Current Challenges in Modeling Cellular Metabolism

Mathematical and computational models play an essential role in understanding the cellular metabolism. They are used as platforms to integrate current knowledge on a biological system and to systematically test and predict the effect of manipulations to such systems. The recent advances in genome sequencing techniques have facilitated the reconstruction of genome-scale metabolic networks for a wide variety of organisms from microbes to human cells. These models have been successfully used in multiple biotechnological applications. Despite these advancements, modeling cellular metabolism still presents many challenges. The aim of this Research Topic is not only to expose and consolidate the state-of-the-art in metabolic modeling approaches, but also to push this frontier beyond the current edge through the introduction of innovative solutions. The articles presented in this e-book address some of the main challenges in the field, including the integration of different modeling formalisms, the integration of heterogeneous data sources into metabolic models, explicit representation of other biological processes during phenotype simulation, and standardization efforts in the representation of metabolic models and simulation results.

Glucose addiction in cancer therapy : advances and drawbacks

Glucose addiction in cancer therapy: advances and drawbacks.

Role of sirtuin 3 on mitochondrial dynamics in Huntington's disease striatal cells

Dissertação de mestrado em Genética Molecular

Lipid metabolism in rats fed diets containing different types of lipids

OBJECTIVE: To assess the effect of different types of lipid diets on the lipid metabolism of aging rats. METHODS: Fifty male Wistar rats were studied from the time of weaning to 12 and 18 months of age. Their diets were supplemented as follows: with soybean oil (S), canola oil (CA), lard and egg yolk (LE), and canola oil + lard and egg yolk (CA + LE). Blood pressure (BP) was measured every month, and the heart/body ratio (H/BR) was determined. The rats were euthanized at the age of 12 and 18 months, and blood samples were collected for lipid analysis as follows: total cholesterol (TC), LDL-C, VLDL-C, HDL-C, triglycerides (TG), and glucose. RESULTS: The type of oil ingested by the animals significantly altered BP, H/BR, and serum lipid levels in rats at 12 and 18 months. No difference was observed in the survival curve of the animals in the different groups. The LE group had the highest BP, and the CA group was the only one in which BP did not change with aging. A reduction in the H/BR was observed in the LE and CA+LE animals. At the age of 12 months, differences in TC, HDL-C, LDL-C, VLDL-C, TG, and glucose were observed. At the age of 18 months, a significant difference in TC, HDL-C, and glucose was observed. The highest TC value was found in the CA group and the lowest in the S group. CONCLUSION: No increase in BP occurred, and an improvement was evident in the lipid profile of rats fed a diet supplemented with CA, in which an elevation in HDL-C levels was observed, as compared with levels with the other types of diet.

Regulación transcripcional y relación entre estructura y función de proteínas relacionadas con el metabolismo de colina en Pseudomonas aeruginosa. Transcriptional regulation and relationship between structure and function of proteins related with the choline metabolism in Pseudomonas aeruginosa.

El objetivo general de este proyecto es dilucidar los mecanismos de acción a nivel molecular de enzimas y proteínas involucradas en el metabolismo de colina en Pseudomonas aeruginosa, con énfasis en la identificación de residuos aminoacídicos críticos y regulación de la expresión de los genes en estudio. Los objetivos específicos que se palntean involucran abordajes bioquímicos y moleculares y serán llevados a cabo mediante técnicas de biología molecular y bioquímica (mutación sitio-dirigida, deleción génica, expresión y purificación de proteínas, fusión transcripcional a genes reporteros, etc). Planteo de hipótesis: las proteínas que se inducen por colina (fosforilcolina fosfatasa (PchP), fosfolipasa C (PlcH), acetilcolinestera (AchE), proteínas periplásmicas unidoras de colina (PUch) podrían compartir: a) una organización génica y responder a la regulación por proteínas regulatorias o a factores ambientales de manera similar; b) residuos aminoacídicos conservados que intervengan en la unión o interacción con diferentes ligandos, principalmente, colina. Para ello, se plantean los siguientes Objetivos Específicos: 1) identificar las zonas promotoras de los genes que codifican para PchP, PlcH, AchE y PUch, a fin de localizar posibles sitios de unión a proteínas reguladoras y los factores ambientales que afectan la actividad promotora. 2) determinar en las proteínas mencionadas los residuos aminoacídicos de importancia involucrados en la catálisis y en la interacción con ligandos, principalmente en la unión a compuestos de alquilamonio; 3) Se iniciarán estudios que demuestren la relación entre la inducción por colina de varios factores de patogenicidad la virulencia del microorganismo, empleando mutantes simples o múltiples en estos factores y como modelo de patogenicidad el nematodo C. elegans. A partir de los resultados obtenidos se pretende tener un conocimiento profundo sobre la regulación molecular y bioquímica de varias enzimas comprometidas en la patología que produce P. aeruginosa. Esto más el conocimiento de la fisiología de este microorganismo abre el camino para la búsqueda de posibles blancos de acción de drogas. Por otro lado, se espera tener un conocimiento integral sobre la regulación de la expresión de las actividades enzimáticas relacionadas con el metabolismo de colina y la respuesta de P. aeruginosa ante la presencia de compuestos de alquilamonio utilizados como nutrientes. Se espera conocer el papel que desempeña cada uno de los sitios de unión a los diferentes ligandos para el funcionamiento y control de las enzimas mencionadas y explicar el comportamiento diferencial de las enzimas frente a distintos sustratos y otros ligandos. El conocimiento de los sitios de unión a compuestos de alquilamonio permitirá encontrar esos dominios en diferentes proteínas del género Pseudomonas y otras bacterias Gram negativas. Desde el punto de vista evolutivo, se podrá comparar la similitud de los sitios de unión a colina entre proteínas de organismos eucariotas con procariotas (ej. PUch de bacterias Gram positivas, transportadores de colina, proteína C reactiva, AchE de eucariotas contra las encontradas en bacterias del género Pseudomonas, fosfolipasas A, C o D, etc.). Este proyecto permitirá concretar al menos dos tesis doctorales (Sanchez, Otero) más varios trabajos finales de grado (tesinas) que son y serán realizados por alumnos de la carrera de Microbiología en la UNRC. Les permitirá a los doctorandos y a los alumnos de grado adquirir una formación bastante integral ya que utilizarán herramientas de la fisiología general bacteriana, de la bioquímica clásica, de la biología molecular y de la bioinformática.

