Multiresponsive supramolecular systems for information processing at the molecular level

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável

A relevância do factor de transcrição Yap5 de Saccharomyces cerevisiae na resposta ao excesso de ferro

A capacidade que os organismos possuem de alterar os seus padrões de expressão de genes em resposta a alterações no meio ambiente é essencial para a sua viabilidade. A levedura Saccharomyces cerevisiae, em particular, possui um programa complexo e muito flexível de expressão de genes quando exposta a mudanças agressivas do seu meio ambiente. As células mantêm a sua homeostase através de mecanismos coordenados de regulação de vários factores de transcrição, cada um desempenhando funções específicas. Neste trabalho foi estudada a relevância do factor de transcrição da família Yap de S. cerevisiae, o Yap5, na destoxificação do excesso de ferro na célula. Os resultados obtidos neste trabalho mostram que após a incubação com elevadas quantidades de sulfato de ferro, embora o potencial de transactivação do Yap5 aumente, os níveis da proteína diminuem, sendo esta diminuição dependente da concentração de ferro. Demonstrámos também que embora a expressão do gene CCC1 (que codifica para o único transportador vacuolar de ferro conhecido) seja dependente do Yap5 em condições de excesso de ferro, os níveis basais de expressão deste gene são suficientes para a sobrevivência nessas condições. Observámos ainda que, ao contrário do que acontece em Schizosaccharomyces pombe, o factor de transcrição Hap4, não parece estar envolvido nesta regulação. Através de delecções sequenciais da região promotora do CCC1, verificámos que os níveis de expressão ditados por uma região de 58pb a montante do codão de iniciação, ATG, são suficientes para a célula sobreviver sob concentrações elevadas de ferro. Verificámos ainda que a região 3’UTR do gene é importante para a sobrevivência celular. Nessa região, identificámos uma estrutura em forma de “hairpin” que poderá estar envolvida na regulação do gene.

Estudo da libertação de ferro em miniferritinas

O presente trabalho teve como principais objectivos o estudo do mecanismo da libertação do ferro em proteínas da família da ferritina (DNA-binding proteins from starved cells, Dps), bem como a identificação, produção e caracterização de potenciais parceiros redox destas proteínas através da utilização de técnicas bioquímicas e espectroscópicas apropriadas. Foram identificadas no genoma de Marinobacter hydrocarbonoclasticus duas flavoproteínas (2375 e 3073) reconhecidas como possíveis parceiros redox da Dps de Pseudomonas nautica 617. Todas as proteínas foram expressas heterologamente em células de E. coli BL21 (DE3) e delineados protocolos de purificação em dois passos, por cromatografias de permuta iónica e de exclusão molecular, que permitiram obter rendimentos expressivos (Dps — 31,9 mg/L de cultura, Flavoproteína 2375 — 73 mg/L de cultura e Flavoproteína 3073 — 79,4 mg/L de cultura). Aquando da purificação da 2375 verificou-se que a estabilidade da holoproteína depende da força iónica, característica que limita a sua utilização como parceiro redox da Dps. O estudo da reacção de transferência electrónica foi iniciado com testes preliminares através da espectroscopia de UV/Visível, permitindo avaliar da ocorrência da reacção de redução do core férrico da Dps e concomitante libertação do produto final ferroso, por análise de uma mistura contendo NADH, flavoproteína 3073 oxidada e Dps core Fe. Este estudo não permite, contudo, estabelecer uma relação de causa efeito concreta e fiável que nos permita identificar o NADH como doador inicial de eletrões e ferro ferroso como produto final desta reacção. O mecanismo de libertação foi estudado em maior detalhe através de espectroscopia de Mössbauer permitindo estabelecer a natureza das diferentes espécies intervenientes na reacção e assim verificar, pela primeira vez, que na presença dos três componentes, acima mencionados, existe redução e libertação de ferro previamente incorporado na Dps, na forma de iões ferrosos, bem como determinar parâmetros cinéticos apropriados.

Avaliação do uso de oligossacáridos na conservação pós-colheita de frutos

Os frutos são altamente perecíveis, recorrendo-se à conservação em atmosferas refrigeradas, prolongando o tempo de vida e permitindo o transporte e colocação faseada no mercado, reduzindo os desperdícios. O stress oxidativo leva à produção de metabolitos e enzimas antioxidativas pelas células vegetais como defesa. Neste estudo testaram-se os oligossacáridos de alginato de sódio e quitosano, produzidos por irradiação dos polissacáridos. Assumiu-se a hipótese que, estes compostos biologicamente ativos de estrutura similar a produtos de degradação de polissacáridos de paredes celulares de plantas e fungos, simulem condições de stress, funcionando como moléculas sinalizadoras acionando respostas para manter a homeostasia redox. Estes compostos foram testados como potenciais alternativas para aumentar o tempo de vida dos frutos quando aplicados em conservação pós-colheita. Este efeito foi avaliado em kiwis em dois estados distintos de maturação. No estado menos avançado, foram usados oligossacáridos provenientes de ambos os compostos; o tratamento com oligossacáridos derivados de alginato de sódio foi mais eficaz, retardando significativamente a perda de firmeza. No estado mais avançado foram também tratados com soluções de polissacáridos; os polissacáridos e oligossacáridos provenientes de quitosano foram os mais eficazes, causando menor amolecimento da polpa. A capacidade antioxidante foi determinada nas amostras que tinham sido sujeitas à temperatura de refrigeração. O teste DPPH mostrou uma redução da capacidade antioxidativa dependendo do estado de maturação, oligossacárido utilizado e tempo de tratamento. A atividade de enzimas envolvidas no stress antioxidativo foi determinada nas amostras/tratamentos que revelaram diferenças significativas na firmeza. A atividade da peroxidase de ascorbato e da catalase foi significativamente ativada em resposta aos tratamentos aplicados em kiwis de maturação mais avançado; a atividade da polifenoloxidase não foi significativamente ativada. A análise sensorial mostrou que os tratamentos reduziram a aceitação pelo “painel de provadores”.

