAPN3 has many attributes that make it ideally suited as a sensor of sarcomeric integrity and function, involved in its repair and maintenance. Loss of these CAPN3-mediated activities can explain the "progressive" development of muscular dystrophy.