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.

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.

Caracterización genética de la cepa Sinorhizobium meliloti 3DOh13 y evaluación de la capacidad fijadora de nitrógeno en alfalfa. Genetic characterization of the strain Sinorhizobium meliloti 3DOh13 and assessment of the capacity to fix nitrogen in alfalfa.

La provincia de Córdoba participa con aproximadamente el 23 por ciento del área total sembrada anualmente con alfalfa en nuestro país y, en los últimos años, se ha incrementado levemente, en contraste con las provincias de Buenos Aires, Santa Fe y Entre Ríos, donde ha decrecido. La inoculación de este cultivo con cepas del género Sinorhizobium ha permitido mejorar su rendimiento en los suelos de la región semiárida. La utilización para la siembra de semillas preinoculadas con microorganismos de origen extranjero, cuya eficiencia y adaptación a las condiciones locales no siempre se conocen, y con escasa capacidad de competencia ante las cepas naturalizadas, trae como consecuencia un bajo establecimiento de la nodulación y por consiguiente una escasa reposición del nitrógeno removido del suelo. Aún cuando la inoculación está relativamente difundida, en la actualidad no se ha determinado la proporción relativa de nitrógeno fijado por las cepas introducidas respecto de las nativas o naturalizadas, ni la competencia que se genera en el suelo por la ocupación de los sitios potenciales para la formación de nódulos. Nuestra hipótesis de trabajo es: "la inoculación con cepas de Sinorhizobium meliloti debidamente caracterizadas y eficientes en la fijación del nitrógeno atmosférico mejorará el rendimiento de alfalfa en la región centro-sur de Córdoba". Los objetivos de este estudio son caracterizar fenotípica y genotípica el aislamiento Sinorhizobium meliloti 3DOh13 y evaluar su eficiencia simbiótica en el cultivo de alfalfa, mediante ensayos de infectividad, eficiencia y competencia con cepas nativas. La evaluación de la infectividad de la cepa comprende estudios de cinética de la nodulación, número total de nódulos y ubicación de los mismos en experiencias donde las plantas crecen en condiciones de invernáculo sobre un soporte de tierra:arena:perlita (2:1:1). Se realizarán ensayos de competitividad, coinoculando semillas con la cepa DOh13 y otras nativas, en bolsas plásticas con medio mineral en los que se desafiarán los distintos aislamientos. Se inoculan las plantas con sólo dos aislamientos y los nódulos de la raíz principal serán extraídos a fin de aislar los microorganismos ocupantes, los que serán diferenciados por marca de resistencia a antibioticos. La eficiencia en la fijación de nitrógeno será cuantificada por las técnicas de reducción del acetileno en el nódulo y, en caso de ser necesario, se usará el método de Kjeldahl (N total) para la raíz, tejido aéreo o planta entera. La caracterización genotípica de S. meliloti 3DOh13 incluirá métodos de fingerprint de ADN por técnicas de PCR y secuenciamiento del ADNr 16S. Esta investigación permitirá obtener información precisa sobre la respuesta de alfalfa a la inoculación con la cepa de referencia. El producto que se espera obtener es un nuevo inoculante, formulado con una cepa efectiva en la fijación de nitrógeno, debidamente caracterizada y con probada capacidad de adaptación a los suelos de la región

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.

1

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.

3

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.

2

Tracer studies in the coffee plant (Coffea arabica L.)

Due to the great importance of coffee to the Brazilian economy, a good deal of the work carried out in the "Laboratório de Isótopos", E. E. A. "Luiz de Queiroz", Piracicaba, S. Paulo, Brazil, was dedicated to the study of some problems involving that plant. The first one was designed to verify a few aspects of the control of zinc deficiency which is common in many types of soils in Brazil. An experiment conducted in nutrient solution showed that the leaf absorption of the radiozinc was eight times as high as the root uptake; the lower surface of the leaves is particularly suited for this kind of absorption. Among the heavy metal micronutrients, only iron did not affect the absorption of the radiozinc; manganese, copper, and molybdenum brought about a decrease of fifty per cent in total uptake. In another pot experiment in which two soils typical of the coffee growing regions were used, namely, a sandy soil called "arenito de Bauru" and a heavy one, "terra roxa", only O.l and 0.2 per cent of the activity supplied to the roots was recovered", respectively. This indicates that under field conditions the farmer should not attempt to correct zinc deficiency by applying zinc salts to the soil: leaf sprays should be used wherever necessary. In order to find out the most suitable way to supply phosphatic fertilizers to the coffee plant, under normal farm conditions, an experiment with tagged superphosphate was carried out with the following methods of distribution of this material: (1) topdressed in a circular area around the trees; (2) placed in the bottom of a 15 cm deep furrow made around the plant; (3) placed in a semicircular furrow, as in the previous treatment; (4) sprayed directly to the leaves. It was verified that in the first case, circa 10 per cent of the phosphorus in the leaves came from the superphosphate; for the other treatments, the results ware, respectively: 2.4, 1.7, and 38.0 per cent. It is interesting to mention that the first and the last methods of distribution were those less used by the farmers; now they are being introduced in many coffee plantations. In a previous trial it was demonstrated that urea sprays were an adequate way to correct nitrogen deficiency under field conditions. An experiment was then set up in which urea-C14 was used to study the metabolism of this fertilizer in coffee leaves. In was verified that in a 9 hours period circa 95 per cent of the urea supplied to the leaves had been absorbed. The distribution of the nitrogen of the urea was followed by standard chemical procedures. On the other hand the fate of the carbonic moiety was studied with the aid of the radiochromatographic technique. Thus, the incorporation of C14 in aminoacids, sugars and organic acids was ascertained. Data obtained in this work gave a definite support to the idea that in coffee leaves, as in a few other higher plants, a mechanism similar to the urea cycle of animals does exist.