Follow the red road of triheme cytochromes in Geobacter sulfurreducens

The bacterium Geobacter sulfurreducens (Gs) is capable of oxidizing a large variety of compounds relaying electrons out of the cytoplasm and across the membrane in a process designated as extracellular electron transfer. The Gs genome was fully sequenced and a family composed by five periplasmic triheme cytochromes c7 (designated PpcA-E) was identified. These cytochromes play an important role in the reduction of extracellular acceptors. They contain approximately 70 amino acids, three heme groups with bis-histidinyl axial coordination, and share between 57 and 77% sequence identity. The triheme cytochrome PpcA is highly abundant in Gs and is most likely the reservoir of electrons destined for outer surface. In addition to its role in electron transfer pathways this protein can perform e-/H+ energy transduction, a process that is disrupted when the strictly conserved aromatic residue phenylalanine 15 is replaced by a leucine (PpcAF15L). This Thesis focuses on the expression, purification and characterization of these proteins using Nuclear Magnetic Resonance and ultraviolet-visible spectroscopy. The orientations of the heme axial histidine ring planes and the orientation of the heme magnetic axis were determined for each Gs triheme cytochrome. The comparison of the orientations obtained in solution with the crystal structures available showed significant differences. The results obtained provide the paramagnetic constraints to include in the future refinement of the solution structure in the oxidized state. In this work was also determined the solution structure and the pH-dependent conformational changes of the PpcAF15L allowing infer the structural origin for e-/H+ energy transduction mechanism as shown by PpcA. Finally, the backbone and side chain NH signals of PpcA were used to map interactions between this protein and the putative redox partner 9,10-anthraquinone-2,6-disulfonate (AQDS). In this work a molecular interaction was identified for the first time between PpcA and AQDS, constituting the first step toward the rationalization of the Gs respiratory chain.

Avaliação do potencial de atenuação natural do passivo ambiental das bacias de lamas oleosas da RESIM - Águas de St. André - Caso de estudo

As bacias de lamas oleosas do Ecoparque RESIM de Santo André constituem um passivo ambiental devido à contaminação dos seus solos. O presente trabalho consistiu no estudo de amostras de solo provenientes das bacias de lamas oleosas com o objectivo de avaliar o potencial de atenuação natural nas mesmas. As amostras foram caracterizadas para vários parâmetros físico-químicos como pH, potencial redox, condutividade eléctrica, aniões (através do método de cromatografia iónica), textura, teor de humidade e densidade e foram ainda determinados os compostos orgânicos voláteis e semi-voláteis das amostras de forma a conhecer a natureza da contaminação. A determinação dos compostos orgânicos voláteis foi realizada com os métodos Headspace - Cromatografia Gasosa - Espectrometria de massa. Os compostos semi-voláteis foram extraídos através do método Soxhlet Warm e determinados através de Cromatografia Gasosa - Espectrometria de Massa. Tanto a caracterização físico-química como a determinação dos compostos foram realizadas antes e após um ensaio de respirometria. Os ensaios de respirometria foram realizados em frascos OxiTop e conduzidos em ambiente controlado a uma temperatura média de 23,5 ºC durante alguns dias. Os contaminantes detetados foram essencialmente hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH), mais concretamente o naftaleno, compostos BTEX e uma vasta gama de hidrocarbonetos do petróleo. As amostras em estudo apresentaram variações nas abundâncias e natureza dos compostos presentes após os ensaios de respirometria. O método de respirometria utilizado não se mostrou apropriado para amostras com elevadas abundâncias de compostos orgânicos voláteis.

Glutathione levels in and total antioxidant capacity of Candida sp. cells exposed to oxidative stress caused by hydrogen peroxide

INTRODUCTION: The capacity to overcome the oxidative stress imposed by phagocytes seems to be critical for Candida species to cause invasive candidiasis. METHODS: To better characterize the oxidative stress response (OSR) of 8 clinically relevant Candida sp., glutathione, a vital component of the intracellular redox balance, was measured using the 5,5'-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid (DTNB)-glutathione disulfide (GSSG) reductase reconversion method; the total antioxidant capacity (TAC) was measured using a modified method based on the decolorization of the 2,2'-azinobis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic) acid radical cation (ABTS*+). Both methods were used with cellular Candida sp. extracts treated or not with hydrogen peroxide (0.5 mM). RESULTS: Oxidative stress induced by hydrogen peroxide clearly reduced intracellular glutathione levels. This depletion was stronger in Candida albicans and the levels of glutathione in untreated cells were also higher in this species. The TAC demonstrated intra-specific variation. CONCLUSIONS: Glutathione levels did not correlate with the measured TAC values, despite this being the most important non-enzymatic intracellular antioxidant molecule. The results indicate that the isolated measurement of TAC does not give a clear picture of the ability of a given Candida sp. to respond to oxidative stress.