Metabolismo de fosfolípidos, señal de calcio y sus implicancias en la diferenciación de Trypanosoma cruzi. Phospholipids metabolism, calcium signal and its implications in the differentiation of Trypanosoma cruzi.

Trypanosoma cruzi es un protozoo primitivo agente causal de la enfermedad de Chagas. La transmisión de esta enfermedad depende tanto del desarrollo y de la diferenciación del microorganismo en el intestino del vector. Las diferentes formas del parásito se han adaptado a una serie de condiciones impuestas por los distintos ambientes en donde debió habitar. Esta capacidad de sobrevivir a medios externos tan variados está dada por la diversidad en las vías de transducción de señales en el parásito. T. cruzi se multiplica y diferencia (metaciclogénesis) en el recto de los triatominos. A este nivel, los parásitos se enfrentan a un incremento en la osmolaridad causado por un elevado contenido de NaCl en la orina. En nuestro laboratorio se observó que diferentes estímulos son capaces de producir incrementos en los niveles de IP3 y de Ca2+ intracelular, consecuencia de la activación del ciclo del inositol fosfato, y activación de fosfolipasa D (PLD) y fosfatidilinositol 3 quinasa (PI3K). En un medio carente de Na+ los epimastigotes estimulados con carbacol, mostraron una señal de calcio disminuida mientras que la acumulación de IP3 no se modificó. Además, esta señal se incrementó en presencia de PMA, activador de proteína quinasa C, mientras que la acumulación de IP3 se anuló completamente. Estos resultados indujeron a pensar en un mecanismo alternativo y/o paralelo a IP3 en la liberación de Ca2+, en el cual la presencia de un intercambiador Na+/H+ favorecería la liberación del ion desde organelas acídicas. Es conocido que la señal de calcio es requerida para la metaciclogénesis, y que esta señal es independiente del Ca2+ extracelular (Lammel y col. 1996, Marchesini y col., 2002). De este modo se propone que "los epimastigotes de T. cruzi utilizan como elementos conservados a lo largo de la evolución a los elementos del ciclo del inositol fosfato, uno de los sistemas de transducción de señales más antiguo, para responder a estímulos que inducen la diferenciación del parásito". Por lo tanto, para el desarrollo de este proyecto se propone determinar la presencia de un RcIP3 en epimastigotes y conocer su compromiso en la liberación de Ca2+ desde reservorios intracelulares. Además, establecer si un intercambiador Na+/H+ en membrana de acidocalcisomas estaría relacionado con la señal de calcio intracelular y su posible regulación por proteina quinasa C y A (PKC y PKA, respectivamente). Por otro lado, para dilucidar la implicancia de estos mecanismos en el proceso de metaciclogénesis, se propone estudiar la activación del intercambiador Na+/H+ y la señal de calcio en condiciones de hiperosmolaridad, tal como ocurre en el recto del triatomino. Ademas, ya que el proceso de diferenciación involucra una reorganización de los microtubulos del citoesqueleto se pretende estudiar el compromiso del metabolismo de fosfolípidos y tubulina en procesos que contribuyen a la inducción de la metaciclogenesis. El alcance de los objetivos mencionados ayudará a dilucidar la presencia de componentes tales como RcIP3 y el intercambiador Na+/H+ involucrados en la señalización del ion bivalente. Por otro lado, se espera demostrar que los isotipos de tubulina encontrados en T. cruzi cambien en cantidad relativa y nivel de expresión cuando los epimastigotes sean estimulados con posibles inductores de la diferenciación. Además, se espera observar simultáneamente un aumento en la actividad de dos enzimas relacionadas con la reorganización de microtúbulos: PI-3K y PLD. En tal caso, y para comprobar su implicancia en el proceso, se espera que la inhibición de tales enzimas sea capaz de revertir el efecto producido por los estímulos. Como la PLC se expresa principalmente en las forma epimastigotes mas que en los tripomastigotes (forma infectiva), la señal de Ca2+ inducida por IP3 se relacionaría con la capacidad del parásito para responder a ciertos cambios de pH y osmolaridad que enfrenta el microorganismo en el tracto digestivo del insecto vector.

