Estudos de proteômica, estruturais e funcionais de proteínas envolvidas na degradação da biomassa lignocelulósica: expansinas microbianas e hidrolases de glicosídeos termofílicas

O Brasil possui uma posição privilegiada quando se refere à produção de etanol. Por questões históricas e geográficas o país é responsável por mais de 30 % da produção mundial de etanol, com uma produção nacional de mais de 28 bilhões de litros em 2014. Para maximizar o rendimento desse processo, está em desenvolvimento a tecnologia associada ao etanol de segunda geração ou etanol lignocelulósico. Os principais desafios desta tecnologia são: melhorar a eficiência de conversão do substrato em produto e a produção em grande escala utilizando substratos de baixo custo. Com o objetivo de melhorar a eficiência do processo de conversão foram estudadas proteínas auxiliares (expansinas) que, em conjunto com celulases, melhoram a despolimerização de biomassa lignocelulósica em açúcares fermentescíveis. Além disso, realizou-se também a caracterização de enzimas ativas de carboidratos (CAZymes) de origem termofílica do organismo Thermogemmatispora sp. T81, devido a capacidade que estas proteínas apresentam de manter a atividade e conformação estrutural em altas temperaturas por um prolongado período de tempo. A partir de análises utilizando bioinformática, os genes que codificam para expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei foram clonados e expressos em E. coli, e seus produtos gênicos (as expansinas) tiveram seus índices de sinergismo (devido atuação conjunta com coquetéis comerciais) e atividade catalítica determinados. Adicionalmente, dispondo de alinhamentos estruturais, foi proposto um mecanismo hidrolítico para elas. Em relação à bactéria Thermogemmatispora sp. T81, foram realizadas análises genômicas e proteômicas, a fim de selecionar enzimas superexpressas em meio celulósico. Seus genes foram clonados heterologamente em E. coli e o produto de expressão caracterizado bioquimicamente (cromatografia, ensaios de atividade e perfil de hidrólise) e estruturalmente (SAXS e dicroísmo circular). Os índices de sinergismo determinados foram de 2,47; 1,96 e 2,44 para as expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei, respectivamente. A partir dos alinhamentos estruturais foi proposto a díade Asp/Glu como sitio catalítico em expansinas. As análises de proteômica possibilitaram a seleção de quatro alvos de clonagem, por apresentarem alto índice de expressão quando a bactéria foi cultivada em meio celulósico. Estas proteínas foram caracterizadas quanto a atividade e apresentaram um perfil comum: temperatura ótima de ação (de 70 a 75 °C), pH ótimo de 5, e hidrolisam preferencialmente substratos hemicelulósicos (xilano). A porcentagem de estruturais secundárias das proteínas em estudo foram confirmadas com predições teóricas ao se utilizar a técnica de dicroísmo circular. Desta maneira, os objetivos iniciais propostos neste projeto foram concluídos com a determinação do grau de sinergismo das proteínas expansinas em estudo e a proposição de um mecanismo de hidrólise para as mesmas, considerando que tais proteínas por mais de 20 anos tiveram sua atividade definida exclusivamente como acessória. Além disso, este estudo contribui com a identificação e seleção de genes para CAZymes termofilícas com aplicação biotecnológica devido às propriedades termoestáveis apresentadas.

Pursuing Chemical Efficiency by Using Supported Organocatalysts for Asymmetric Reactions under Aqueous Conditions

Over the past decade, a great effort has been made by the chemical community to improve the efficiency of organic transformations and allow sustainable processes. Merging the use of supported and recyclable organocatalysts and aqueous conditions for the asymmetric synthesis of valuable molecules, has led to outstanding contributions in the area of green chemistry. Recent progresses in the field include the implementation of these methodologies in the large scale production of chiral molecules using automated flow chemistry.