Experimental and modeling studies on reverse electrodialysis for sustainable power generation

A potentially renewable and sustainable source of energy is the chemical energy associated with solvation of salts. Mixing of two aqueous streams with different saline concentrations is spontaneous and releases energy. The global theoretically obtainable power from salinity gradient energy due to World’s rivers discharge into the oceans has been estimated to be within the range of 1.4-2.6 TW. Reverse electrodialysis (RED) is one of the emerging, membrane-based, technologies for harvesting the salinity gradient energy. A common RED stack is composed by alternately-arranged cation- and anion-exchange membranes, stacked between two electrodes. The compartments between the membranes are alternately fed with concentrated (e.g., sea water) and dilute (e.g., river water) saline solutions. Migration of the respective counter-ions through the membranes leads to ionic current between the electrodes, where an appropriate redox pair converts the chemical salinity gradient energy into electrical energy. Given the importance of the need for new sources of energy for power generation, the present study aims at better understanding and solving current challenges, associated with the RED stack design, fluid dynamics, ionic mass transfer and long-term RED stack performance with natural saline solutions as feedwaters. Chronopotentiometry was used to determinate diffusion boundary layer (DBL) thickness from diffusion relaxation data and the flow entrance effects on mass transfer were found to avail a power generation increase in RED stacks. Increasing the linear flow velocity also leads to a decrease of DBL thickness but on the cost of a higher pressure drop. Pressure drop inside RED stacks was successfully simulated by the developed mathematical model, in which contribution of several pressure drops, that until now have not been considered, was included. The effect of each pressure drop on the RED stack performance was identified and rationalized and guidelines for planning and/or optimization of RED stacks were derived. The design of new profiled membranes, with a chevron corrugation structure, was proposed using computational fluid dynamics (CFD) modeling. The performance of the suggested corrugation geometry was compared with the already existing ones, as well as with the use of conductive and non-conductive spacers. According to the estimations, use of chevron structures grants the highest net power density values, at the best compromise between the mass transfer coefficient and the pressure drop values. Finally, long-term experiments with natural waters were performed, during which fouling was experienced. For the first time, 2D fluorescence spectroscopy was used to monitor RED stack performance, with a dedicated focus on following fouling on ion-exchange membrane surfaces. To extract relevant information from fluorescence spectra, parallel factor analysis (PARAFAC) was performed. Moreover, the information obtained was then used to predict net power density, stack electric resistance and pressure drop by multivariate statistical models based on projection to latent structures (PLS) modeling. The use in such models of 2D fluorescence data, containing hidden, but extractable by PARAFAC, information about fouling on membrane surfaces, considerably improved the models fitting to the experimental data.

Sistemas bacterianos competentes em biotransformação humana para estudos mecanísticos e toxicológicos

Devido às limitações de sistemas in vitro atuais, existe uma necessidade de modelos celulares especializados em mimetizar propriamente a biotransformação humana. Além da aplicação destes novos sistemas na avaliação e estudo de toxicidade químicos, estes sistemas permitem o uso em estudos funcionais e mecanísticos de enzimas de biotransformação humanas. Nesta dissertação é abordado o desenvolvimento de modelos celulares competentes em enzimas de biotransformação humanas, aplicado na avaliação de um dos principais metabolitos do fármaco antirretroviral Nevirapina (NVP), como também num estudo mecanístico do importante fator proteico na biotransformação humana, a NADPH citocromo P450 oxido-redutase (CPR). NVP é frequentemente usado no tratamento de HIV-1 e tem sido associado a efeitos adversos como lesões hepáticas e erupções cutâneas severas. Evidências apontam ao envolvimento de citocromos P450 e subsequente sulfonação por sulfotransferases na formação de metabolitos reativos. Contudo, testes padrão in vitro não demonstraram evidências de mutagenicidade ou clastogenicidade. Neste estudo, utilizando uma estirpe de S. typhimurium, competente na expressão controlável e estável de sulfotransferase 1A1 (SULT1A1) humana, demonstrou-se mutagenicidade de 12-hidroxi-NVP dependente de SULT1A1. A enzima CPR está envolvida nas principais reações de biotransformação de xenobióticos, além de interagir com outras proteínas importantes com funções celulares importantes. O mecanismo pelo qual CPR doa eletrões aos seus parceiros redox não é completamente claro. Foi desenvolvido um sistema de E. coli para ser aplicado em estudos mecanísticos sobre a doação de eletrões de CPR. Este novo sistema co expressa CPR e hemeoxigenase I (HO-1) humanas, que depende importantemente de CPR, sendo sustentada por sete eletrões doados por cada ciclo enzimático. As condições de cultura foram otimizadas para níveis de expressão CPR/HO-1 aproximados à estequiometria verificada em humanos. Este modelo células foi aplicado no desenvolvimento de um ensaio de cinética de HO-1, focando-se em vários parâmetros para a sua otimização.

Proteomic analysis of a neurodegeneration cell model, treated with plant extracts with potential neuroprotective activity

Nowadays, a significant increase in chronic diseases is observed. Epidemiological studies showed a consistent relationship between the consumption of fruits and vegetables and a reduced risk of certain chronic diseases, namely neurodegenerative disorders. One factor common to these diseases is oxidative stress, which is highly related with proteins, lipids, carbohydrates and nucleic acids damage, leading to cellular dysfunction. Polyphenols, highly abundant in berries and associated products, were described as having antioxidant properties, with beneficial effect in these pathologies. The aims of this study were to evaluate by proteomic analyses the effect of oxidative insult in a neuroblastoma cell line (SK-N-MC) and understand the mechanisms involved in the neuroprotective effects of digested extracts from commercial and wild blackberry (R. vagabundus Samp.). The analysis of the total proteome by two-dimensional electrophoresis revealed that oxidative stress in SK-N-MC cells resulted in altered expression of 12 protein spots from a total of 318. Regarding some redox proteomics alterations, particularly proteins carbonylation and glutathionylation, protein carbonyl alterations during stress suggest that cells produce an early and late response; on the other hand, no glutathionylated polypeptides were detected. Relatively to the incubation of SK-N-MC cells with digested berry extracts, commercial blackberry promotes more changes in protein pattern of these cells than R. vagabundus. From 9 statistically different protein spots of cells incubated with commercial blackberry, only β-tubulin and GRP 78 were until now identified by mass spectrometry. Further studies involving the selection of sub proteomes will be necessary to have a better understanding of the mechanisms underlying the neuroprotective effects of berries.

