Self-assembled monolayers from a designed combinatorial library of de novo β-sheet proteins

A variety of naturally occurring biomaterials owe their unusual structural and mechanical properties to layers of β-sheet proteins laminated between layers of inorganic mineral. To explore the possibility of fabricating novel two-dimensional protein layers, we studied the self-assembly properties of de novo proteins from a designed combinatorial library. Each protein in the library has a distinct 63 amino acid sequence, yet they all share an identical binary pattern of polar and nonpolar residues, which was designed to favor the formation of six-stranded amphiphilic β-sheets. Characterization of proteins isolated from the library demonstrates that (i) they self assemble into monolayers at an air/water interface; (ii) the monolayers are dominated by β-sheet secondary structure, as shown by both circular dichroism and infrared spectroscopies; and (iii) the measured areas (500- 600 Å2) of individual protein molecules in the monolayers match those expected for proteins folded into amphiphilic β-sheets. The finding that similar structures are formed by distinctly different protein sequences suggests that assembly into β-sheet monolayers can be encoded by binary patterning of polar and nonpolar amino acids. Moreover, because the designed binary pattern is compatible with a wide variety of different sequences, it may be possible to fabricate β-sheet monolayers by using combinations of side chains that are explicitly designed to favor particular applications of novel biomaterials.

Medial prefrontal cortex and self-referential mental activity: Relation to a default mode of brain function

Medial prefrontal cortex (MPFC) is among those brain regions having the highest baseline metabolic activity at rest and one that exhibits decreases from this baseline across a wide variety of goal-directed behaviors in functional imaging studies. This high metabolic rate and this behavior suggest the existence of an organized mode of default brain function, elements of which may be either attenuated or enhanced. Extant data suggest that these MPFC regions may contribute to the neural instantiation of aspects of the multifaceted “self.” We explore this important concept by targeting and manipulating elements of MPFC default state activity. In this functional magnetic resonance imaging (fMRI) study, subjects made two judgments, one self-referential, the other not, in response to affectively normed pictures: pleasant vs. unpleasant (an internally cued condition, ICC) and indoors vs. outdoors (an externally cued condition, ECC). The ICC was preferentially associated with activity increases along the dorsal MPFC. These increases were accompanied by decreases in both active task conditions in ventral MPFC. These results support the view that dorsal and ventral MPFC are differentially influenced by attentiondemanding tasks and explicitly self-referential tasks. The presence of self-referential mental activity appears to be associated with increases from the baseline in dorsal MPFC. Reductions in ventral MPFC occurred consistent with the fact that attention-demanding tasks attenuate emotional processing. We posit that both self-referential mental activity and emotional processing represent elements of the default state as represented by activity in MPFC. We suggest that a useful way to explore the neurobiology of the self is to explore the nature of default state activity.

Characterization of a high-voltage-activated IA current with a role in spike timing and locomotor pattern generation

Transient A-type K+ channels (IA) in neurons have been implicated in the delay of the spike onset and the decrease in the firing frequency. Here we have characterized biophysically and pharmacologically an IA current in lamprey locomotor network neurons that is activated by suprathreshold depolarization and is specifically blocked by catechol at 100 μM. The biophysical properties of this current are similar to the mammalian Kv3.4 channel. The role of the IA current both in single neuron firing and in locomotor pattern generation was analyzed. The IA current facilitates Na+ channel recovery from inactivation and thus sustains repetitive firing. The role of the IA current in motor pattern generation was examined by applying catechol during fictive locomotion induced by N-methyl-d-aspartate. Blockade of this current increased the locomotor burst frequency and decreased the firing of motoneurons. Although an alternating motor pattern could still be generated, the cycle duration was less regular, with ventral roots bursts failing on some cycles. Our results thus provide insights into the contribution of a high-voltage-activated IA current to the regulation of firing properties and motor coordination in the lamprey spinal cord.

Using electroactive substrates to pattern the attachment of two different cell populations

This report describes the development of an electroactive mask that permits the patterning of two different cell populations to a single substrate. This mask is based on a self-assembled monolayer of alkanethiolates on gold that could be switched from a state that prevents the attachment of cells to a state that promotes the integrin-mediated attachment of cells. Monolayers were patterned into regions having this electroactive monolayer and a second set of regions that were adhesive. After Swiss 3T3 fibroblasts had attached to the adhesive regions of this substrate, the second set of regions was activated electrically to permit the attachment of a second population of fibroblast cells. This method provides a general strategy for patterning the attachment of multiple cell types and will be important for studying heterotypic cell-cell interactions.

