Molecular determinants of nonaqueous biocatalysis

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Microbiology of membrane bioreactors for wastewater treatment: a molecular approach

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences, Biotechnology.

Optimization of randomly amplified polymorphic DNA-polymerase chain reaction for molecular typing of Salmonella enterica serovar Typhi

Optimization of the RAPD reaction for characterizing Salmonella enterica serovar Typhi strains was studied in order to ensure the reproducibility and the discriminatory power of this technique. Eight Salmonella serovar Typhi strains isolated from various regions in Brazil were examined for the fragment patterns produced using different concentrations of DNA template, primer, MgCl2 and Taq DNA polymerase. Using two different low stringency thermal cycle profiles, the RAPD fingerprints obtained were compared. A set of sixteen primers was evaluated for their ability to produce a high number of distinct fragments. We found that variations associated to all of the tested parameters modified the fingerprinting patterns. For the strains of Salmonella enterica serovar Typhi used in this experiment, we have defined a set of conditions for RAPD-PCR reaction, which result in a simple, fast and reproducible typing method.

Estudo molecular de Vibrio cholerae não-O1 isolado de zooplâncton da Baía de São Marcos/São Luis - MA, Brasil

O estudo foi desenvolvido com o objetivo de analisar o perfil plasmidial, pesquisar genes de virulência e identificar os perfis genéticos de 31 cepas de Vibrio cholerae não O1 isoladas de zooplâncton dos estuários dos rios Anil e Bacanga em São Luis MA. O estudo do DNA plasmidial revelou a presença de 2 a 3 plasmídeos em 10 cepas, com pesos moleculares variando de 5,5 a 40 kilobases. A ribotipagem revelou um perfil comum a todas as cepas. A amplificação do DNA genômico por PCR não revelou os genes ctxA, ace e zot, mostrando tratar-se de cepas não patogênicas, enquanto a RAPD-PCR identificou múltiplos perfis genéticos, achado compatível com o grande potencial de variabilidade desta espécie.

Evidência do cão como reservatório da leptospirose humana: isolamento de um sorovar, caracterização molecular e utilização em inquérito sorológico

A leptospirose canina é conhecida como enfermidade de Stuttgard desde 1898, sendo os cães, depois dos roedores, considerados como a segunda principal fonte de infecção para o homem. O isolamento de um sorovar patogênico da urina de um cão, laboratorial e clinicamente identificado como tendo leptospirose, e sua utilização para testar amostras de soro de casos de leptospirose humana e canina, evidenciou a sua importância no ecossistema da região sul do Brasil. Os resultados do teste de soroaglutinação microscópica indicaram que 100% das amostras de soro humano de 12 pacientes do banco de soro de 2001 do Centro de Controle de Zoonoses, que haviam reagido com títulos que variaram de 25 a 3.200 para o sorovar canicola, e 72% das amostras de 105 soros caninos do mesmo banco de soro, também reagiram contra o novo isolado. O título médio e mediana dos soros humanos testados com a bateria de antígenos recomendada pela OMS, foi respectivamente 630 e 100, ao passo que os testados com o isolado foi de 1.823 e 400. Nos soros caninos, os títulos foram respectivamente de 347 e 100 para a bateria e de 1.088 e 200 para o isolado.

Viability and molecular authentication of Coccidioides immitis strains from culture collection of the Instituto Oswaldo Cruz, Rio de Janeiro, Brazil

Twenty Coccidioides immitis strains were evaluated. Only 5 of the 20 strains kept under mineral oil maintained their viability while all 5 subcultures preserved in water remained viable and none of the 13 subcultures kept in soil were viable. A 519 bp PCR product from the csa gene confirmed the identity of the strains.

Diagnosing human asymptomatic visceral leishmaniasis in an urban area of the State of Minas Gerais, using serological and molecular biology techniques

A population-based cross-sectional study was set up in Sabará country, Southeastern Brazil, to identify asymptomatic human visceral leishmaniasis in an urban area of low disease prevalence. Blood was collected on filter paper (n=1,604 inhabitants) and examined by indirect immunofluorescent test, enzyme-linked immunosorbent assay and immunochromatographic strip test. The prevalence rates of infection ranged from 2.4 to 5.6% depending on the test used. One year later, venous blood was collected in a subset of 226 participants (102 seropositive and 124 seronegative). The tests performed were IFAT, ELISA, rk39-ELISA, polymerase chain reaction and hybridization with Leishmania donovani complex probe. No clinical signs or symptoms of leishmaniasis were observed. Using hybridization as a reference test, the sensitivity and specificity of serology were respectively: 24.8 and 71% (ELISA); 26.3 and 76.3% (rk-39); 30.1 and 63.4% (IFAT). Due to disagreements, different criteria were tested to define the infection and hybridization should be considered in epidemiological studies.