Uso sustentável de pesticidas : análise comparativa entre a União Europeia e o Brasil

Tese de doutoramento, Ciências do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Plant-based immunocontraceptive control of wildlife - "potentials, limitations, and possums"

Possums (Trichosurus vulpecula), originally introduced from Australia, are spread over 90% of New Zealand and cause major economic and environmental damage. Immunocontraception has been suggested as a humane means to control them. Marsupial-specific reproductive antigens expressed at high levels in edible transgenic plant tissue might provide a safe, effective, and cheap oral delivery bait for immuno-contraceptive control. As proof of concept, female possums vaccinated with immunocontraceptive antigens showed reduced fertility, and possums fed with potato-expressed heat labile toxin-B (LT-B) had mucosal and systemic immune responses to the antigen. This demonstrated that immunocontraception was effective in possums and that oral delivery in edible plant material might be possible. Nuclear transformation with reporter genes showed that transgenic carrot roots accumulate high levels of foreign protein in edible tissues, indicating their potential as a delivery vector. However, prior to attempts at large scale production, more effective immunocontraceptive antigen-adjuvant formulations are probably required before plant-based immunocontraception can become a major tool for immunocontraceptive control of overabundant vertebrate pests. (c) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Structural evolution in a hydrothermal reaction between Nb2O5 and NaOH solution: From Nb2O5 grains to microporous Na2Nb2O6 center dot(2)/3H2O fibers and NaNbO3 cubes

Niobium pentoxide reacts actively with concentrate NaOH solution under hydrothermal conditions at as low as 120 degrees C. The reaction ruptures the corner-sharing of NbO7 decahedra and NbO6 octahedra in the reactant Nb2O5, yielding various niobates, and the structure and composition of the niobates depend on the reaction temperature and time. The morphological evolution of the solid products in the reaction at 180 degrees C is monitored via SEM: the fine Nb2O5 powder aggregates first to irregular bars, and then niobate fibers with an aspect ratio of hundreds form. The fibers are microporous molecular sieve with a monoclinic lattice, Na2Nb2O6 center dot(2)/3H2O. The fibers are a metastable intermediate of this reaction, and they completely convert to the final product NaNbO3 Cubes in the prolonged reaction of 1 h. This study demonstrates that by carefully optimizing the reaction condition, we can selectively fabricate niobate structures of high purity, including the delicate microporous fibers, through a direct reaction between concentrated NaOH solution and Nb2O5. This synthesis route is simple and suitable for the large-scale production of the fibers. The reaction first yields poorly crystallized niobates consisting of edge-sharing NbO6 octahedra, and then the microporous fibers crystallize and grow by assembling NbO6 octahedra or clusters of NbO6 octahedra and NaO6 units. Thus, the selection of the fibril or cubic product is achieved by control of reaction kinetics. Finally, niobates with different structures exhibit remarkable differences in light absorption and photoluminescence properties. Therefore, this study is of importance for developing new functional materials by the wet-chemistry process.

A DHA14 drug efflux gene from Xanthomonas albilineans confers high-level albicidin antibiotic resistance in Escherichia coli

Aims: Identification of a gene for self-protection from the antibiotic-producing plant pathogen Xanthomonas albilineans, and functional testing by heterologous expression. Methods and Results: Albicidin antibiotics and phytotoxins are potent inhibitors of prokaryote DNA replication. A resistance gene (albF) isolated by shotgun cloning from the X. albilineans albicidin-biosynthesis region encodes a protein with typical features of DHA14 drug efflux pumps. Low-level expression of albF in Escherichia coli increased the MIC of albicidin 3000-fold, without affecting tsx-mediated albicidin uptake into the periplasm or resistance to other tested antibiotics. Bioinformatic analysis indicates more similarity to proteins involved in self-protection in polyketide-antibiotic-producing actinomycetes than to multi-drug resistance pumps in other Gram-negative bacteria. A complex promoter region may co-regulate albF with genes for hydrolases likely to be involved in albicidin activation or self-protection. Conclusions: AlbF is the first apparent single-component antibiotic-specific efflux pump from a Gram-negative antibiotic producer. It shows extraordinary efficiency as measured by resistance level conferred upon heterologous expression. Significance and Impact of the Study: Development of the clinical potential of albicidins as potent bactericidial antibiotics against diverse bacteria has been limited because of low yields in culture. Expression of albF with recently described albicidin-biosynthesis genes may enable large-scale production. Because albicidins are X. albilineans pathogenicity factors, interference with AlbF function is also an opportunity for control of the associated plant disease.