Evaluación del efecto del láser y magnetoterapia en miopatía experimental valorando biomarcadores de estrés oxidativo, histomorfometría y actividad enzimática mitocondrial. Evaluation of the effect of laser and magnetic therapy in experimental myopathy assessing oxidative stress biomarkers, histomorphometry and mitochondrial enzyme activity

El láser de baja y media energía y la magnetoterapia son utilizados en desórdenes osteomioarticulares por sus efectos analgésico, antiinflamatorio y trófico, entre los más destacados. Sin embargo, son insuficientes las investigaciones sobre su mecanismo de acción y antecedentes científicos que avalen sus efectos. Es por ello, que la determinación de acontecimientos celulares y moleculares que ocurren durante la interacción de estos tipos de energía con el sistema muscular, sería relevante para el conocimiento y optimización de tales terapias en las ciencias biomédicas. En las miopatías inflamatorias idiopáticas, se encuentra afectada la estructura, morfología y bioquímica del tejido muscular. La energía que éste requiere para el normal funcionamiento es generada en la mitocondria. Esta organela también es la responsable de la generación de especies oxidantes provocando estrés oxidativo y el inicio de los procesos de apoptosis. Por lo antes dicho, consideramos que la determinación de los biomarcadores inflamatorios asociados a estrés oxidativo, realizando el análisis histomorfométrico ultraestructural y valorando la actividad de los complejos enzimáticos mitocondriales, permitiría una evaluación de la acción terapéutica del láser y la magnetoterapia en un modelo experimental de miopatía. Para ello se propone evaluar el efecto de la magnetoterapia y del láser de baja energía (He-Ne y As.Ga) en miopatía experimental determinando indicadores inflamatorios asociados a estrés oxidativo, análisis histomorfométrico y valoración de la actividad enzimática mitocondrial. Específicamente: -Determinar indicadores inflamatorios y de estrés oxidativo: Oxido Nítrico, Grupos carbonilos, L-citrulina, Fibrinógeno, Superóxido dismutasa, Glutation peroxidasa y Catalasa por espectrofotometría. -Identificar los cambios anatomopatológicos del músculo esquelético por microscopía óptica (MO): cuantificación del infiltrado inflamatorio; MO de alta resolución (MOAR) y por microscopía electrónica: histomorfometría de la ultraestructura miofibrilar y mitocondrial. -Valorar las actividades enzimáticas de la citrato sintasa y de los complejos: I (NADH-ubiquinona reductasa), II (succinato-ubiquinona-reductasa) III (ubiquinona-citocromo c-reductasa) y IV (citocromo c-oxidasa); en mitocondrias de tejido muscular por espectrofotometría. -Evaluar la actividad apoptótica en las fibras musculares de los diferentes grupos por ténica de T.U.N.E.L. Las mediciones mitocondriales (por ME) y de infiltrado inflamatorio (por MO) se realizarán en un total de 5 fotos de aumentos similares en forma aleatoria por grupo estudiado (n=10). Los cambios estructurales observados se analizarán en el programa Axiovision 4.8, para cuantificar el área total ocupada, número total y grado de alteración de las mitocondrias y el porcentaje de infiltrado inflamatorio determinando el grado de inflamación. Los resultados de los datos cuantitativos se analizarán aplicando ANAVA (test de Fisher para comparaciones múltiples); y para los datos categóricos se utilizará Chi cuadrado (test de Pearson), estableciéndose un nivel de significación de p < 0.05 para todos los casos. Importancia del Proyecto: La salud y el bienestar del hombre son los logros perseguidos por las ciencias de la salud. La obtención de terapias curativas o paliativas con un mínimo de efectos colaterales para el enfermo se incluye en estos logros. Por esto y todo lo anteriormente expuesto es que consideramos de gran importancia poder esclarecer desde las ciencias básicas los efectos celulares y moleculares en modelos experimentales la acción de la terapia con láser y magnetoterapia para una aplicación clínica con base científica en todas las áreas de las Ciencias Médicas. In the idiopathic inflammatory myopathies, is affected the structure, morphology and biochemistry of muscle tissue. The mitochondria is responsible for the generation of oxidizing species leading to oxidative stress and the beginning of the process of apoptosis. As said before, we consider the determination of inflammatory biomarkers related to oxidative stress, by ultrastructural morphometric analysis and assessing the activity of mitochondrial enzyme complexes, permit an evaluation of the therapeutic action of laser and magnetic therapy in an experimental model myopathy. We propose to evaluate the effect of the treatment identifying indicators in experimental inflammatory myopathy associated with oxidative stress, histomorphometric analysis and assessment of mitochondrial enzyme activity. Specifically -determining: Nitric oxide, carbonyl groups, L-citrulline, fibrinogen, superoxide dismutase, glutathione peroxidase and catalase by spectrophotometry. -Identify the pathological changes in skeletal muscle by optical microscopy (OM): quantification of the inflammatory infiltrate, OM high resolution (MOAR) and electron microscopy, histomorphometry of myofibrillar and mitochondrial ultrastructure. -Evaluate the enzymatic activity of citrate synthase and complexes: I, II, III and IV in mitochondria muscle tissue by spectrophotometry. -Evaluate apoptotic activity in muscle fibers by TUNEL technique of Mitochondrial measurements and inflammatory infiltration (by OM) was performed in a total of 5 photos of similar increases in random by the study group (n = 10). The structural changes observed are discussed in the program Axiovision 4.8, to quantify number, degree of alteration of mitochondria and the percentage of inflammatory infiltrate determining the degree of inflammation. The results of the quantitative data were analyzed using ANOVA (Fisher test), and categorical data with Chi-square (Pearson test), establishing a significance level of p <0.05.