Analysis of molecular biology techniques for the diagnosis of human papillomavirus infection and cervical cancer prevention

The objective of the present study was to evaluate the usefulness of molecular methodologies to access human papillomavirus genome in the genital tract. Samples from 136 women aged 17 to 52 years old obtained from the Dr. Sérgio Franco Laboratories between 2000 and 2001, were analyzed by the hybrid capture assay and amplified by PCR with generic primers MY09/MY11 and specific primers for types 16, 18, 31, 33, 35, 58. Viral genome was detected in 71.3% of the samples by hybrid capture and 75% by amplification. When cytopathology was used as a reference method for screening lesions, hybrid capture (p=0) and amplification (p=0.002) presented positive association. The 3 methods showed absolute agreement when cytopathology confirmed papillomavirus infection and high grade intraepithelial lesion. Disagreements occurred for 10 cases: seven inflammatory cases positive by PCR and negative for hybrid capture and 3 low squamous intraepithelial lesions positive for hybrid capture but negative for amplification. In conclusion, hybrid capture was shown to be sensitive and specific enough for use in clinical routines. Moreover, the evaluation of viral load values obtained by this method were shown to be related to the severity of the lesion and merit further studies to analyze the possible association with risk of progression to malignancy.

Caracterização molecular do HTLV-1 em pacientes com paraparesia espástica tropical/mielopatia associada ao HTLV-1 em Belém, Pará

O presente estudo avaliou a ocorrência da infecção pelo HTLV-1 e seus subtipos em amostras de sangue de pacientes com diagnóstico clínico de paraparesia espástica tropical/mielopatia associada ao Htlv-1. A detecção da infecção pelo HTLV realizou-se através de testes sorológico e molecular. Cinco amostras estavam infectadas pelo HTLV-1 do subtipo Cosmopolita, subgrupo Transcontinental. Os resultados obtidos confirmam a ocorrência de infecção pelo HTLV-1 em pacientes com diagnóstico clínico de paraparesia espástica tropical/mielopatia associada ao Htlv-1em Belém, Pará.

Diagnóstico molecular da taxa de infecção natural de flebotomíneos (Psychodidae, Lutzomyia) por Leishmania sp na Amazônia maranhense

A taxa de infecção natural de três diferentes espécies de flebotomíneos por Leishmania foi estudada usando a técnica de reação em cadeia da polimerase. Primers específicos para Leishmania foram designados para examinar se os pools de flebotomíneos estavam infectadas. Um total de 1.100 fêmeas separadas em pools de 10 indivíduos foram examinados, consistindo de 50 Lutzomyia whitmani, 43 Lutzomyia triacantha e 17 Lutzomyia choti. De todos os pools analisados, 4 de Lutzomyia whitmani estavam positivos, mas nenhum pool das duas espécies restantes estava infectado. Deste modo, uma taxa de infecção de 0,4% foi verificada neste estudo. Esta taxa de infecção associada a estudos anteriores sugere que Lutzomyia whitmani transmite Leishmania aos mamíferos em Buriticupu, Maranhão.

Molecular regulation of secondary gorwth: searching for SHORT-ROOT function in cork formation

The analysis of molecular regulators involved in controlling the maintenance and function of plant meristems has been the subject of many studies. Some master regulators of these processes have been identified in Arabidopsis benefiting from the array of tools available for genetic and molecular analysis in this model plant. However, aspects such as secondary growth that are more extensively observed in woody plants, have been less studied. Secondary growth is responsible for the enlargement of the plant stems and roots and results from the activity of the lateral (secondary) meristems, vascular cambium and cork cambium (phellogen), which produce two important renewable natural resources, wood and cork, respectively.(...)

Epidemiological and molecular characteristics of HIV-1 infection among female commercial sex workers, men who have sex with men and people living with AIDS in Paraguay

An HIV seroprevalence and molecular study was conducted among 935 subjects: 723 female commercial sex workers, 92 men who have sex with men and 120 HIV-positive volunteers. The reported injection drug use rates were 0.7% in female commercial sex workers and 3% in men who have sex with men. Sexually transmitted infections were reported in 265 (37%) of the female commercial sex workers and 38 (41%) of the men who have sex with men. A total of 20 (2.8%) female commercial sex workers and 12 (13%) men who have sex with men became HIV infected during the study period. A history of sexually transmitted infection increased the risk of subsequent HIV infection twofold (adjusted odds ratio of 2.5) among the female commercial sex workers, while cocaine use had an adjusted odds ratios of 6.61 among men who have sex with men. From 130 samples, and based on heteroduplex mobility assaying for the env gene, with sequencing of part of pol and/or full genomes, subtype B was the predominant subtype identified (66%); followed by subtype F (22%) and subtype C (4%). Recombinant CRF12-BF strains were identified in 6% and CRF17_BF was identified in 2%.

