Evolution of Drug Resistance: Insight on TEM β-Lactamases Structure and Activity and β-Lactam Antibiotics

Since the discovery of the first penicillin bacterial resistance to β-lactam antibiotics has spread and evolved promoting new resistances to pathogens. The most common mechanism of resistance is the production of β-lactamases that have spread thorough nature and evolve to complex phenotypes like CMT type enzymes. New antibiotics have been introduced in clinical practice, and therefore it becomes necessary a concise summary about their molecular targets, specific use and other properties. β-lactamases are still a major medical concern and they have been extensively studied and described in the scientific literature. Several authors agree that Glu166 should be the general base and Ser70 should perform the nucleophilic attack to the carbon of the carbonyl group of the β-lactam ring. Nevertheless there still is controversy on their catalytic mechanism. TEMs evolve at incredible pace presenting more complex phenotypes due to their tolerance to mutations. These mutations lead to an increasing need of novel, stronger and more specific and stable antibiotics. The present review summarizes key structural, molecular and functional aspects of ESBL, IRT and CMT TEM β-lactamases properties and up to date diagrams of the TEM variants with defined phenotype. The activity and structural characteristics of several available TEMs in the NCBI-PDB are presented, as well as the relation of the various mutated residues and their specific properties and some previously proposed catalytic mechanisms.

COMPARISON OF A COMMERCIAL ENZYME IMMUNOASSAY WITH PLAQUE REDUCTION NEUTRALIZATION FOR MATERNAL AND INFANT MEASLES ANTIBODY MEASUREMENT

The most practicable assay for measurement of measles IgG (mIgG) in large numbers of sera is an enzyme immunoassay (EIA). To assess how EIA results would agree with those by the gold standard method of plaque reduction neutralization (PRN) we compared the results from the two methods in 43 pairs of maternal and umbilical cord sera, and sera from the corresponding infants when aged 11 - 14 months. In maternal-cord sera, the differences between mean antibody levels by EIA or PRN were not statistically significant, though in individual sera, differences could be large. However, agreement was less good for infants sera, in which levels of mIgG were very low. The conclusions of a study of transplacental transport of mIgG would not be affected by the use of either technique. When studying waning immunity in infants, PRN should be the method of choice, while results from studies using EIA should be interpreted with caution.

Positive Epistasis Drives the Acquisition of Multidrug Resistance

The evolution of multiple antibiotic resistance is an increasing global problem. Resistance mutations are known to impair fitness, and the evolution of resistance to multiple drugs depends both on their costs individually and on how they interact-epistasis. Information on the level of epistasis between antibiotic resistance mutations is of key importance to understanding epistasis amongst deleterious alleles, a key theoretical question, and to improving public health measures. Here we show that in an antibiotic-free environment the cost of multiple resistance is smaller than expected, a signature of pervasive positive epistasis among alleles that confer resistance to antibiotics. Competition assays reveal that the cost of resistance to a given antibiotic is dependent on the presence of resistance alleles for other antibiotics. Surprisingly we find that a significant fraction of resistant mutations can be beneficial in certain resistant genetic backgrounds, that some double resistances entail no measurable cost, and that some allelic combinations are hotspots for rapid compensation. These results provide additional insight as to why multi-resistant bacteria are so prevalent and reveal an extra layer of complexity on epistatic patterns previously unrecognized, since it is hidden in genome-wide studies of genetic interactions using gene knockouts.

Heavy-metal resistance in Marinobacter aquaeolei 617 insights into copper resistance

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Biotecnologia

Immunoglobulin Fc receptors in clinical strains of Staphylococcus aureus do not confer resistance to Phagocytosis in an in vitro assay

Staphylococcus aureus binds Immunoglobulin G (IgG) on its external surface due to the presence of specific receptors for the Fc domain of this immunoglobulin. This mechanism represents a kind of camouflage against phagocytic cells. In order to confirm that possibility an in vitro evaluation of the phagocytic activity of leukocytes polymorpho-nuclear (PMN) against strains of Staphylococcus aureus was done, comparing 18 strains isolated from clinical samples and 16 from healthy individuals. The presence of Fc receptors was evaluated by haemagglutination (HA) with erythrocytes group A after incubation of the strains with IgG anti blood group A. Phagocytosis of S. aureus was carried out by mixing live bacteria with a suspension of human PMN and incubating at 37 °C for 1 h; survivors were counted as colony forming units by plating. The strains from clinical specimens showed higher HA than those from healthy individuals (p = 0.01); but the former were killed more efficiently than the latter (80-90% and 40%, respectively). It is may be possible that S. aureus showed different behavior in vivo, where could express other virulence factors to prevent the action of phagocytes.