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

Sulfur fractions and carbon-nitrogen-phosphorus-sulfur relationships in some Brazilian and Iowa soils

O atual conhecimento relativo à distribuição em percentagem das várias frações de enxofre nos solos provem principalmente dos estudos dos solos de regiões temperadas. Em vista disso, este estudo foi conduzido para determinar as frações do S e as relações C-N-P-S em alguns solos da região subtropical dos Estados de São Paulo e do Paraná, Brasil, e comparar estes valores nestes solos com aqueles nos solos do Estado de Iowa, dos Estados Unidos da América do Norte. As análises das frações de enxofre nos solos dos dois países, indicaram que os solos do Brasil contem sulfato inorgânico adsorvido. Expressos como percentagem do S total, os solos do Brasil acusaram de 5 a 23% (média 11%) de S-sulfato inorgânico, de 20 a 65% (média 40%) de S-ester sulfato, de 5 a 12% (média 7%) de S-ligado ao Carbono e de 24 a 59% (média 42%) de S orgânico não identificado. As percentagens correspondentes nos solos de Iowa foram de 2 a 8% (média 5%) de S-sulfato inorgânico, de 43 a 60% (média 50%) de S-ester sufato, de 7 a 18% (média 11%) de enxofre ligado ao carbono e de 30 a 39% (média 34%) de S orgânico, não identificado. Outrossim, não foi encontrado o enxofre inorgânico não-sulfato em nenhum dos solos analisados. Houve grandes variações nas relações C, N, Ρ e S entre solos brasileiros quando comparados com aqueles do Iowa.

Characterization of the avian designer cells AGE1.CR and AGE1.CR.plX considering growth, metabolism and production of influenza virus and Modified Vaccinia Virus Ankara (MVA)

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2014

Effect of day time on foliar spraying of several levels of nitrogen fertilizer, NPKS solutions and its components, on common bean leaves

An experiment was carried out in order to determine the effect of day time of foliar spraying of several levels of nitrogen fertilizers, N-P-K-S station, and its components on common bean leaves. Results, based on the visual observations, indicated the maximum levels of each fertilizer that did not cause injuries and showed that the foliar spraying early in the morning is the best day time.

Dynamics in growth and metabolism of adherent MDCK cells unraveled by an integrated modeling approach

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, Univ., Dissertation, 2015

Seasonal variations in the intermediate metabolism of the crayfish Parastacus brasiliensis (Crustacea, Decapoda, Parastacidae) in the natural environment and experimental culture

The goal of this study was to evaluate the effects of seasonal variations on energy metabolism in different tissues of the freshwater crayfish Parastacus brasiliensis (von Martens, 1869). Crayfish were collected monthly from January 2001 to January 2003 in São Francisco de Paula, Rio Grande do Sul, Brazil, in a stream and in a culture tank. Haemolymph samples were collected from each crayfish in the field with a syringe, by puncturing the membrane at the base of the chelipeds. Hepatopancreas, gills, and abdominal muscle were removed for determination of free glucose, glycogen, total lipids, and triglycerides. The haemolymph samples were used for determination of glucose, total proteins, total lipids, and triglycerides. Statistical analysis revealed significant differences in biochemical composition in crayfish collected in the stream compared to the experimental tank during the year, principally in glucose and triglycerides in haemolymph, glycogen and total lipids in all tissues study, and triglycerides only in abdominal muscle. The regular food intake partially modified these seasonal variations of the metabolic pattern. Environmental conditions (e.g., food availability and water temperature) and reproductive period appeared to be the main factors influencing the seasonal patterns of variation in energy metabolism.