Bioengineering strategies to improve functional qualities of nisin

The abuse of antibiotics and the emergence of multi-drug resistant bacterial strains have created the need to explore alternative methods of controlling microbial pathogens. The bacteriocin family of antimicrobial peptides has been proposed as one such alternative to classic antibiotics. Nisin A belongs to the subgroup of bacteriocins called the lantibiotics, which contain several unusual amino acids as a consequence of enzyme-mediated post-translational modifications. As nisin is produced by generally regarded as safe (GRAS) microorganisms, it could potentially be applied in a clinical setting. However, as lantibiotics are naturally produced in such small quantities, this can hinder their industrial potential. In order to overcome this, several approaches can be utilised. For example, given the gene encoded nature of lantibiotics, genetic engineering approaches can be implemented in order to yield variants with enhanced properties. Here, the use of mutagenesis-based strategies was employed to obtain a derivative of nisin with enhanced bioactivity in vitro. Investigations with purified peptide highlighted the enhanced specific activity of this variant, nisin M21V, against food-borne Listeria monocytogenes strains. Furthermore, this specific enhanced bioactivity was evident in a mouse model of listeriosis. Reductions in bioluminescence and microbial counts in organs from infected mice were observed following treatment with nisin M21V compared to that of wild-type nisin A. Peptide bioengineering approaches were also implemented to obtain additional novel derivatives of nisin. The generation of “S5X” and “S33X” banks (representing a change of natural serines at positions 5 and 33 to all possible alternative residues) by a combination of site-saturation and site-directed mutagenesis led to the identification of several derivatives exhibiting improved stability. This allowed the rational design of variants with enhanced stability compared to that of wild type nisin. Another means of tackling issues associated with lantibiotic yield is to combine lantibiotics with other antimicrobials. This could circumvent the need for enhanced production while also reducing concentrations of the peptide antimicrobials. We observed that combinations of nisin variants and low levels of plant essential oils (thymol, carvacrol, trans-cinnamaldehyde) significantly controlled Gram negative foodborne pathogens in in vitro assays compared to nisin A-essential oil combinations. This enhanced control was also evident in model food systems. Nisin variants used in conjunction with carvacrol significantly reduced numbers of E. coli O157:H7 in apple juice while a commercial nisin preparation used in combination with citric acid significantly controlled C. sakazakii in infant milk formula. It is noteworthy that while nisin is generally associated with Gram positive targets, upon combination with plant essential oils the spectrum of inhibition was broadened to Gram negative targets.

Growth dependent silencing and resetting of DGA1 transgene in Nannochloropsis salina

Here we report recombinant expression and activity of the Saccharomyces cerevisiae type 2 diacylglycerol acyltransferase DGA1 functioning in parallel with the native Nannochloropsis salina genes. Expression of DGA1 shifted the chain length distribution of fatty acids produced and reflected an oleoyl-CoA substrate preference. Effect on the total FAME content was moderate and elevated by a maximum of 38%. Expression of the DGA1 transgene varied throughout the culture life cycle and evidence of growth dependent environmental silencing of the transgene was observed. This is to our knowledge the first example of silencing and subsequent resetting in a transgenic microalga. Results from this study add valuable insights into the efficacy of algal genetic engineering and use of these microorganisms as bio-platforms for chemical manufacture.

Growth dependent silencing and resetting of DGA1 transgene in Nannochloropsis salina

Here we report recombinant expression and activity of the Saccharomyces cerevisiae type 2 diacylglycerol acyltransferase DGA1 functioning in parallel with the native Nannochloropsis salina genes. Expression of DGA1 shifted the chain length distribution of fatty acids produced and reflected an oleoyl-CoA substrate preference. Effect on the total FAME content was moderate and elevated by a maximum of 38%. Expression of the DGA1 transgene varied throughout the culture life cycle and evidence of growth dependent environmental silencing of the transgene was observed. This is to our knowledge the first example of silencing and subsequent resetting in a transgenic microalga. Results from this study add valuable insights into the efficacy of algal genetic engineering and use of these microorganisms as bio-platforms for chemical manufacture.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Bioinformatics analysis of the Pedobacter sp. NL19 genome