Primary cilia and the regulation of hedgehog signaling: link to cardiac development

RESUMO: As células eucarióticas evoluíram um sistema de sinalização complexo que lhes permite responder aos sinais extracelulares e intracelulares. Desta forma, as vias de sinalização são essenciais para a sobrevivência da célula e do organismo, uma vez que regulam processos fundamentais, tais como o desenvolvimento, o crescimento, a imunidade, e a homeostase dos tecidos. A via de transdução de sinal Hedgehog (Hh) envolve o receptor Patched1 (Ptch1), que tem um efeito inibidor sobre a proteína Smoothened (Smo) na ausência dos seus ligandos, as proteínas Sonic hedgehog (Shh). Estas proteínas são reguladores fundamentais do desenvolvimento embrionário, como ilustrado pelas malformações drásticas observadas em embriões humanos e de murganho com perturbações da transdução de sinal da via Hh e que incluem polidactilia, defeitos craniofaciais e malformações ósseas. Igualmente importantes são as consequências da ativação inapropriada da via de sinalização Hh na formação de tumores. Curiosamente, os componentes desta via localizam-se nos cílios primários. Além disso, demonstrou-se que esta localização é crucial para a sinalização através da via Hh. Na presença dos ligandos, Ptch1 é internalizado e destinado a degradação ou sequestrado num compartimento da célula de onde não pode desempenhar o seu papel inibitório. A proteína Arl13b é uma pequena GTPase pertencente à família Arf/Arl da superfamília Ras de pequenas GTPases e foi implicada no síndrome de Joubert, uma ciliopatia caracterizada por ataxia congénita cerebelar, hipotonia, atrso mental e cardiopatia congénita. Murganhos deficientes para Arl13b, chamado hennin (hnn) morrem morrem prematuramente ao dia 13,5 de gestação (E13,5) e exibem anomalias morfológicas nos cílios que levam à interrupção da sinalização Hh. Além disso, a Arl13b está diretamente envolvida na regulação da via Hh, controlando a localização de vários componentes desta via nos cílios primários. Neste trabalho, mostramos que a Arl13b se localiza em circular dorsal ruffles (CDRs), que são estruturas de actina envolvidas em macropinocitose e internalização de recetores, e que regula a sua formação. Além disso, aprofundámos o conhecimento do processo de ativação da via de sinalização Hh, mostrando que as CDRs sequestram seletivamente e internalizam o recetor Ptch1. As CDRs formam-se minutos após ativação da via por ligandos Shh ou pelo agonista de Smo SAG e continuam a ser formadas a partir daí, sugerindo uma indução contínua da reorganização do citoesqueleto de actina quando a via está ativada. Observámos ainda que a inibição da formação de CDRs através do silenciamento de WAVE1, uma proteína necessária para a formação destas estruturas, resulta na diminuição da ativação da via de sinalização Hh. Além disso, o bloqueio da macropinocitose, que se segue ao fecho das CDRs, através do silenciamento de uma proteína necessária para a cisão de macropinossomas, nomeadamente a proteína BARS, tem um efeito semelhante. Estes resultados sugerem que as CDRs e a macropinocitose são necessárias para a ativação da via de sinalização Hh e indicam que esta via de internalização controla os níveis de sinal Hh. Durante o desenvolvimento, as células proliferativas dependem do cílio primário para a transdução de várias vias de sinalização. A via Hh induz a diferenciação do músculo cardíaco. Por conseguinte, os murganhos deficientes na via de sinalização Hh exibem uma variedade de defeitos de lateralidade, incluindo alteração do looping do coração, como pode ser visto em murganhos deficientes para Arl13b. Por conseguinte, investigámos o papel da Arl13b no desenvolvimento do coração. Mostramos que a Arl13b é altamente expressa no coração de embriões de murganho e de murganhos adultos ao nível do mRNA e da proteína. Além disso, o perfil de distribuição da Arl13b no coração segue o dos cílios primários, que são essenciais para o desenvolvimento cardíaco. Corações de murganhos hnn no estadio E12,5 mostram um canal átrio-ventricular aberto, espessamento da camada compacta ventricular e aumento do índice mitótico no ventrículo esquerdo. Além disso, um atraso de 1 a 2 dias no desenvolvimento é observado em corações de murganhos hnn, quando comparados com controlos selvagens no estadio E13,5. Assim, estes resultados sugerem que a Arl13b é necessária para o desenvolvimento embrionário do coração e que defeitos cardíacos podem contribuir para a letalidade embrionária de murganhos hnn. Em suma, foi estabelecido um novo mecanismo para a regulação dos níveis de superfície do recetor Ptch1, que envolve a remodelação do citoesqueleto de actina e a formação de CDRs após a ativação da via de sinalização Hh. Este mecanismo permite um feedback negativo que evita a repressão excessiva da via através da remoção de Ptch1 da superfície da célula. Além disso, determinou-se que uma mutação de perda de função na Arl13b causa defeitos cardíacos durante o desenvolvimento, possivelmente relacionados com a associação dos defeitos em cílios primários e na sinalização Hh, existentes em murganhos deficientes para Arl13b. A via de sinalização Hh tem tido um papel central entre as vias de sinalização, uma vez que a sua regulação é crucial para o funcionamento apropriada da célula. Assim, a descoberta de um novo mecanismo de tráfego através de macropinocitose e CDRs que controla a ativação e repressão da via de sinalização Hh traz novas perspetivas de como esta via pode ser regulada e pode ainda conduzir à identificação de novos alvos e estratégias terapêuticas. --------------------ABSTRACT: Eukaryotic cells have evolved a complex signaling system that allows them to respond to extracellular and intracellular cues. Signaling pathways are essential for cell and organism survival, since they regulate fundamental processes such as development, growth, immunity, and tissue homeostasis. The Hedgehog (Hh) pathway of signal transduction involves the receptor Patched1 (Ptch1), which has an inhibitory effect on Smoothened (Smo) in the absence of its ligands, the Sonic hedgehog (Shh) proteins. These proteins are fundamental regulators of embryonic development, as illustrated by the dramatic malformations seen in human and mouse embryos with perturbed Hh signal transduction that include polydactyly, craniofacial defects and skeletal malformations. Equally important are the consequences of inappropriate activation of the Hh signaling response in tumor formation. Interestingly, the components of this pathway localize to primary cilia. Moreover, it has been shown that this localization is crucial for Hh signaling. However, in the presence of the ligands, Ptch1 is internalized and destined for degradation or sequestered in a cell compartment where it no longer can play its inhibitory role. ADP-ribosylation factor-like (Arl) 13b, a small GTPase belonging to Arf/Arl family of the Ras superfamily of small GTPases has been implicated in Joubert syndrome, a ciliopathy characterized by congenital cerebellar ataxia, hypotonia, intellectual disability and congenital heart disease. Arl13b-deficient mice, called hennin (hnn) die at embryonic day 13.5 (E13.5) and display morphological abnormalities in primary cilia that lead to the disruption of Hh signaling. Furthermore, Arl13b is directly involved in the regulation of Hh signaling by controlling the localization of several components of this pathway to primary cilia. Here, we show that Arl13b localizes to and regulates the formation of circular dorsal rufles (CDRs), which are actin-basedstructures known to be involved in macropinocytosis and receptor internalization. Additionally, we extended the knowledge of the Hh signaling activation process by showing that CDRs selectively sequester and internalize Ptch1 receptors. CDRs are formed minutes after Hh activation by Shh ligands or the Smo agonist SAG and keep being formed thereafter, suggesting a continuous induction of actin reorganization when the pathway is switched on. Importantly, we observed that disruption of CDRs by silencing WAVE1, a protein required for CDR formation, results in down-regulation of Hh signaling activation. Moreover, the blockade of macropinocytosis, which follows CDR closure, through silencing of a protein necessary for the fission of macropinosomes, namely BARS has a similar effect. These results suggest that CDRs and macropinocytosis are necessary for activation of Hh signaling and indicate that this pathway of internalization controls Hh signal levels. During development, proliferating cells rely on the primary cilium for the transduction of several signaling pathways. Hh induces the differentiation of cardiac muscle. Accordingly, Hh-deficient mice display a variety of laterality defects, including alteration of heart looping, as seen in Arl13b-deficient mice. Therefore, we investigated the role of Arl13b in heart development. We show that Arl13b is highly expressed in the heart of both embryonic and adult mice at mRNA and protein levels. Also, Arl13b localization profile mimics that of primary cilia, which have been shown to be essential to early heart development. E12.5 hnn hearts show an open atrioventricular channel, increased thickening of the ventricular compact layer and increased mitotic index in the left ventricle. Moreover, a delay of 1 to 2 days in development is observed in hnn hearts, when compared to wild-type controls at E13.5. Hence, these results suggest that Arl13b is necessary for embryonic heart development and that cardiac defects might contribute to the embryonic lethality of hnn mice. Altogether, we established a novel mechanism for the regulation of Ptch1 surface levels, involving cytoskeleton remodeling and CDR formation upon Hh signaling activation. This mechanism allows a negative feedback loop that prevents excessive repression of the pathway by removing Ptch1 from the cell surface. Additionally, we determined that the Arl13b loss-offunction mutation causes cardiac defects during development, possibly related to the associated ciliary and Hh signaling defects found in Arl13b-deficient mice. Hh signaling has taken a center stage among the signaling pathways since its regulation is crucial for the appropriate output and function of the cell. Hence, the finding of a novel trafficking mechanism through CDRs and macropinocytosis that controls Hh signaling activation and repression brings new insights to how this pathway can be regulated and can lead to the discovery of novel therapeutic targets and strategies.

