Insight into Biological Small-Molecule Activation from Enzymes, Model Complexes, and X-ray Spectroscopy

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Characterization of nucleic acids by tandem mass spectrometry - The second decade (2004-2013): From DNA to RNA and modified sequences

Nucleic acids play key roles in the storage and processing of genetic information, as well as in the regulation of cellular processes. Consequently, they represent attractive targets for drugs against gene-related diseases. On the other hand, synthetic oligonucleotide analogues have found application as chemotherapeutic agents targeting cellular DNA and RNA. The development of effective nucleic acid-based chemotherapeutic strategies requires adequate analytical techniques capable of providing detailed information about the nucleotide sequences, the presence of structural modifications, the formation of higher-order structures, as well as the interaction of nucleic acids with other cellular components and chemotherapeutic agents. Due to the impressive technical and methodological developments of the past years, tandem mass spectrometry has evolved to one of the most powerful tools supporting research related to nucleic acids. This review covers the literature of the past decade devoted to the tandem mass spectrometric investigation of nucleic acids, with the main focus on the fundamental mechanistic aspects governing the gas-phase dissociation of DNA, RNA, modified oligonucleotide analogues, and their adducts with metal ions. Additionally, recent findings on the elucidation of nucleic acid higher-order structures by tandem mass spectrometry are reviewed.

Novas estratégias para entender o sistema de influxo de antibióticos e a resistência antimicrobiana a nível molecular

As fluoroquinolonas são antibióticos que têm um largo espectro de ação contra bactérias, especialmente Gram-negativas. O seu mecanismo de ação assenta na inibição de enzimas responsáveis pela replicação do DNA. Porém, devido ao seu uso indevido, o surgimento de resistência bacteriana a estes antibióticos tem-se tornado um grave problema de saúde pública. Uma vez que os seus alvos de ação se situam no meio intracelular, a redução da permeabilidade da membrana externa de bactérias Gram-negativas constitui um dos mecanismos de resistência mais conhecidos. Esta redução é associada à baixa expressão ou mutações em porinas necessárias para permitir o seu transporte, mais concretamente, da OmpF. Estudos prévios demonstraram que a coordenação de fluoroquinolonas com iões metálicos divalentes e 1,10-fenantrolina (genericamente designados metaloantibióticos) são potenciais candidatos como alternativa às fluoroquinolonas convencionais. Estes metaloantibióticos exibem um efeito antimicrobiano comparável ou superior à fluoroquinolona na forma livre, mas parecem ter uma via de translocação diferente, independente de porinas. Estas diferenças no mecanismo de captura podem ser fundamentais para contornar a resistência bacteriana. De forma a compreender o papel dos lípidos no mecanismo de entrada dos metaloantibióticos, estudou-se a interação e localização dos metaloantibióticos da Ciprofloxacina (2ª geração), da Levofloxacina (3ª geração) e Moxifloxacina (4ª geração) com um modelo de membranas de Escherichia coli desprovido de porinas. Estes estudos foram realizados através de técnicas de espectroscopia de fluorescência, por medições em modo estacionário e resolvida no tempo. Os coeficientes de partição determinados demonstraram uma interação mais elevada dos metaloantibióticos relativamente às respetivas fluoroquinolonas na forma livre, um facto que está diretamente relacionado com as espécies existentes em solução a pH fisiológico. Os estudos de localização mostraram que estes metaloantibióticos devem estar inseridos na membrana bacteriana, confirmando a sua entrada independente de porinas. Este mecanismo de entrada, pela via hidrofóbica, é potenciado por interações eletrostáticas entre as espécies catiónicas de metaloantibiótico que existem a pH 7,4 e os grupos carregados negativamente dos fosfolípidos da membrana. Desta forma, os resultados obtidos neste estudo sugerem que a via de entrada dos metaloantibióticos e das respetivas fluoroquinolonas deve ser diferente. Os metaloantibióticos são candidatos adequados para a realização de mais testes laboratoriais e uma alternativa promissora para substituir as fluoroquinolonas convencionais, uma vez que parecem ultrapassar um dos principais mecanismos de resistência bacteriana a esta classe de antibióticos.

