Solvent dependence of dynamic transitions in protein solutions

A transition as a function of increasing temperature from harmonic to anharmonic dynamics has been observed in globular proteins by using spectroscopic, scattering, and computer simulation techniques. We present here results of a dynamic neutron scattering analysis of the solvent dependence of the picosecond-time scale dynamic transition behavior of solutions of a simple single-subunit enzyme, xylanase. The protein is examined in powder form, in D2O, and in four two-component perdeuterated single-phase cryosolvents in which it is active and stable. The scattering profiles of the mixed solvent systems in the absence of protein are also determined. The general features of the dynamic transition behavior of the protein solutions follow those of the solvents. The dynamic transition in all of the mixed cryosolvent–protein systems is much more gradual than in pure D2O, consistent with a distribution of energy barriers. The differences between the dynamic behaviors of the various cryosolvent protein solutions themselves are remarkably small. The results are consistent with a picture in which the picosecond-time scale atomic dynamics respond strongly to melting of pure water solvent but are relatively invariant in cryosolvents of differing compositions and melting points.

Solvent effects on the energy landscapes and folding kinetics of polyalanine

The effect of a solvation on the thermodynamics and kinetics of polyalanine (Ala12) is explored on the basis of its energy landscapes in vacuum and in an aqueous solution. Both energy landscapes are characterized by two basins, one associated with α-helical structures and the other with coil and β-structures of the peptide. In both environments, the basin that corresponds to the α-helical structure is considerably narrower than the basin corresponding to the β-state, reflecting their different contributions to the entropy of the peptide. In vacuum, the α-helical state of Ala12 constitutes the native state, in agreement with common helical propensity scales, whereas in the aqueous medium, the α-helical state is destabilized, and the β-state becomes the native state. Thus solvation has a dramatic effect on the energy landscape of this peptide, resulting in an inverted stability of the two states. Different folding and unfolding time scales for Ala12 in hydrophilic and hydrophobic chemical environments are caused by the higher entropy of the native state in water relative to vacuum. The concept of a helical propensity has to be extended to incorporate environmental solvent effects.

Direct evidence for modified solvent structure within the hydration shell of a hydrophobic amino acid.

Neutron scattering experiments are used to determine scattering profiles for aqueous solutions of hydrophobic and hydrophilic amino acid analogs. Solutions of hydrophobic solutes show a shift in the main diffraction peak to smaller angle as compared with pure water, whereas solutions of hydrophilic solutes do not. The same difference for solutions of hydrophobic and hydrophilic side chains is also predicted by molecular dynamics simulations. The neutron scattering curves of aqueous solutions of hydrophobic amino acids at room temperature are qualitatively similar to differences between the liquid molecular structure functions measured for ambient and supercooled water. The nonpolar solute-induced expansion of water structure reported here is also complementary to recent neutron experiments where compression of aqueous solvent structure has been observed at high salt concentration.

Cloning of an organic solvent-resistance gene in Escherichia coli: the unexpected role of alkylhydroperoxide reductase.

Although bacterial strain able to grow in the presence of organic solvents have been isolated, little is known about the mechanism of their resistance. In the present study, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene (tetralin), a solvent with potential applications in industrial biocatalysis, was used to select a resistant mutant of Escherichia coli. The resultant mutant strain was tested for resistance to a wide range of solvents of varying hydrophobicities and was found to be resistant not only to tetralin itself but also to cyclohexane, propylbenzene, and 1,2-dihydronaphthalene. A recombinant library from mutant DNA was used to clone the resistance gene. The sequence of the cloned locus was determined and found to match the sequence of the previously described alkylhydroperoxide reductase operon ahpCF. The mutation was localized to a substitution of valine for glycine at position 142 in the coding region of ahpC, which is the gene encoding the catalytic subunit of the enzyme. The ahpC mutant was found to have an activity that was three times that of the wild type in reducing tetralin hydroperoxide to 1,2,3,4-tetrahydro-1-naphthol. We conclude that the toxicity of such solvents as tetralin is caused by the formation of toxic hydroperoxides in the cell. The ahpC mutation increases the activity of the enzyme toward hydrophobic hydroperoxides, thereby conferring resistance. The ahpC mutant was sensitive to the more hydrophilic solvents xylene and toluene, suggesting that there are additional mechanisms of solvent toxicity. Mutants resistant to a mixture of xylene and tetralin were isolated from the ahpC mutant but not from the wild-type strain.