Bioproduction of succinic acid from renewable feedstocks by Actinobacillus succinogenes 130Z

Succinic acid (SA) is a highly versatile building block that is used in a wide range of industrial applications. The biological production of succinic acid has emerged in the last years as an efficient alternative to the chemical production based on fossil fuels. However, in order to fully replace the competing petro-based chemical process from which it has been produced so far, some challenges remain to be surpassed. In particular, one main obstacle would be to reduce its production costs, mostly associated to the use of refined sugars. The present work is focused on the development of a sustainable and cost-e↵ective microbial production process based on cheap and renewable resources, such as agroindustrial wastes. Hence, glycerol and carob pods were identified as promising feedstocks and used as inexpensive carbon sources for the bioproduction of succinic acid by Actinobacillus succinogenes 130Z, one of the best naturally producing strains. Even though glycerol is a highly available carbon source, as by-product of biodiesel production, its consumption by A. succinogenes is impaired due to a redox imbalance during cell growth. However, the use of an external electron acceptor such as dimethylsulfoxide (DMSO) may improve glycerol metabolism and succinic acid production by this strain. As such, DMSO was tested as a co-substrate for glycerol consumption and concentrations of DMSO between 1 and 4% (v/v) greatly promoted glycerol consumption and SA production by this biocatalyst. Aiming at obtaining higher succinic acid yield and production rate, batch and fed-batch experiments were performed under controlled cultivation conditions. Batch experiments resulted in a succinic acid yield on glycerol of 0.95 g SA/g GLY and a production rate of 2.13 g/L.h, with residual production of acetic and formic acids. In fed-batch experiment, the SA production rate reached 2.31 g/L.h, the highest value reported in the literature for A. succinogenes using glycerol as carbon source. DMSO dramatically improved the conversion of glycerol by A. succinogenes and may be used as a co-substrate, opening new perspectives for the use of glycerol by this biocatalyst. Carob pods, highly available in Portugal as a residue from the locust bean gum industry, contain a significant amount of fermentable sugars such as sucrose, glucose and fructose and were also used as substrate for succinic acid production. Sugar extraction from raw and roasted carobs was optimized varying solid/water ratio and extraction time, maximizing sugar recovery while minimizing the extraction of polyphenols. Kinetic studies of glucose, fructose and sucrose consumption by A. succinogenes as individual carbon sources till 30 g/L were first determined to assess possible metabolic diferences. Results showed no significant diferences related to sugar consumption and SA production between the diferent sugars. Carob pods water extracts were then used as carbon source during controlled batch cultivations. (...)