The physiology of plants; a treatise upon the metabolism and sources of energy in plants, by Dr. W. Pfeffer ... 2d fully rev. ed., translated and edited by Alfred J. Ewart.

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The physiology of plants; a treatise upon the metabolism and sources of energy in plants, by Dr. W. Pfeffer ... 2d fully rev. ed., translated and edited by Alfred J. Ewart.

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The physiology of plants; a treatise upon the metabolism and sources of energy in plants, by Dr. W. Pfeffer ... 2d fully rev. ed., translated and edited by Alfred J. Ewart.

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Hemodynamic Effect of Laser Therapy in Spontaneously Hypertensive Rats

Systemic arterial hypertension (SAH) is considered to be the greatest risk factor for the development of neuro-cardiovascular pathologies, thus constituting a severe Public Health issue in the world. The Low-Level Laser Therapy (LLLT), or laser therapy, activates components of the cellular structure, therefore converting luminous energy into photochemical energy and leading to biophysical and biochemical reactions in the mitochondrial respiratory chain. The LLLT promotes cellular and tissue photobiomodulation by means of changes in metabolism, leading to molecular, cellular and systemic changes. The objective of this study was to analyze the action of low-level laser in the hemodynamic modulation of spontaneously hypertensive rats, in the long term. Animals (n = 16) were randomly divided into the Laser Group (n = 8), which received three weekly LLLT irradiations for seven weeks, and into the Sham Group (n = 8), which received three weekly simulations of laser for seven weeks, accounting for 21 applications in each group. After seven weeks, animals were cannulated by the implantation of a catheter in the left carotid artery. On the following day, the systemic arterial pressure was recorded. The Laser Group showed reduced levels of mean blood pressure, with statistically significant reduction (169 ± 4 mmHg* vs. 182 ± 4 mmHg from the Sham Group) and reduced levels of diastolic pressure (143 ± 4 mmHg* vs. 157 ± 3 mmHg from the Sham Group), revealing a 13 and 14 mmHg decrease, respectively. Besides, there was a concomitant important decline in heart rate (312 ± 14 bpm vs. 361 ± 13 bpm from the Sham Group). Therefore, laser therapy was able to produce hemodynamic changes, thus reducing pressure levels in spontaneously hypertensive rats.

Leber's hereditary optic neuropathy (LHON) : involvement of mitochondrial permeability transition in the pathogenesis and protective actions of minocycline

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2008

Modulation of the activity of the mitochondrial BK-channel and the permeability transition pore by hypoxia and apoptotic factors

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2010

Mitochondrial localization ot two brain proteins, p42IP4/centaurin-[alpha]1/ADAP1 and CNP, and their involvement in regulation of mitochondrial Ca 2+

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2010

mRNA metabolism: nonsense mediated mRNA decay as a tool for gene therapy and the role of human DIS3L2 in transcript degradation

Tese de mestrado em Biologia Humana e Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015