Obtenção de biopeptídeos com atividade antioxidante a partir de proteínas de origem animal

Pele, ossos, espinhas, entre outros, separados durante o processamento de produtos cárneos podem ser uma boa fonte de proteína, especialmente de colágeno. Para obtenção de colágeno nativo a partir de ossos é necessário um tratamento prévio de desproteinização e desmineralização. Portanto, o objetivo deste trabalho foi determinar os melhores parâmetros para a desmineralização de ossos de pescado e frango utilizando soluções de HCl e EDTA um complexante de íons metálicos. O melhor efeito da desmineralização foi obtido com solução de HCl 1,0 mol/L. Após 48 h de extração, 99,4 e 95,4% das substâncias minerais foram solubilizadas para os ossos de pescado e para ossos de frango, respectivamente. Paralelamente, a menor perda de colágeno também foi observada nessas condições. O processo realizado empregando soluções de EDTA foi menos eficaz do que com solução de HCl. Após 48 h de extração com EDTA 0,1 mol/L, 37,5 e 32,4% dos compostos minerais foram removidos dos ossos de pescado e dos ossos de frango, respectivamente. Uma maior eficiência foi alcançada com solução de EDTA 0,5 mol/L. O rendimento do processo foi de cerca de 66,6% a partir dos ossos de pescado e 70,6% a partir os ossos de frango. A desmineralização com EDTA não provocou perda de colágeno.

Caracterização bioquímica e molecular de enzimas trombolíticas obtidas de isolados microbianos dos Açores

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, 13 de Maio de 2016, Universidade dos Açores.

Síntese de compostos multiporfirínicos covalentes

Nesta tese descreve-se a síntese de compostos multiporfirínicos covalentes bem como a avaliação da potencial utilização destes compostos como quimiossensores de iões metálicos e para a construção de estruturas supramoleculares com fulerenos. No capítulo 1 desta tese é feita uma introdução à química, propriedades e aplicações das porfirinas e sistemas multiporfirínicos. Relativamente aos sistemas multiporfirínicos é feita uma revisão bibliográfica acerca das estratégias de síntese e abordagem geral à química supramolecular de sistemas porfirina-fulereno. No capítulo 2 são apresentados os resultados referentes à síntese e caracterização dos vários sistemas multiporfirínicos desenvolvidos neste trabalho. De um modo geral, a síntese desses compostos envolveu reações de substituição aromática nucleofílica. Para esse efeito foi necessário preparar porfirinas de partida contendo grupos nucleofílicos nas posições meso (-C6H4OH e -C6H4NH2). Os sistemas multiporfirínicos foram obtidos por reações entre as porfirinas de partida e hexafluorobenzeno ou 5,10,15,20tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Descreve-se também a síntese de uma díade porfirina-C60 e de uma pentíade contendo quatro unidades de porfirina e uma de C60, envolvendo reações de cicloadição 1,3-dipolar e de substituição aromática nucleofílica. Os estudos efetuados ao nível da aplicação de alguns dos novos sistemas multiporfirínicos sintetizados e de um dos seus precursores, a 5-[4(pentafluorofeniloxi)fenil]-10,15,20-trifenilporfirina, como sensores de iões metálicos encontram-se descritos no capítulo 3. Neste capítulo, a título introdutório, é feita uma breve abordagem aos quimiossensores colorimétricos e de fluorescência, apresentando também alguns exemplos de porfirinas como quimiossensores de iões metálicos já descritos na literatura científica. A caracterização fotofísica dos compostos em estudo também é descrita neste capítulo. Os compostos estudados mostraram capacidade de interagir com vários iões metálicos, verificando-se um aumento da seletividade para o ião Hg2+ com o aumento do número de unidades porfirínicas constituintes dos sistemas multiporfirínicos. Os resultados referentes aos estudos de complexação de alguns dos sistemas multiporfirínicos sintetizados com fulerenos encontram-se descritos no capítulo 4. Neste capítulo descreve-se também a caracterização fotofísica dos compostos em estudo. Os estudos realizados com os sistemas multiporfirínicos mostraram uma fraca interação com os fulerenos C60 e C70. No entanto, os valores das constantes de afinidade obtidos com 1-metil-2-(4piridil)[60]fulero[c]pirrolidina mostraram que os sistemas multiporfirínicos apresentam capacidade para formar complexos com este derivado de C60 por coordenação axial e por interações π-π. No capítulo 5 é discutido o trabalho que envolveu o desenvolvimento de novos métodos na síntese de derivados tetrapirrólicos do tipo pirrolo[3,4-b]porfirinas contendo um grupo NH livre no anel exocíclico. A estratégia de síntese requereu a preparação de uma clorina fundida com um anel pirrolina seguida da redução do anel pirrolina. Deste modo obteve-se uma nova clorina fundida com um anel pirrolidina contendo um grupo NH livre. Esta nova clorina foi usada na preparação de uma díade clorina-porfirina por reação de N-arilação com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. A estrutura cristalina da nova díade foi resolvida por difração de raios-X de cristal único. A estrutura dos compostos sintetizados foi estabelecida recorrendo a diversas técnicas espectroscópicas nomeadamente ressonância magnética nuclear (RMN de 1H, 13C e 19F), espectrometria de massa e espectrofotometria de UVvis. No último capítulo desta tese descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efetuadas, incluindo os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados bem como as medições espectrofotométricas e espectrofluorimétricas.