The role of s-nitrosothiols and rho-kinase 1 in glucose and lipid metabolism

RESUMO: Na sociedade contemporânea a diabetes tipo 2 e a obesidade estão a aumentar exponencialmente, representando um grave problema de saúde pública. De acordo com a IDF “A diabetes e a obesidade são o principal problema de saúde pública do século XXI’. Para além destas duas patologias, a prevalência de esteatose hepática não-alcoólica (NAFLD), entre a população obesa e diabética, é de cerca de 90%. O aumento da obesidade, diabetes e NAFLD tem uma forte correlação com o aumento do consumo de gorduras e açúcares, acompanhado de um decréscimo acentuado da actividade física. A obesidade, diabetes e NAFLD tem sido escrupolosamente investigada mas as terapêuticas disponíveis continuam a ser muito limitadas. Tendo em conta o número crescente e alarmante de obesos e diabéticos o conhecimento detalhado da patofisiologia da obesidade, diabetes e NAFLD, tendo em vista a necessidade extrema de desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas, é da mais elevada urgência. O fígado é reconhecido como um orgão primordial no controlo da homeostase. No estado pós-prandial, o fígado converte a glucose em glicogénio e lípidos. Em contraste, no estado de jejum, o fígado promove a produção de glucose. Sistemas neuronais e hormonais, bem como o estado metabólico do fígado, controlam de forma muito precisa a alternância entre os diferentes substratos metabólicos, dependente do estado prandial. A insulina tem um papel central no controlo do metabolismo energético no fígado; se, por um lado, inibe a produção hepática de glucose e corpos cetónicos, por outro, promove a glicólise e a lipogénese. O metabolismo energético no fígado é também regulado por vários factores de transcrição e co-reguladores que, por sua vez, são regulados pela insulina, glucagina e outras hormonas metabólicas. Em conjunto, todos estes factores e reguladores vão controlar de forma muito estreita a gluconeogénese, a β-oxidação e a lipogénese, no fígado. Para além dos já conhecidos reguladores do metabolismo hepático, novas moléculas têm sido estudadas como tendo um papel fundamental na regulação do metabolismo energético no fígado. Qualquer desequilíbrio no metabolismo hepático vai contribuir para a insulino-resistência, NAFLD e diabetes tipo 2. O principal objectivo do trabalho de investigação aqui apresentado é o contributo para o estudo detalhado da patogénese da diabetes e obesidade, num contexto de dietas ricas em açúcares e gorduras, e com a perspectiva de explorar novas estratégias terapêuticas. Os objectivos específicos deste trabalho eram: primeiro, determinar se o tratamento com glutationo (GSH) e óxido nítrico (NO) era suficiente para melhorar a insulino-resistência associada ao elevado consumo de sacarose; segundo, determinar o papel da Rho-kinase 1 (ROCK1) na regulação do metabolismo hepático da glucose e dos lípidos; e terceiro, estudar o efeito do metilsulfonilmetano (MSM) em doenças metabólicas associadas à obesidade. Na primeira parte deste trabalho de investigação foram utilizados ratos Wistar machos sujeitos a uma dieta rica em sacarose (HS). Tal como esperado, estes animais apresentavam insulino-resistência e hiperinsulinémia. A dieta HS levou ao aumento dos níveis hepáticos de NO e ao decréscimo dos níveis de GSH no fígado. Em jejum, a administração intraportal de GSH e NO, a animais saudáveis promoveu um aumento significativo da sensibilidade à insulina. Também nestes animais, a administração intravenosa de S-nitrosotióis, compostos orgânicos que contém um grupo nitroso acoplado a um átomo de enxofre de um tiol, promoveu o aumento significativo da sensibilidade à insulina. Pelo contrário, em animais sujeitos à dieta HS, as doses padrão de GSH + NO e de S-nitrosotióis não conseguiram promover o aumento da sensibilidade à insulina. No entanto, ao aumentar a dose de S-nitrosotióis administrados por via intravenosa, foi possível observar o aumento da sensibilidade à insulina dependente da dose, indicando um possível papel dos S-nitrosotióis como sensibilizadores de insulina. O estudo detalhado do papel dos S-nitrosotióis na via de sinalização da insulina revelou que há um aumento da fosforilação do receptor da insulina (IR) e da proteína cinase B (Akt), sugerindo um efeito dos S-nitrosotióis nesta via de sinalização. Os resultados apresentados nesta primeira parte sugerem que os S-nitrosotióis promovem a correcta acção da insulina, podendo vir a ser importantes alvos terapêuticos. Na segunda parte deste trabalho de investigação utilizámos murganhos, com uma delecção específica da ROCK1 no fígado, e sujeitos a uma dieta rica em lípidos (HFD). Foi possível concluir que a ausência da ROCK1 no fígado previne a obesidade, melhora a sensibilidade à insulina e protege contra a esteatose hepática. A ausência de ROCK1 no fígado levou a um decréscimo significativo da expressão génica de genes associados à lipogénese, com uma diminuição acentuada do fluxo metabólico associado a esta via. Pelo contrário, a sobreexpressão de ROCK1, exclusivamente no fígado, promove a insulino-resistência e a esteatose hepática no contexto de obesidade induzida pela dieta. Para além disto, a delecção da ROCK1 no fígado de animais obesos e diabéticos, os murganhos deficientes em leptina, corroborou os dados obtidos no primeiro modelo animal, com a franca melhoria da hiperglicémia, hiperinsulinémia e esteatose hepática. Os dados que compõem esta parte do trabalho de investigação sugerem que a ROCK1 tem um papel crucial na regulação do metabolismo lipídico. Na terceira e última parte deste trabalho de investigação foi investigado o efeito do composto metilsulfunilmetano (MSM), um composto organosulfúrico naturalmente presente em plantas e utilizado também como suplemento dietético, em murganhos obesos e insulino-resistentes, por exposição a uma dieta rica em lípidos (DIO). O tratamento com MSM melhorou a insulino-resistência e protegeu contra a esteatose hepática. O conteúdo hepático em triglicéridos e colesterol também diminuíu de forma significativa nos animais DIO sujeitos ao tratamento com MSM, bem como a expressão génica associada à lipogénese. Para além disto, o tratamento com MSM levou a uma diminuição da expressão génica associada à inflamação. De realçar que o tratamento com MSM levou a uma melhoria do perfil hematopoiético destes animais, tanto na medula óssea como no sangue. Para comprovar o efeito benéfico do MSM na obesidade e insulino-resistência utilizámos murganhos deficientes no receptor da leptina, e por isso obesos e diabéticos, tendo observado um perfil semelhante ao obtido para murganhos sujeitos a uma dieta rica em lípidos e tratados com MSM. Concluímos, através dos dados recolhidos, que o MSM como suplemento pode ter efeitos benéficos na hiperinsulinémia, insulino-resistência e inflamação que caracterizam a diabetes tipo 2. Em resumo, os dados obtidos neste trabalho de investigação mostram que os S-nitrosotióis podem ter um papel importante como sensibilizadores da insulina, promovendo um aumento da sensibilidade à insulina num contexto de dietas ricas em sacarose. Para além disto, estudos in vitro, sugerem que os S-nitrosotióis regulam, especificamente, a via de sinalização da insulina. Este trabalho teve também como objectivo o estudo da ROCK1 como regulador do metabolismo da glucose e dos lípidos no fígado. Através do estudo de animais com uma delecção ou uma sobreexpressão da ROCK1 no fígado mostrou-se que esta tem um papel crucial na patogénese da obesidade e diabetes tipo 2, especificamente através do controlo da lipogénese de novo. Finalmente, foi também objectivo deste trabalho, explorar o efeito do MSM em animais DIO e deficientes em leptina. O tratamento com MSM protege de forma evidente contra a obesidade e insulino-resistência, com especial enfâse para a capacidade que esta molécula demonstrou ter na protecção contra a inflamação. Em conjunto os vários estudos aqui apresentados mostram que tanto os S-nitrosotióis como a ROCK1 têm um papel na patogénese da obesidade e diabetes tipo 2 e que a utilização de MSM como suplemento às terapêuticas convencionais pode ter um papel no tratamentos de doenças metabólicas.