Enterococcus and biocides: mechanisms of tolerance and selection for vancomycin resistance

Dissertation presented to obtain a Doctoral degree in Biology, Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.

Measurement of lead concentration in biological tissues by atomic spectroscopy techniques

Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Physics

Mapping of a Leishmania major gene/locus that confers pentamidine resistance by deletion and insertion of transposable element

Pentamidine (PEN) is an alternative compound to treat antimony-resistant leishmaniasis patients, which cellular target remains unclear. One approach to the identification of prospective targets is to identify genes able to mediate PEN resistance following overexpression. Starting from a genomic library of transfected parasites bearing a multicopy episomal cosmid vector containing wild-type Leishmania major DNA, we isolated one locus capable to render PEN resistance to wild type cells after DNA transfection. In order to map this Leishmania locus, cosmid insert was deleted by two successive sets of partial digestion with restriction enzymes, followed by transfection into wild type cells, overexpression, induction and functional tests in the presence of PEN. To determine the Leishmania gene related to PEN resistance, nucleotide sequencing experiments were done through insertion of the transposon Mariner element of Drosophila melanogaster (mosK) into the deleted insert to work as primer island. Using general molecular techniques, we described here this method that permits a quickly identification of a functional gene facilitating nucleotide sequence experiments from large DNA fragments. Followed experiments revealed the presence of a P-Glycoprotein gene in this locus which role in Leishmania metabolism has now been analyzed.

"Multiplex PCR" identification of the atypical and monophasic Salmonella enterica subsp. enterica serotype 1,4,[5],12:i:- in São Paulo State, Brazil: frequency and antibiotic resistance patterns

Salmonella spp. are the etiologic agents of salmonellosis, a worldwide spread zoonoses causing foodborne outbreaks and clinical diseases. By serological identification, Salmonella enterica subsp. enterica serotype 1,4,[5],12:i:- accounted for 8.8% of human and 1.6% of nonhuman Salmonella strains isolated in São Paulo State, during 1991-2000. A total of 28.6% of them amplified a fragment corresponding to H:1,2 (flagellar phase two) through PCR analysis and were further assigned as S. Typhimurium. Antimicrobial resistance was detected in 36.3% of the 369 PCR-negative strains tested, including the multiresistance to ampicillin, chloramphenicol, sulfonamides, tetracycline, and streptomycin.

Study of forbidden transitions in atomic systems

A Thesis submitted for the co-tutelle degree of Doctor in Physics at Universidade Nova de Lisboa and Université Pierre et Marie Curie

Genetic diversity and antimicrobial resistance of enterococcal isolates from Southern region of Brazil

In the present study, a total of 455 enterococcal isolates, recovered from patients living in the city of Porto Alegre, State of Rio Grande do Sul, Brazil, during the period from July 1996 to June 1997, were identified to the species level by conventional biochemical and microbiological tests, and assayed for their susceptibilities to antimicrobial agents. The genetic diversity of antimicrobial resistant strains was evaluated by pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) analysis of SmaI restricted chromosomal DNA. The most frequent species was Enterococcus faecalis (92.8%). Other species identified were: E. faecium (2.9%), E. gallinarum (1.5%), E. avium (1.1%), E. hirae (0.7%), E. casseliflavus (0.4%), E. durans (0.4%) and E. raffinosus (0.2%). The overall prevalence of isolates with high-level resistance (HLR) to aminoglycosides was 37.8%. HLR to gentamicin was found in 24.8%. No strains with acquired resistance to vancomycin were found. PFGE analysis showed the predominance of clonal group A, comprising strains isolated from different clinical specimens obtained from patients in three hospitals. These results suggest intra and inter-hospital dissemination of one predominant clonal group of E. faecalis isolates with HLR to gentamicin in the hospitals included in this study.