The last decades of the 20th century defined the genetic engineering advent, climaxing in the development of techniques, such as PCR and Sanger sequencing. This, permitted the appearance of new techniques to sequencing whole genomes, identified as next-generation sequencing. One of the many applications of these techniques is the in silico search for new secondary metabolites, synthesized by microorganisms exhibiting antimicrobial properties. The peptide antibiotics compounds can be classified in two classes, according to their biosynthesis, in ribosomal or nonribosomal peptides. Lanthipeptides are the most studied ribosomal peptides and are characterized by the presence of lanthionine and methylanthionine that result from posttranslational modifications. Lanthipeptides are divided in four classes, depending on their biosynthetic machinery. In class I, a LanB enzyme dehydrate serine and threonine residues in the C-terminus precursor peptide. Then, these residues undergo a cyclization step performed by a LanC enzyme, forming the lanthionine rings. The cleavage and the transport of the peptide is achieved by the LanP and LanT enzymes, respectively. Although, in class II only one enzyme, LanM, is responsible for the dehydration and cyclization steps and also only one enzyme performs the cleavage and transport, LanT. Pedobacter sp. NL19 is a Gram-negative bacterium, isolated from sludge of an abandon uranium mine, in Viseu (Portugal). Antibacterial activity in vitro was detected against several Gram-positive and Gram-negative bacteria. Sequencing and in silico analysis of NL19 genome revealed the presence of 21 biosynthetic clusters for secondary metabolites, including nonribosomal and ribosomal peptides biosynthetic clusters. Four lanthipeptides clusters were predicted, comprising the precursor peptides, the modifying enzymes (LanB and LanC), and also a bifunctional LanT. This result revealed the hybrid nature of the clusters, comprising characteristics from two distinct classes, which are poorly described in literature. The phylogenetic analysis of their enzymes showed that they clustered within the bacteroidetes clade. Furthermore, hybrid gene clusters were also found in other species of this phylum, revealing that it is a common characteristic in this group. Finally, the analysis of NL19 colonies by MALDI-TOF MS allowed the identification of a 3180 Da mass that corresponds to the predicted mass of a lanthipeptide encoded in one of the clusters. However, this result is not fully conclusive and further experiments are needed to understand the full potential of the compounds encoded in this type of clusters. In conclusion, it was determined that NL19 strain has the potential to produce diverse secondary metabolites, including lanthipeptides that were not functionally characterized so far.

Transcriptome Analysis of Capsicum Chlorosis Virus-Induced Hypersensitive Resistance Response in Bell Capsicum

Background Capsicum chlorosis virus (CaCV) is an emerging pathogen of capsicum, tomato and peanut crops in Australia and South-East Asia. Commercial capsicum cultivars with CaCV resistance are not yet available, but CaCV resistance identified in Capsicum chinense is being introgressed into commercial Bell capsicum. However, our knowledge of the molecular mechanisms leading to the resistance response to CaCV infection is limited. Therefore, transcriptome and expression profiling data provide an important resource to better understand CaCV resistance mechanisms. Methodology/Principal Findings We assembled capsicum transcriptomes and analysed gene expression using Illumina HiSeq platform combined with a tag-based digital gene expression system. Total RNA extracted from CaCV/mock inoculated CaCV resistant (R) and susceptible (S) capsicum at the time point when R line showed a strong hypersensitive response to CaCV infection was used in transcriptome assembly. Gene expression profiles of R and S capsicum in CaCV- and buffer-inoculated conditions were compared. None of the genes were differentially expressed (DE) between R and S cultivars when mock-inoculated, while 2484 genes were DE when inoculated with CaCV. Functional classification revealed that the most highly up-regulated DE genes in R capsicum included pathogenesis-related genes, cell death-associated genes, genes associated with hormone-mediated signalling pathways and genes encoding enzymes involved in synthesis of defense-related secondary metabolites. We selected 15 genes to confirm DE expression levels by real-time quantitative PCR. Conclusion/Significance DE transcript profiling data provided comprehensive gene expression information to gain an understanding of the underlying CaCV resistance mechanisms. Further, we identified candidate CaCV resistance genes in the CaCV-resistant C. annuum x C. chinense breeding line. This knowledge will be useful in future for fine mapping of the CaCV resistance locus and potential genetic engineering of resistance into CaCV-susceptible crops.

Nuevas perspectivas sobre la histopatología de la infección de Pinus Radiata por Fusarium Circinatum

223 p.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Produção de novos anticorpos Anti-CD20 na forma de FvFc em células de mamíferos

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Biologia Celular, Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2015.

Ejercicio físico, salud y supuestos en el cálculo de la frecuencia cardíaca máxima estimada