Systematic microcarrier screening and agitated culture conditions improves human mesenchymal stem cell yield in bioreactors

Production of human mesenchymal stem cells for allogeneic cell therapies requires scalable, cost-effective manufacturing processes. Microcarriers enable the culture of anchorage-dependent cells in stirred-tank bioreactors. However, no robust, transferable methodology for microcarrier selection exists, with studies providing little or no reason explaining why a microcarrier was employed. We systematically evaluated 13 microcarriers for human bone marrow-derived MSC (hBM-MSCs) expansion from three donors to establish a reproducible and transferable methodology for microcarrier selection. Monolayer studies demonstrated input cell line variability with respect to growth kinetics and metabolite flux. HBM-MSC1 underwent more cumulative population doublings over three passages in comparison to hBM-MSC2 and hBM-MSC3. In 100 mL spinner flasks, agitated conditions were significantly better than static conditions, irrespective of donor, and relative microcarrier performance was identical where the same microcarriers outperformed others with respect to growth kinetics and metabolite flux. Relative growth kinetics between donor cells on the microcarriers were the same as the monolayer study. Plastic microcarriers were selected as the optimal microcarrier for hBM-MSC expansion. HBM-MSCs were successfully harvested and characterised, demonstrating hBM-MSC immunophenotype and differentiation capacity. This approach provides a systematic method for microcarrier selection, and the findings identify potentially significant bioprocessing implications for microcarrier-based allogeneic cell therapy manufacture. Large-scale production of human bone-marrow derived mesenchymal stem cells (hBM-MSCs) requires expansion on microcarriers in agitated systems. This study demonstrates the importance of microcarrier selection and presents a systematic methodology for selection of an optimal microcarrier. The study also highlights the impact of an agitated culture environment in comparison to a static system, resulting in a significantly higher hBM-MSC yield under agitated conditions.

Growth, Characterization, and Properties of Hybrid Graphene-Carbon Nanotube Films and Related Carbon Nanostructures

Graphene, first isolated in 2004 and the subject of the 2010 Nobel Prize in physics, has generated a tremendous amount of research interest in recent years due to its incredible mechanical and electrical properties. However, difficulties in large-scale production and low as-prepared surface area have hindered commercial applications. In this dissertation, a new material is described incorporating the superior electrical properties of graphene edge planes into the high surface area framework of carbon nanotube forests using a scalable and reproducible technology.

The objectives of this research were to investigate the growth parameters and mechanisms of a graphene-carbon nanotube hybrid nanomaterial termed “graphenated carbon nanotubes” (g-CNTs), examine the applicability of g-CNT materials for applications in electrochemical capacitors (supercapacitors) and cold-cathode field emission sources, and determine materials characteristics responsible for the superior performance of g-CNTs in these applications. The growth kinetics of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs), grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), was studied in order to understand the fundamental mechanisms governing the PECVD reaction process. Activation energies and diffusivities were determined for key reaction steps and a growth model was developed in response to these findings. Differences in the reaction kinetics between CNTs grown on single-crystal silicon and polysilicon were studied to aid in the incorporation of CNTs into microelectromechanical systems (MEMS) devices. To understand processing-property relationships for g-CNT materials, a Design of Experiments (DOE) analysis was performed for the purpose of determining the importance of various input parameters on the growth of g-CNTs, finding that varying temperature alone allows the resultant material to transition from CNTs to g-CNTs and finally carbon nanosheets (CNSs): vertically oriented sheets of few-layered graphene. In addition, a phenomenological model was developed for g-CNTs. By studying variations of graphene-CNT hybrid nanomaterials by Raman spectroscopy, a linear trend was discovered between their mean crystallite size and electrochemical capacitance. Finally, a new method for the calculation of nanomaterial surface area, more accurate than the standard BET technique, was created based on atomic layer deposition (ALD) of titanium oxide (TiO2).