-------------------------------ABSTRACT: In modern western societies type 2 diabetes and obesity are increasing exponentially, representing a somber public concern. According to the International Diabetes Federation (IDF) ‘Diabetes and Obesity are the biggest public health challenges of the 21st century’. Aside from these the prevalence of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), among the diabetic and obese population, is as high as 90%. It is now well established that the increase in obesity, diabetes and NAFLD strongly correlates with an increase in fat and sugar intake in our diet, alongside physical inactivity. The pathogenesis of obesity, diabetes and NAFLD has been thoroughly studied but the treatment options available are still narrow. Considering the alarming number in the obese and diabetic population the complete understanding of the pathogenesis, keeping in mind that new therapeutic strategies need to be attained, is of the highest urgency. The liver has been well established as a fundamental organ in regulating whole-body homeostasis. In the fed state the liver converts the glucose into glycogen and lipids. Conversely, in the fasted state, glucose will be produced in the liver. Neuronal and hormonal systems, as well as the hepatic metabolic states, tightly control the fast to fed switch in metabolic fuels. Insulin has a central role in controlling hepatic energy metabolism, by suppressing glucose production and ketogenesis, while stimulating glycolysis and lipogenesis. Liver energy metabolism is also regulated by various transcription factors and coregulators that are, in turn, regulated by insulin, glucagon and other metabolic hormones. Together, these regulators will act to control gluconeogenesis, β-oxidation and lipogenesis in the liver. Aside from the well-established regulators of liver energy metabolism new molecules are being studied has having a role in regulating hepatic metabolism. Any imbalance in the liver energy metabolism is a major contributor to insulin resistance, NAFLD and type 2 diabetes. The overall goal of this research work was to contribute to the understanding of the pathogenesis of diabetes and obesity, on a setting of high-sucrose and high-fat diets, and to explore potential therapeutic options. The specific aims were: first, to determine if treatment with glutathione (GSH) and nitric oxide (NO) was sufficient to ameliorate insulin resistance induced by high-sucrose feeding; second, to determine the physiological role of rho-kinase 1 (ROCK1) in regulating hepatic and lipid metabolism; and third, to study the effect of methylsulfonylmethane (MSM) on obesity-linked metabolic disorders. In the first part of this research work we used male Wistar rats fed a high-sucrose (HS) diet. As expected, rats fed a HS diet were insulin resistant and hyperinsulinemic. HS feeding increased hepatic levels of NO, while decreasing GSH. In fasted healthy animals administration of both GSH and NO, to the liver, was able to increase insulin sensitivity. Intravenous administration of S-nitrosothiols, organic compounds containing a nitroso group attached to the sulfur atom of a thiol, in fasted control animals also increased insulin sensitivity. Under HS feeding the standard doses of GSH + NO and S-nitrosothiols were unable to promote an increase in insulin sensitivity. However, the intravenous administration of increasing concentrations of S-nitrosothiols was able to restore insulin sensitivity, suggesting that S-nitrosothiols have an insulin sensitizing effect. Investigation of the effect of S-nitrosothiols on the insulin signaling pathway showed increased phosphorylation of the insulin receptor (IR) and protein kinase B (Akt), suggesting that S-nitrosothiols may have an effect on the insulin signaling pathway. Together, these data showed that S-nitrosothiols promote normal insulin action, suggesting that they may act as potential pharmacological tools. In the second part of this research work we used liver-specific ROCK1 knockout mice fed a high-fat (HF) diet. Liver-specific deletion of ROCK1 prevented obesity, improved insulin sensitivity and protected against hepatic steatosis. Deficiency of ROCK1 in the liver caused a significant decrease in the gene expression of lipogenesis associated gene, ultimately leading to decreased lipogenesis. Contrariwise, ROCK1 overexpression in the liver promoted insulin resistance and hepatic steatosis in diet-induced obesity. Furthermore, liver-specific deletion of ROCK1 in obese and diabetic mice, the leptin-deficient mice, improved the typical hyperglycemia, hyperinsulinemia and liver steatosis. Together, these data identify ROCK1 as a crucial regulator of lipid metabolism. In the third and final part of this research work we investigated the effect of MSM, an organosulfur compound naturally found in plants and used as a dietary supplement, on diet-induced obese (DIO) and insulin resistant mice. MSM treatment ameliorated insulin resistance and protected against hepatosteatosis. Hepatic content in triglycerides and cholesterol was significantly decreased by MSM treatment, as well as lipogenesis associated gene expression. Furthermore, MSM treated mice had decreased inflammation associated gene expression in the liver. Importantly, FACS analysis showed that MSM treatment rescued the inflammatory hematopoietic phenotype of DIO mice in the bone marrow and the peripheral blood. Moreover, MSM treatment of the obese and diabetic mice, the leptin-deficient mice, resulted in similar effects as the ones observed for DIO mice. Collectively, these data suggest that MSM supplementation has a beneficial effect on hyperinsulinemia, insulin resistance and inflammation, which are often found in type 2 diabetes. In conclusion, this research work showed that S-nitrosothiols may play a role as insulin sensitizers, restoring insulin sensitivity in a setting of high-sucrose induced insulin resistance. Furthermore, in vitro studies suggest that S-nitrosothiols specifically regulate the insulin signaling pathway. This research work also investigated the role of hepatic ROCK1 in regulation of glucose and lipid metabolism. Using liver-specific ROCK 1 knockout and ROCK1 overexpressing mice it was shown that ROCK1 plays a role in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes, specifically through regulation of the de novo lipogenesis pathway. Finally, this research work aimed to explore the effect of MSM in DIO and leptin receptor-deficient mice. MSM strongly protects against obesity and insulin resistance, moreover showed a robust ability to decrease inflammation. Together, the individual studies that compose this dissertation showed that S-nitrosothiols and ROCK1 play a role in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes and that MSM supplementation may have a role in the treatment of metabolic disorders.