Filmes e coberturas a base do resíduo da extração de corante de cúrcuma

O objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial de uso do resíduo da extração de pigmento de cúrcuma na produção de filmes e coberturas. Para o estudo dos filmes, foram utilizados glicerol e sorbitol como plastificantes e avaliados os efeitos da concentração de farinha de cúrcuma e do plastificante sobre as propriedades mecânicas, solubilidade, permeabilidade ao vapor de água (PVA), molhabilidade, atividade antioxidante, teor de curcuminóides e teor de compostos fenólicos totais utilizando um Delineamento Central Composto Rotacional 22, e os resultados foram avaliados utilizando a metodologia de superfície de resposta (MSR). A concentração de farinha afetou de forma positiva a espessura, PVA e o teor de curcuminóides totais dos filmes plastificados com glicerol e sorbitol. Entretanto, esta variável afetou as propriedades de solubilidade, molhabilidade e teor de compostos fenólicos totais somente dos filmes com glicerol. A concentração de plastificante (glicerol ou sorbitol) afetou significativamente a solubilidade, PVA e molhabilidade de ambos os filmes. Filmes de farinha de cúrcuma com boas propriedades mecânicas, baixa permeabilidade ao vapor de água, alta atividade antioxidante, alto teor de curcuminóides e alto teor de compostos fenólicos totais podem ser produzidos utilizando 27,9 a 30 g glicerol/100 g farinha ou 30 a 42 g sorbitol/100 g farinha e concentração de farinha na faixa de 5% a 6,41%. A cobertura de farinha de cúrcuma contendo 6% de farinha e 30 g glicerol/100 g de farinha foi aplicada em bananas Maçã (Musa acuminata) armazenadas a 27ºC e 65% UR. Assim, foi avaliado o efeito da cobertura na qualidade pós-colheita das bananas em função à suas características físico-químicas como perda de massa, firmeza da polpa, pH, acidez titulável, sólidos solúveis, açúcares redutores e cor da casca. Os resultados mostraram que a cobertura foi eficiente em diminuir a perda de massa, o teor de açúcares redutores, a acidez, a perda da firmeza e a cor da casca principalmente durante a etapa de maturação do fruto. Entretanto, não foi observado grande efeito da cobertura sobre o pH e o teor de sólidos solúveis durante o período estudado. As bananas sem a cobertura tiveram vida útil de 6 dias, enquanto as bananas com cobertura tiveram vida útil de 9 dias.

Desenvolvimento de embalagem biodegradável ativa a base de fécula de mandioca e agentes antimicrobianos naturais.

Aliado ao fato dos biomateriais ainda serem pouco explorados pelas indústrias alimentícias, este trabalho propôs o desenvolvimento de embalagens que sejam, além de biodegradáveis, também ativas através do uso de um agente antimicrobiano natural capaz de inibir a proliferação de fungos correntes em produtos de panificação (Penicillium commune e Eurotium amstelodami). Primeiramente, filmes biodegradáveis a base de fécula de mandioca foram elaborados pela técnica de casting, usando açúcares e glicerol como plastificantes. O aumento do conteúdo de glicerol causou diminuição da resistência máxima à tração e elevação dos valores de propriedades de barreira. Numa segunda etapa do trabalho, a introdução de nanopartículas de argila esmectita influenciou positivamente as propriedades de barreira dos filmes, devido à diminuição observada nos valores de permeabilidade ao vapor de água e coeficiente de permeabilidade ao oxigênio. Nesta fase, a variação do conteúdo de glicerol também afetou significativamente as propriedades mecânicas e de barreira dos filmes biodegradáveis. As concentrações inibitórias mínimas dos óleos essenciais de cravo e de canela contra os fungos estudados foram definidas e o óleo essencial de canela foi selecionado, para ser incorporado aos filmes biodegradáveis, em três conteúdos distintos, pois foi o composto que mostrou uma inibição mais eficiente. A atividade antimicrobiana dos filmes biodegradáveis com incorporação de óleo essencial de canela foi testada sobre os micro-organismos escolhidos através de testes de difusão em halo, cujos resultados foram suficientes para demonstrar o potencial ativo da embalagem desenvolvida. Como método alternativo de incorporação do agente antimicrobiano, gás carbônico (CO2) em estado supercrítico foi utilizado como solvente. Os resultados obtidos foram promissores, uma vez que se observou incorporação de agente antimicrobiano dentro da matriz polimérica em quantidade suficiente para inibir a proliferação dos fungos testados.

Estudo de catalisadores de Ni/ZnO promovidos com CeO2 aplicados em reações de reforma a vapor do etanol e acetona

A produção de energia é um dos grandes desafios deste século, principalmente com a necessidade no desenvolvimento de processos que utilizem preferencialmente fontes renováveis. Nesse contexto, é claro o interesse por pesquisas baseada no hidrogênio. Porém, os ganhos ambientais efetivos estão associados também à matéria-prima usada no processo de geração do hidrogênio, senso assim mais significativo quando do uso de fontes renováveis. No presente trabalho foi estudado o efeito da adição de diferentes teores de CeO2 em catalisadores de NiZnO, preparados pelo método da co-precipitação. Os catalisadores foram estudados frente à reação de reforma a vapor do etanol (RVE) para produção de H2, e no decorrer do trabalho foi pertinente incluir o estudo da reforma a vapor da acetona (RVA), como complemento dos estudos da RVE. Além disso, esta é uma molécula modelo para reforma a vapor do bio-óleo. Nos sistemas catalíticos sintetizados houve a formação da liga NiZn3, o que aparenta proporcionar um efeito sinérgico entre esses elementos. Observou-se um efeito altamente promotor do CeO2 com relação a diminuição do coque formado, devido a uma menor da formação da acetona, durante as etapas de reforma do etanol. O que consequentemente interferiu na produção de H2. O catalisador contendo 20% de CeO2 denominado NiZn20Ce apresentou um desempenho altamente promissor, pois de acordo com as análises de DRIFT, a presença do CeO2 levou a formação de espécies de formiato, o que consequentemente interferiu em uma menor formação de coque e maior produção de H2. Foi comprovado também que a natureza dos depósitos carbonáceos depende tanto do substrato utilizado quanto das etapas precursoras inicias que levarão a formação desse coque, sendo o ponto chave para um melhor desempenho do catalisador.