Structural Analysis and Molecular Model of a Self-Incompatibility RNase from Wild Tomato1

Self-incompatibility RNases (S-RNases) are an allelic series of style glycoproteins associated with rejection of self-pollen in solanaceous plants. The nucleotide sequences of S-RNase alleles from several genera have been determined, but the structure of the gene products has only been described for those from Nicotiana alata. We report on the N-glycan structures and the disulfide bonding of the S3-RNase from wild tomato (Lycopersicon peruvianum) and use this and other information to construct a model of this molecule. The S3-RNase has a single N-glycosylation site (Asn-28) to which one of three N-glycans is attached. S3-RNase has seven Cys residues; six are involved in disulfide linkages (Cys-16-Cys-21, Cys-46-Cys-91, and Cys-166-Cys-177), and one has a free thiol group (Cys-150). The disulfide-bonding pattern is consistent with that observed in RNase Rh, a related RNase for which radiographic-crystallographic information is available. A molecular model of the S3-RNase shows that four of the most variable regions of the S-RNases are clustered on one surface of the molecule. This is discussed in the context of recent experiments that set out to determine the regions of the S-RNase important for recognition during the self-incompatibility response.

Mutant LexA proteins with specific defects in autodigestion.

In self-processing biochemical reactions, a protein or RNA molecule specifically modifies its own structure. Many such reactions are regulated in response to the needs of the cell by an interaction with another effector molecule. In the system we study here, specific cleavage of the Escherichia coli LexA repressor, LexA cleaves itself in vitro at a slow rate, but in vivo cleavage requires interaction with an activated form of RecA protein. RecA acts indirectly as a coprotease to stimulate LexA autodigestion. We describe here a new class of lexA mutants, lexA (Adg-; for autodigestion-defective) mutants, termed Adg- for brevity. Adg- mutants specifically interfered with the ability of LexA to autodigest but left intact its ability to undergo RecA-mediated cleavage. The data are consistent with a conformational model in which RecA favors a reactive conformation capable of undergoing cleavage. To our knowledge, this is the first example of a mutation in a regulated self-processing reaction that impairs the rate of self-processing without markedly affecting the stimulated reaction. Had wild-type lexA carried such a substitution, discovery of its self-processing would have been difficult; we suggest that, in other systems, a slow rate of self-processing has prevented recognition that a reaction is of this nature.

A model of self-thinning through local competition.

Explanations of self-thinning in plant populations have focused on plant shape and packing. A dynamic model based on the structure of local interactions successfully reproduces the pattern and can be approximated to identify key parameters and relationships. The approach generates testable new explanations for differences between species and populations, unifies self-thinning with other patterns in plant population dynamics, and indicates why organisms other than plants can follow the law.

Zinc- and iron-rubredoxins from Clostridium pasteurianum at atomic resolution: a high-precision model of a ZnS4 coordination unit in a protein.

The Zn(Scys)4 unit is present in numerous proteins, where it assumes structural, regulatory, or catalytic roles. The same coordination is found naturally around iron in rubredoxins, several structures of which have been refined at resolutions of, or near to, 1 A. The fold of the small protein rubredoxin around its metal ion is an excellent model for many zinc finger proteins. Zn-substituted rubredoxin and its Fe-containing counterpart were both obtained as the products of the expression in Escherichia coli of the rubredoxin-encoding gene from Clostridium pasteurianum. The structures of both proteins have been refined with an anisotropic model at atomic resolution (1.1 A, R = 8.3% for Fe-rubredoxin, and 1.2 A, R = 9.6% for Zn-rubredoxin) and are very similar. The most significant differences are increased lengths of the M-S bonds in Zn-rubredoxin (average length, 2.345 A) as compared with Fe-rubredoxin (average length, 2.262 A). An increase of the CA-CB-SG-M dihedral angles involving Cys-6 and Cys-39, the first cysteines of each of the Cys-Xaa-Xaa-Cys metal binding motifs, has been observed. Another consequence of the replacement of iron by zinc is that the region around residues 36-46 undergoes larger displacements than the remainder of the polypeptide chain. Despite these changes, the main features of the FeS4 site, namely a local 2-fold symmetry and the characteristic network of N-H...S hydrogen bonds, are conserved in the ZnS4 site. The Zn-substituted rubredoxin provides the first precise structure of a Zn(Scys)4 unit in a protein. The nearly identical fold of rubredoxin around iron or zinc suggests that at least in some of the sites where the metal has mainly a structural role-e.g., zinc fingers-the choice of the relevant metal may be directed by its cellular availability and mobilization processes rather than by its chemical nature.

Self-organized phase transitions in neural networks as a neural mechanism of information processing.