Recibido 11 de noviembre de 2010 • Aceptado 09 de marzo de 2011 • Corregido 03 de junio de 2011 En tiempos en los que se habla ya de nanociencia, de nanotecnología, de biología sistémica, de reingeniería genética, de ecoalfabetización, de ecoeconomía, de revolución biotecnológica, etc., pareciera que aún permanecen viejas escuelas con supuestos científicos y referentes teóricos que en su momento dieron respuestas a necesidades científicas, pero que ya hoy son insuficientes. Se menciona esto porque resulta un atraso para la ciencias de la educación y para las ciencias del deporte el hecho de que aún se sigan enseñando en congresos nacionales e internacionales, seminarios, jornadas de investigación, en nuestras universidades y en cualquier tipo de reuniones científicas, algunos supuestos que han perdido vigencia y que, por lo tanto, han caducado en cuanto a su legitimidad y validez. Reconocemos los avances que para la ciencia del ejercicio físico y la fisiología del ejercicio representaron, en su momento, algunas fórmulas predictivas para el cálculo de la frecuencia cardíaca máxima estimada (FCME), hay aspectos dignos de considerar que atienden a la necesidad. No que las despreciemos, lo que se pretende a través del presente trabajo es mostrar y desmitificar el hecho de la fórmula tradicional como casi el único patrón de medición y cálculo de la FCME, y más allá ofrecer, desde la perspectiva de otros investigadores, posibilidades para una mejora en cuanto a la dosificación del ejercicio físico para ciertos tipos de poblaciones con especificidades singulares.

Review of Aerospace Engineering Cost Modelling: The Genetic Causal Approach

The primary intention of this paper is to review the current state of the art in engineering cost modelling as applied to aerospace. This is a topic of current interest and in addressing the literature, the presented work also sets out some of the recognised definitions of cost that relate to the engineering domain. The paper does not attempt to address the higher-level financial sector but rather focuses on the costing issues directly relevant to the engineering process, primarily those of design and manufacture. This is of more contemporary interest as there is now a shift towards the analysis of the influence of cost, as defined in more engineering related terms; in an attempt to link into integrated product and process development (IPPD) within a concurrent engineering environment. Consequently, the cost definitions are reviewed in the context of the nature of cost as applicable to the engineering process stages: from bidding through to design, to manufacture, to procurement and ultimately, to operation. The linkage and integration of design and manufacture is addressed in some detail. This leads naturally to the concept of engineers influencing and controlling cost within their own domain rather than trusting this to financers who have little control over the cause of cost. In terms of influence, the engineer creates the potential for cost and in a concurrent environment this requires models that integrate cost into the decision making process.

Aircraft Cost Modelling using the Genetic Causal Technique within a Systems Engineering Approach

The paper is primarily concerned with the modelling of aircraft manufacturing cost. The aim is to establish an integrated life cycle balanced design process through a systems engineering approach to interdisciplinary analysis and control. The cost modelling is achieved using the genetic causal approach that enforces product family categorisation and the subsequent generation of causal relationships between deterministic cost components and their design source. This utilises causal parametric cost drivers and the definition of the physical architecture from the Work Breakdown Structure (WBS) to identify product families. The paper presents applications to the overall aircraft design with a particular focus on the fuselage as a subsystem of the aircraft, including fuselage panels and localised detail, as well as engine nacelles. The higher level application to aircraft requirements and functional analysis is investigated and verified relative to life cycle design issues for the relationship between acquisition cost and Direct Operational Cost (DOC), for a range of both metal and composite subsystems. Maintenance is considered in some detail as an important contributor to DOC and life cycle cost. The lower level application to aircraft physical architecture is investigated and verified for the WBS of an engine nacelle, including a sequential build stage investigation of the materials, fabrication and assembly costs. The studies are then extended by investigating the acquisition cost of aircraft fuselages, including the recurring unit cost and the non-recurring design cost of the airframe sub-system. The systems costing methodology is facilitated by the genetic causal cost modeling technique as the latter is highly generic, interdisciplinary, flexible, multilevel and recursive in nature, and can be applied at the various analysis levels required of systems engineering. Therefore, the main contribution of paper is a methodology for applying systems engineering costing, supported by the genetic causal cost modeling approach, whether at a requirements, functional or physical level.

Probabilistic approaches in civil engineering: generation of random fields and structural identification with genetic algorithms

The inherent stochastic character of most of the physical quantities involved in engineering models has led to an always increasing interest for probabilistic analysis. Many approaches to stochastic analysis have been proposed. However, it is widely acknowledged that the only universal method available to solve accurately any kind of stochastic mechanics problem is Monte Carlo Simulation. One of the key parts in the implementation of this technique is the accurate and efficient generation of samples of the random processes and fields involved in the problem at hand. In the present thesis an original method for the simulation of homogeneous, multi-dimensional, multi-variate, non-Gaussian random fields is proposed. The algorithm has proved to be very accurate in matching both the target spectrum and the marginal probability. The computational efficiency and robustness are very good too, even when dealing with strongly non-Gaussian distributions. What is more, the resulting samples posses all the relevant, welldefined and desired properties of “translation fields”, including crossing rates and distributions of extremes. The topic of the second part of the thesis lies in the field of non-destructive parametric structural identification. Its objective is to evaluate the mechanical characteristics of constituent bars in existing truss structures, using static loads and strain measurements. In the cases of missing data and of damages that interest only a small portion of the bar, Genetic Algorithm have proved to be an effective tool to solve the problem.