Wspomagana fitoekstrakcja metali śladowych: Cu, Cd, Zn, Pb

Wydział Biologii

Utilização de quitosana obtida de resíduos de camarão para avaliar a capacidade de adsorção de íons Fe3+

A quitosana é produzida através de uma desacetilação alcalina da quitina, a qual é encontrada em exoesqueleto de crustáceos, parede celular de fungos e materiais biológicos. Calcula-se que os resíduos de camarão apresentam de 5 a 7% do seu peso total na forma de quitina, sugerindo que estes sejam utilizados para obtenção do biopolímero. Os processos para obtenção destes biopolímeros consiste nas seguintes etapas: desmineralização, desproteinização e desodorização, obtendo-se assim, a quitina úmida. Após seca, passa por uma desacetilação química para a conversão em quitosana úmida, sendo purificada e posteriormente seca. A quitosana, por apresentar grupamentos amino livres em sua estrutura, é uma molécula capaz de formar complexos estáveis com cátions metálicos. O objetivo geral deste trabalho foi obter quitina a partir de resíduos de camarão (Penaeus brasiliensis) com posterior produção de quitosana, e avaliar sua capacidade de complexação com íons Fe3+, em solução. A quitosana produzida foi caracterizada através do grau de desacetiliação e da massa molecular viscosimétrica, Para caracterização estrutural das amostras de quitosana, utilizaram-se espectrometria de infravermelho e espectrofotometria UV-Visível, bem como para o complexo formado de quitosana e ferro. Para analisar a eficiência da remoção deste íon, foram feitas análises em espectrometria de absorção atômica em chama e em espectrofotometria UV-Visível. Uma análise estatística foi realizada para avaliar a percentagem de remoção do íon ferro das soluções, sendo utilizado um planejamento fatorial em dois níveis, tendo como variáveis independentes o pH do meio, a quantidade de quitosana adicionada, a granulometria da mesma e o tempo de reação. A quitosana apresentou grau de desacetilação de 87±2% e massa molecular viscosimétrica de 196±4kDa, sendo esses valores, comparáveis à quitosana disponível comercialmente. Na melhor região de trabalho definida pela análise estatística, obteve-se uma remoção máxima de 85 % do íon ferro das soluções.

Estudo dos tratamentos térmicos dos triacilglicerídeos, ácidos graxos e ésteres metílicos : perfil reacional e mecanismos

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2015.

Aplicações biotecnológicas do supressor de silenciamento de cucumber mosaic virus

Tese de Doutoramento, Ciências Agrárias, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Interacção de complexos de vanádio-citrato com a bomba de cálcio de retículo sarcoplasmático

Dissertação de mest. em Biotecnologia, Departamento de Química e Bioquímica da Faculdade de Ciêicias e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2004

Estudo de reatores eletroquímicos para remoção de Cu2+ , Zn2+, Fenol e BTEX em água produzida

The production of water has become one of the most important wastes in the petroleum industry, specifically in the up stream segment. The treatment of this kind of effluents is complex and normally requires high costs. In this context, the electrochemical treatment emerges as an alternative methodology for treating the wastewaters. It employs electrochemical reactions to increase the capability and efficiency of the traditional chemical treatments for associated produced water. The use of electrochemical reactors can be effective with small changes in traditional treatments, generally not representing a significant additional surface area for new equipments (due to the high cost of square meter on offshore platforms) and also it can use almost the same equipments, in continuous or batch flow, without others high costs investments. Electrochemical treatment causes low environmental impact, because the process uses electrons as reagent and generates small amount of wastes. In this work, it was studied two types of electrochemical reactors: eletroflocculation and eletroflotation, with the aim of removing of Cu2+, Zn2+, phenol and BTEX mixture of produced water. In eletroflocculation, an electrical potential was applied to an aqueous solution containing NaCl. For this, it was used iron electrodes, which promote the dissolution of metal ions, generating Fe2+ and gases which, in appropriate pH, promote also clotting-flocculation reactions, removing Cu2+ and Zn2+. In eletroflotation, a carbon steel cathode and a DSA type anode (Ti/TiO2-RuO2-SnO2) were used in a NaCl solution. It was applied an electrical current, producing strong oxidant agents as Cl2 and HOCl, increasing the degradation rate of BTEX and phenol. Under different flow rates, the Zn2+ was removed by electrodeposition or by ZnOH formation, due the increasing of pH during the reaction. To better understand the electrochemical process, a statistical protocol factor (22) with central point was conducted to analyze the sensitivity of operating parameters on removing Zn2+ by eletroflotation, confirming that the current density affected the process negatively and the flow rate positively. For economical viability of these two electrochemical treatments, the energy consumption was calculated, taking in account the kWh given by ANEEL. The treatment cost obtained were quite attractive in comparison with the current treatments used in Rio Grande do Norte state. In addition, it could still be reduced for the case of using other alternative energy source such as solar, wind or gas generated directly from the Petrochemical Plant or offshore platforms