Transitions between dynamically stable activity patterns imposed on an associative neural network are shown to be induced by self-organized infinitesimal changes in synaptic connection strength and to be a kind of phase transition. A key event for the neural process of information processing in a population coding scheme is transition between the activity patterns encoding usual entities. We propose that the infinitesimal and short-term synaptic changes based on the Hebbian learning rule are the driving force for the transition. The phase transition between the following two dynamical stable states is studied in detail, the state where the firing pattern is changed temporally so as to itinerate among several patterns and the state where the firing pattern is fixed to one of several patterns. The phase transition from the pattern itinerant state to a pattern fixed state may be induced by the Hebbian learning process under a weak input relevant to the fixed pattern. The reverse transition may be induced by the Hebbian unlearning process without input. The former transition is considered as recognition of the input stimulus, while the latter is considered as clearing of the used input data to get ready for new input. To ensure that information processing based on the phase transition can be made by the infinitesimal and short-term synaptic changes, it is absolutely necessary that the network always stays near the critical state corresponding to the phase transition point.

Self-assembly of a heteroduplex helicate from two different ligand strands and Cu(II) cations.

Cu(II) ions have been reacted with a 1/1 mixture of two linear ligands, one containing three 2,2'- bipyridine groups and the other three 2,2':6',2"-terpyridine groups. Absorption spectroscopy and fast atom bombardment mass spectrometry indicate the formation of a trinuclear complex containing one ligand of each kind. Determination of the crystal structure of this compound has confirmed that it is indeed a linear trinuclear complex in which two different ligands are wrapped in a helical fashion around the pentacoordinated metal ions. The central coordination geometry is trigonal bipyramidal; the two lateral Cu(II) ions are in a square pyramidal environment. Thus, a heteroduplex helicate is formed by the self-assembly of two different ligand strands and three specific metal ions induced by the coordination number and geometry of the latter. The self-assembly process may be considered to result from the reading of the steric and binding information present in the two ligands by Cu(II) ions through a pentacoordination algorithm. The same ligands have been shown earlier to yield homoduplex helicates from ions of tetrahedral and octahedral coordination geometry and strands of bidentate bipyridines and tridentate terpyridines, respectively. These two types of artificial double helical species may be related on one hand to the natural homoduplex nucleic acids and on the other hand to the DNA:RNA heteroduplex.

Molecular and biochemical characterization of dNOS: a Drosophila Ca2+/calmodulin-dependent nitric oxide synthase.

Nitric oxide (NO) is an intercellular messenger involved with various aspects of mammalian physiology ranging from vasodilation and macrophage cytotoxicity to neuronal transmission. NO is synthesized from L-arginine by NO synthase (NOS). Here, we report the cloning of a Drosophila NOS gene, dNOS, located at cytological position 32B. The dNOS cDNA encodes a protein of 152 kDa, with 43% amino acid sequence identity to rat neuronal NOS. Like mammalian NOSs, DNOS protein contains putative binding sites for calmodulin, FMN, FAD, and NADPH. DNOS activity is Ca2+/calmodulin dependent when expressed in cell culture. An alternative RNA splicing pattern also exists for dNOS, which is identical to that for vertebrate neuronal NOS. These structural and functional observations demonstrate remarkable conservation of NOS between vertebrates and invertebrates.

Interfacial activation-based molecular bioimprinting of lipolytic enzymes.

Interfacial activation-based molecular (bio)-imprinting (IAMI) has been developed to rationally improve the performance of lipolytic enzymes in nonaqueous environments. The strategy combinedly exploits (i) the known dramatic enhancement of the protein conformational rigidity in a water-restricted milieu and (ii) the reported conformational changes associated with the activation of these enzymes at lipid-water interfaces, which basically involves an increased substrate accessibility to the active site and/or an induction of a more competent catalytic machinery. Six model enzymes have been assayed in several model reactions in nonaqueous media. The results, rationalized in light of the present biochemical and structural knowledge, show that the IAMI approach represents a straightforward, versatile method to generate manageable, activated (kinetically trapped) forms of lipolytic enzymes, providing under optimal conditions nonaqueous rate enhancements of up to two orders of magnitude. It is also shown that imprintability of lipolytic enzymes depends not only on the nature of the enzyme but also on the "quality" of the interface used as the template.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Influence of different genotypes in the pattern of selenoprotein expression in response to Brazil nut supplementation