Bioengineering of nisin to enhance functionality against dairy pathogens

The bacteriocin class of antimicrobial peptides have emerged as a viable alternative to at least partially fill the void created by the end of the golden age of antibiotic discovery. Along with this potential use in a clinical setting, bacteriocins also play an important role as bio-preservatives in the food industry. This thesis focuses on a specific bacteriocin group, the lantibiotics (Lanthionine-containing antibiotics). Their numerous methods of appliance in a food setting and how their gene-encoded nature can be modified to improve on overall bioactivity and functionality are explored here. The use of a lantibiotic (lacticin 3147) producing starter culture to control the Crohn’s disease-linked pathogen Mycobacterium paratuberculosis was assessed in a raw milk cheese. Although lacticin 3147 production did not effectively control the pathogen, the study provided an impetus to employ a variety of PCR-based mutagenesis techniques with a view to the creation of enhanced lantibiotic derivatives. Through the use of these techniques, a number of enhanced derivatives were generated from the ‘hinge’ region of the nisin peptide. Furthermore, a derivative in which the three hinge amino acids were replaced with three alanines represents the first enhanced derivative of nisin to have been designed through a rational process. This derivative also formed the backbone for the creation of an active, trypsin resistant, variant. Through the employment of further mutagenesis methods a derivative was created with potential use as an oral anti-bacterial in the future. Finally a number of lead nisin derivatives were investigated to assess their anti- Streptococcus agalactiae ability, a mastitis associated pathogen. Also a system was developed to facilitate the large scale production of these candidates, or other nisin derivatives, from dairy substrates.

In silico metabolic modelling of Saccharomyces cerevisiae for the overproduction of succinate using OptKnock and OptGene

Succinate is a naturally occurring metabolite in organism’s cell and is industrially important chemical with various applications in food and pharmaceutical industry. It is also widely used to produce bio-degradable plastics, surfactants, detergents etc. In last decades, emphasis has been given to bio-based chemical production using industrial biotechnology route rather than fossil-based production considering sustainability and environment friendly economy. In this thesis I am presenting a computational model for silico metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for large scale production of succinate. For metabolic modelling, I have used OptKnock and OptGene optimization algorithms to identify the reactions to delete from the genome-scale metabolic model of S. cerevisiae to overproduce succinate by coupling with organism’s growth. Both OptKnock and OptGene proposed numerous straightforward and non-intuitive deletion strategies when number of constraints including growth constraint to the model were applied. The most interesting strategy identified by both algorithms was deletion combination of pyruvate decarboxylase and Ubiquinol:ferricytochrome c reductase(respiratory enzyme) reactions thereby also suggesting anaerobic fermentation of the organism in glucose medium. Such strategy was never reported earlier for growth-coupled succinate production in S.cerevisiae.

Produção de isolado proteico proveniente de subprodutos da indústria de aves em diferentes escalas

A indústria de aves brasileira destaca-se economicamente, onde um total de 12,3 milhões de toneladas foi produzido no país em 2013. Esta produção em larga escala gera considerável volume de subprodutos, chegando até 35% da ave viva. Tais resíduos são convertidos, por processos tradicionais, em produtos de baixo valor comercial, como por exemplo, farinhas. O processo de variação de pH constitui um importante processo alternativo de obtenção de proteínas com melhores características funcionais e nutricionais. Estudar as variáveis do processo, efetuando aumento dimensional, é fundamental para aplicação das tecnologias desenvolvidas no laboratório e posterior definição final de processos industriais. A produção de isolados proteicos seria uma tecnologia atraente no aproveitamento de subprodutos da indústria de frango, convertendo-os em uma ótima fonte proteica, agregando valor ao produto obtido. Este trabalho teve por objetivo produzir isolados proteicos em diferentes escalas, utilizando subprodutos não comestíveis da indústria de frango. Foi estudada a solubilização das proteínas da matéria-prima (MP) para definir pHs de solubilização e de precipitação isoelétrica. A curva apontou um pH alcalino de 11,0 para etapa de solubilização e de 5,25 para etapa de precipitação proteica. As proteínas obtidas foram caracterizadas quanto sua composição proximal, índice de acidez (IA), índice de peróxidos (IP) e substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBARS) além de propriedades funcionais de solubilidade, capacidade de retenção de água (CRA) e capacidade de retenção de óleo (CRO); e nutricionais de digestibilidade proteica. Comparativamente foram analisadas farinhas de vísceras comerciais nos mesmos parâmetros. Um aumento de escala do processo foi realizado e avaliado pelas mesmas respostas do produto da escala laboratorial. Foi obtido um teor proteico de 82 e 85% em escala laboratorial e aumento de escala, respectivamente, e também uma redução lipídica de 75%, e de cinzas de 85%, em relação à MP. A composição proximal das farinhas analisadas ficou entre 67-72% para proteína bruta, 17-22% para lipídios e 9-15% para cinzas. O IA, apresentou valores de 2,2 e 3,1 meq/g de isolado e de 1,6 a 2,0 meq/g de farinha. Já para IP, obteve-se valores de 0,003 a 0,005 meq/g de isolado e de 0,002 a 0,049 meq/g de farinha. Os índices de TBARS apontaram valores de 0,081 e 0,214 mg MA/g de isolado e 0,041 a 0,128 mg MA/g de farinha. A solubilidade das proteínas do isolado apontou 84 e 81% em pH 3 e 11 respectivamente e de 5% em pH 5, já para farinhas variaram de 22 a 31% em pH de 3 a 11. A CRA obtida no isolado foi 3,1 a 16,5 g água/g de proteína e de 3,8 a 10,9 g água/g de proteína nas farinhas. A CRO ficou em 4,2 mL de óleo/g de proteína do isolados e 2,6 mL de óleo/g de proteína da farinhas. Os isolados proteicos apresentaram 92 e 95% de digestibilidade das proteínas, em comparação aos 84% das farinhas comerciais. Os índices acumulados e apresentados neste trabalho concluíram que foi possível aumentar a escala do processo de variação de pH, sem perder qualidade nos índices físico-químicos e de digestibilidade proteica.