Chlorite Dismutase from perchlorate reducing bacteria. A potential biocatalyst to eliminate chlorinated species from polluted water resources and industrial wastes

Magnetospirillum (M.) sp. strain Lusitani, a perchlorate reducing bacteria (PRB), was previously isolated from a wastewater treatment plant and phylogenetic analysis was performed to classify the isolate. The DNA sequence of the genes responsible for perchlorate reduction and chlorite dismutation was determined and a model was designed based on the physiological roles of the proteins involved in the pcr-cld regulon. Chlorite dismutase (Cld) was purified from Magnetospirillum sp. strain Lusitani cells grown in anaerobiosis in the presence of perchlorate. The protein was purified up to electrophoretic grade using HPLC techniques as a 140 kDa homopentamer comprising five ~28 kDa monomers. Steady-state kinetic studies showed that the enzyme follows a Michaelis-Menten model with optimal pH and temperature of 6.0 and 5°C, respectively. The average values for the kinetic constants KM and Vmax were respectively 0.56 mM and 10.2 U, which correspond to a specific activity of 35470 U/mg and a turnover number of 16552 s-1. Cld from M. sp. strain Lusitani is inhibited by the product chloride, but not by dioxygen. Inhibition constants KiC= 460 mM and KiU= 480 mM indicated that sodium chloride is a weak mixed inhibitor of Cld, with a slightly stronger competitive character. The X-ray crystallography structure of M. sp. strain Lusitani Cld was solved at 3.0 Å resolution. In agreement with cofactor content biochemical analysis, the X-ray data showed that each Cld monomer harbors one heme b coordinated by a histidine residue (His188), hydrogen-bonded to a conserved glutamic acid residue (Glu238). The conserved neighboring arginine residue (Arg201) important for substrate positioning, was found in two different conformations in different monomers depending on the presence of the exogenous ligand thiocyanate. UV-Visible and CW-EPR spectroscopies were used to study the effect of redox agents, pH and exogenous ligands on the heme environment.

Targeting Heme with Single Domain Antibodies

Heme, i.e. iron (Fe) protoporphyrin IX, functions as a prosthetic group in a variety of hemoproteins that participate in vital biologic functions essential to sustain life. Heme is a highly reactive molecule, participating in redox reactions, and presumably for this reason it must be sequestered within the heme pockets of hemoproteins, controlling its reactivity. However, under biological stress conditions, hemoproteins can release their prosthetic groups, generating “free heme”, which binds loosely to proteins or to other molecules and presumably acquires unfettered redox activity. Moreover, a growing body of evidence supports the notion that “free heme” can act in a vasoactive, pro-inflammatory and cytotoxic manner when released from a subset of these hemoproteins, such as extracellular hemoglobin, generated during hemolytic conditions. (...)