Estudo molecular de estirpes de Aspergillus fumigatus isolados em aviários e em aves diagnosticadas com aspergilose. Possíveis implicações na Saúde Pública

Aspergillus fumigatus é um agente etiológico fúngico disperso mundialmente por variados nichos ecológicos e o fungo patogénico que mais promove doenças respiratórias em aves e pessoas imunocomprometidas. A exposição a conídios deste fungo pode causar aspergilose invasiva, a doença mais frequente em variadas espécies ornitológicas, com elevada mortalidade e morbidade. Além disso, esta doença é um dos fatores que mais contribui para significativas perdas económicas na indústria avícola, bem como perdas de biodiversidade, em espécies selvagens. Neste contexto, Aspergillus fumigatus, que pertence ao complexo Fumigati, desenvolve-se facilmente no trato respiratório de aves e humanos, no solo, nas camas e ninhos das aves. Tem uma fácil aerolização e contamina os alimentos nos ambientes avícolas e produz uma micotoxina, gliotoxina, que invade o trato respiratório e é considerada como fator de virulência. A identificação exacta dos isolados fúngicos provenientes de aves é muito importante, para percepção da sua epidemiologia em aves, para pesquisa de espécies crípticas de Aspergillus fumigatus, que podem desencadear as mesmas patologias mas apresentar diferentes resultados às mesmas terapêuticas antifúngicas. A análise molecular efectuada neste estudo permitiu atingir estes objectivos. Como tal, 108 isolados provenientes de diversificadas aves foram analisados por ferramentas moleculares para determinar a presença de espécies crípticas de Aspergillus fumigatus e observar os seus diferentes perfis de susceptibilidade antifúngica ao itraconazol. Não foram detectadas espécies crípticas, mas foi possível corrigir duas identificações morfológicas erradas ao nível do complexo. Apesar da emergência da resistência adquirida por Aspergillus fumigatus ao itraconazol, estar a emergir, não foram detectadas estirpes resistentes neste estudo. O conhecimento molecular deste agente etiológico responsável pela aspergilose invasiva em aves é importante para auxiliar a escolha de uma melhor terapêutica e futuros tratamentos para infeções oportunistas fúngicas, contribuindo assim para menos perdas na produção avícola e para uma melhoria da Saúde Pública.

Diagnóstico molecular da malária em uma unidade de atenção terciária na Amazônia Brasileira

O exame de rotina para o diagnóstico da malária continua sendo a gota espessa, apesar da comprovada diminuição da sensibilidade e especificidade em situações de densidade parasitária baixa e infecções mistas. A reação em cadeia da polimerase vem sendo cada vez mais utilizada para a detecção molecular e identificação das espécies de plasmódio, por apresentar maior sensibilidade e especificidade. Foi realizada a nested-PCR em amostras de sangue total de 344 pacientes com síndrome febril aguda que se apresentaram para o diagnóstico de malária, em uma unidade terciária de saúde, em Manaus (Amazonas). Nenhum caso de malária por Plasmodium malariae foi diagnosticado à gota espessa ou PCR. Observou-se co-positividade de 96,7%, co-negatividade de 62,2% e coeficiente kappa de 0,44 entre PCR e gota espessa para Plasmodium falciparum. Para Plasmodium vivax, co-positividade de 100%, co-negatividade de 78,1% e coeficiente kappa de 0,56. Na detecção da malária mista, co-positividade de 100%, co-negatividade de 84,9% e coeficiente kappa de 0,26. A reação em cadeia da polimerase detectou alto número de infecções mistas nas amostras analisadas, mas seu uso rotineiro no diagnóstico da malária merece ainda ampla discussão.

Molecular simulation of gas adsorption equilibria in nanoporous materials

This work is divided into two distinct parts. The first part consists of the study of the metal organic framework UiO-66Zr, where the aim was to determine the force field that best describes the adsorption equilibrium properties of two different gases, methane and carbon dioxide. The other part of the work focuses on the study of the single wall carbon nanotube topology for ethane adsorption; the aim was to simplify as much as possible the solid-fluid force field model to increase the computational efficiency of the Monte Carlo simulations. The choice of both adsorbents relies on their potential use in adsorption processes, such as the capture and storage of carbon dioxide, natural gas storage, separation of components of biogas, and olefin/paraffin separations. The adsorption studies on the two porous materials were performed by molecular simulation using the grand canonical Monte Carlo (μ,V,T) method, over the temperature range of 298-343 K and pressure range 0.06-70 bar. The calibration curves of pressure and density as a function of chemical potential and temperature for the three adsorbates under study, were obtained Monte Carlo simulation in the canonical ensemble (N,V,T); polynomial fit and interpolation of the obtained data allowed to determine the pressure and gas density at any chemical potential. The adsorption equilibria of methane and carbon dioxide in UiO-66Zr were simulated and compared with the experimental data obtained by Jasmina H. Cavka et al. The results show that the best force field for both gases is a chargeless united-atom force field based on the TraPPE model. Using this validated force field it was possible to estimate the isosteric heats of adsorption and the Henry constants. In the Grand-Canonical Monte Carlo simulations of carbon nanotubes, we conclude that the fastest type of run is obtained with a force field that approximates the nanotube as a smooth cylinder; this approximation gives execution times that are 1.6 times faster than the typical atomistic runs.