Biosorción en tanque agitado de Cd(+2) y Pb(+2) con cáscara de cacao

En la búsqueda de tecnologías más limpias para el tratamiento de efluentes que contienen metales pesados se ha dirigido la atención hacia la biosorción. Este estudio permitió abordar el proceso de biosorción de 〖Cd〗^(+2)y 〖Pb〗^(+2) en efluentes mineros a través de la cáscara de cacao. Se determinó las características físico-químicas del biosorbente y el resultado obtenido fue: la cáscara de cacao tiene una superficie neutra, compuesta principalmente por grupos ésteres alifáticos; además se estudió los factores que afectan este proceso como son: pH, tamaño de partícula, tiempo de contacto, Temperatura, y la concentración inicial del metal. El pH óptimo para la biosorción de plomo es entre 4 y 5 y para el cadmio fue entre 5 y 6; con respecto al tiempo de contacto necesario para eliminar la mayor cantidad de iones metálicos fue de 10 minutos, siendo el resultado obtenido en la remoción tanto de cadmio como de plomo de 86,92% y 96,74% respectivamente. Se observó que la temperatura no afecta significativamente el proceso de biosorción como el pH y se determinó como óptima 25℃ ; también se analizó que la cáscara de cacao tiene mayor afinidad por el cadmio por tener un radio iónico más pequeño que el plomo permitiéndole alcanzar poros reducidos; además al aumentar la concentración, la eliminación de cadmio disminuyó y para el plomo aumentó pero no de forma significativa. Los datos experimentales de la biosorción de plomo y cadmio en cáscara de cacao, reproducen favorablemente el modelo cinético Pseudo Segundo Orden, con coeficientes de correlación (R^2) para 〖Pb〗^(+2) de 0,999 y 〖Cd〗^(+2) de 1. Finalmente en el estudio de equilibrio el modelo de Langmuir describe el proceso de adsorción para 〖Cd〗^(+2) y el modelo de Fleundlich se ajustó mejor a los datos experimentales para 〖Pb〗^(+2).

DESIGN, SYNTHESIS AND APPLICATIONS OF FLUORESCENT AND ELECTROCHEMICAL PROBES

“Seeing is believing” the proverb well suits for fluorescent imaging probes. Since we can selectively and sensitively visualize small biomolecules, organelles such as lysosomes, neutral molecules, metal ions, anions through cellular imaging, fluorescent probes can help shed light on the physiological and pathophysiological path ways. Since these biomolecules are produced in low concentrations in the biochemical pathways, general analytical techniques either fail to detect or are not sensitive enough to differentiate the relative concentrations. During my Ph.D. study, I exploited synthetic organic techniques to design and synthesize fluorescent probes with desirable properties such as high water solubility, high sensitivity and with varying fluorescent quantum yields. I synthesized a highly water soluble BOIDPY-based turn-on fluorescent probe for endogenous nitric oxide. I also synthesized a series of cell membrane permeable near infrared (NIR) pH activatable fluorescent probes for lysosomal pH sensing. Fluorescent dyes are molecular tools for designing fluorescent bio imaging probes. This prompted me to design and synthesize a hybrid fluorescent dye with a functionalizable chlorine atom and tested the chlorine re-activity for fluorescent probe design. Carbohydrate and protein interactions are key for many biological processes, such as viral and bacterial infections, cell recognition and adhesion, and immune response. Among several analytical techniques aimed to study these interactions, electrochemical bio sensing is more efficient due to its low cost, ease of operation, and possibility for miniaturization. During my Ph.D., I synthesized mannose bearing aniline molecule which is successfully tested as electrochemical bio sensor. A Ferrocene-mannose conjugate with an anchoring group is synthesized, which can be used as a potential electrochemical biosensor.