Monitoramento por microcontrolador do cultivo de spirulina em fotobiorreator raceway

A oportunidade de produção de biomassa microalgal tem despertado interesse pelos diversos destinos que a mesma pode ter, seja na produção de bioenergia, como fonte de alimento ou servindo como produto da biofixação de dióxido de carbono. Em geral, a produção em larga escala de cianobactérias e microalgas é feita com acompanhamento através de análises físicoquímicas offline. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi monitorar a concentração celular em fotobiorreator raceway para produção de biomassa microalgal usando técnicas de aquisição digital de dados e controle de processos, pela aquisição de dados inline de iluminância, concentração de biomassa, temperatura e pH. Para tal fim foi necessário construir sensor baseado em software capaz de determinar a concentração de biomassa microalgal a partir de medidas ópticas de intensidade de radiação monocromática espalhada e desenvolver modelo matemático para a produção da biomassa microalgal no microcontrolador, utilizando algoritmo de computação natural no ajuste do modelo. Foi projetado, construído e testado durante cultivos de Spirulina sp. LEB 18, em escala piloto outdoor, um sistema autônomo de registro de informações advindas do cultivo. Foi testado um sensor de concentração de biomassa baseado na medição da radiação passante. Em uma segunda etapa foi concebido, construído e testado um sensor óptico de concentração de biomassa de Spirulina sp. LEB 18 baseado na medição da intensidade da radiação que sofre espalhamento pela suspensão da cianobactéria, em experimento no laboratório, sob condições controladas de luminosidade, temperatura e fluxo de suspensão de biomassa. A partir das medidas de espalhamento da radiação luminosa, foi construído um sistema de inferência neurofuzzy, que serve como um sensor por software da concentração de biomassa em cultivo. Por fim, a partir das concentrações de biomassa de cultivo, ao longo do tempo, foi prospectado o uso da plataforma Arduino na modelagem empírica da cinética de crescimento, usando a Equação de Verhulst. As medidas realizadas no sensor óptico baseado na medida da intensidade da radiação monocromática passante através da suspensão, usado em condições outdoor, apresentaram baixa correlação entre a concentração de biomassa e a radiação, mesmo para concentrações abaixo de 0,6 g/L. Quando da investigação do espalhamento óptico pela suspensão do cultivo, para os ângulos de 45º e 90º a radiação monocromática em 530 nm apresentou um comportamento linear crescente com a concentração, apresentando coeficiente de determinação, nos dois casos, 0,95. Foi possível construir um sensor de concentração de biomassa baseado em software, usando as informações combinadas de intensidade de radiação espalhada nos ângulos de 45º e 135º com coeficiente de determinação de 0,99. É factível realizar simultaneamente a determinação inline de variáveis do processo de cultivo de Spirulina e a modelagem cinética empírica do crescimento do micro-organismo através da equação de Verhulst, em microcontrolador Arduino.

Is the translational approach becoming a reality in nanomedicine?

International audience

Cooperativismo e construção coletiva : estudo a partir de duas cooperativas de produtores do assentamento Itamarati, Ponta Porã-MS

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Planaltina, Programa de Pós-Graduação em Meio Ambiente e Desenvolvimento Rural, 2015.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.