The micronutrient selenium is essential to human physiology. As the amino acid selenocysteine, it is inserted into selenoproteins with a wide range of functions including antioxidant capacity, thyroid hormone metabolism, improvement of immune system, brain function, fertility and reproduction. Low selenium status has been associated with increased risk for chronic diseases, such as cancer, type-2 diabetes and cardiovascular disease. In this context, several studies have been conducted in order to investigate if selenium supplementation could reduce the risk of such diseases. However, genetic variations may interfere in the response of individuals to a dietary intervention and must be considered as a important source of inter-individual variation. Therefore, this study was conducted was conducted to investigate the influence of genetic variations in selenoproteins genes on the response to an intervention with Brazil nuts, the richest source of selenium known in nature. The study included 130 healthy volunteers with both genders, aged 20 to 60 years old selected in University of São Paulo. They received nuts for 8 weeks, eating one nut a day, and did a washout period for more 8 weeks. All volunteers had a blood sampling collection every 4 weeks during 4 months, in a total of 5. The following analysis were done: anthropometric measurements, lipid profile, plasma malondialdehyde, plasma and erythrocyte Se, selenoprotein P, plasma and erythrocyte GPx activity, gene expression of GPX1, SEPP1, SELS and SEP15. The volunteers were also genotyped for SNPs rs1050450, rs3811699, rs1800699, rs713041, rs3877899, rs7579, rs34713741 and rs5845. Each unit of Brazil nut provided an average of 300 µg of selenium. All 130 volunteers completed the protocol. The concentrations of total cholesterol and glucose decreased after 8 weeks of supplementation. Moreover, HDL concentrations were higher for carriers of the variant T allele for GPX4_rs713041. The frequencies of the variant genotypes were 5,4% for rs1050450, rs3811699 e rs1088668, 10% for rs3877899, 19,2% for rs713041 e rs7579, 11,5% for rs5845 and 8,5% for rs34713741. The levels of the five biomarkers increased significantly after supplementation. In addition, erythrocyte GPx activity was influenced by rs1050450, rs713041 and rs5845; erythrocyte selenium was influenced by rs5845 and plasma selenium by rs3877899. Gene expression of GPX1, SEPP1 and SEP15 were higher after supplementation. The SNP rs1050450 influenced GPX1 mRNA expression and rs7579 influenced SEPP1 mRNA expression. Therefore, it can be concluded that the supplementation with one of Brazil nut for 8 weeks was efficient to reduce total cholesterol and glucose levels and to increase the concentrations of the main biomarkers of selenium status in healthy adults. Furthermore, our results suggest that GPX4_rs713041 might interfere on HDL concentrations and GPx1 activity, GPX1_rs1050450 might interfere on GPx1 activity, SEP15_rs5845 might interfere on GPx1 activity and erythrocyte selenium and SEPP1_3877899 might interfere on plasma Se levels. Therefore, the effect of genetic variations should be considered in future nutritional interventions evaluating the response to Brazil nut supplementation.

Evolução do veneno em cnidários baseada em dados de genomas e proteomas

A evolução do veneno, uma das misturas mais complexas da natureza, tem sustentado o sucesso da diversificação de inúmeras linhagens de animais. Serpentes deslizantes ou medusas flutuantes utilizam o veneno, um coquetel de peptídeos farmacologicamente ativos, sais e moléculas orgânicas. Esses animais surpreendentes têm provocado grande fascínio ao longo da história humana. Nesta dissertação propomos um estudo da evolução dos venenos no filo Cnidaria, englobando dados proteômicos e genômicos. Este projeto teve como objetivos: (1) caracterizar e elucidar a evolução da composição do veneno em Cnidaria por meio da comparação de listas de proteínas; (2) testar a hipótese de que a variação na família de toxinas específica de cnidários tem sido o resultado de um regime de seleção positiva; e (3) determinar a extensão em que a duplicação de genes pode ser considerada como a principal razão para a diversificação de toxinas em Cnidaria. O capítulo \"Comparative proteomics reveals common components of a powerful arsenal in the earliest animal venomous lineage, the cnidarians\" propõe o estudo comparado mais completo sobre a composição do veneno de cnidários e uma hipótese sobre a montagem evolutiva do complexo arsenal bioquímico de cnidários e do veneno ancestral desse grupo basal. Vinte e oito famílias de proteínas foram identificadas. Destas, 13 famílias foram registradas pela primeira vez no proteoma de Cnidaria. Pelo menos 15 famílias de toxinas foram recrutadas no proteoma de veneno de cnidários antes da diversificação dos grupos Anthozoa e Medusozoa. Nos capítulos \"Evidence of episodic positive selection in the evolution of jellyfish toxins of the cnidarian venom\" e \"Gene duplications are extensive and contribute significantly to the toxic proteome of nematocysts isolated from Acropora digitifera (Cnidaria: Anthozoa: Scleractinia)\", nossas análises demonstram que as famílias de toxinas nos cnidários se diversificam amplamente mediante a duplicação de genes. Além disso, em contraste com as famílias de toxinas do veneno na maioria das linhagens animais; nós identificamos um padrão diferente na família de toxinas específica de cnidários, em que há uma seleção purificadora por longos períodos seguindo longos tempos de diversificação ou vice-versa