Topographical and mechanical characterization of living eukaryotic cells on opaque substrates: development of a general procedure and its application to the study of non-adherent lymphocytes

The mechanical behavior of living murine T-lymphocytes was assessed by atomic force microscopy (AFM). A robust experimental procedure was developed to overcome some features of lymphocytes, in particular their spherical shape and non-adherent character. The procedure included the immobilization of the lymphocytes on amine-functionalized substrates, the use of hydrodynamic effects on the deflection of the AFM cantilever to monitor the approaching, and the use of the jumping mode for obtaining the images. Indentation curves were analyzed according to Hertz's model for contact mechanics. The calculated values of the elastic modulus are consistent both when considering the results obtained from a single lymphocyte and when comparing the curves recorded from cells of different specimens

Antigen binding forces of individually addressed single-chain Fv antibody molecules

Antibody single-chain Fv fragment (scFv) molecules that are specific for fluorescein have been engineered with a C-terminal cysteine for a directed immobilization on a flat gold surface. Individual scFv molecules can be identified by atomic force microscopy. For selected molecules the antigen binding forces are then determined by using a tip modified with covalently immobilized antigen. An scFv mutant of 12% lower free energy for ligand binding exhibits a statistically significant 20% lower binding force. This strategy of covalent immobilization and measuring well separated single molecules allows the characterization of ligand binding forces in molecular repertoires at the single molecule level and will provide a deeper insight into biorecognition processes.

Redistribution of phosphatidylethanolamine at the cleavage furrow of dividing cells during cytokinesis

Ro09-0198 is a tetracyclic polypeptide of 19 amino acids that recognizes strictly the structure of phosphatidylethanolamine (PE) and forms a tight equimolar complex with PE on biological membranes. Using the cyclic peptide coupled with fluorescence-labeled streptavidin, we have analyzed the cell surface localization of PE in dividing Chinese hamster ovary cells. We found that PE was exposed on the cell surface specifically at the cleavage furrow during the late telophase of cytokinesis. PE was exposed on the cell surface only during the late telophase and no alteration in the distribution of the plasma membrane-bound cyclic peptide was observed during the cytokinesis, suggesting that the surface exposure of PE reflects the enhanced scrambling of PE at the cleavage furrow. Furthermore, cell surface immobilization of PE induced by adding the cyclic peptide coupled with streptavidin to prometaphase cells effectively blocked the cytokinesis at late telophase. The peptide-streptavidin complex treatment had no effect on furrowing, rearrangement of microtubules, and nuclear reconstitution, but specifically inhibited both actin filament disassembly at the cleavage furrow and subsequent membrane fusion. These results suggest that the redistribution of the plasma membrane phospholipids is a crucial step for cytokinesis and the cell surface PE may play a pivotal role in mediating a coordinate movement between the contractile ring and plasma membrane to achieve successful cell division.

Mobility of cytochrome P450 in the endoplasmic reticulum membrane

Cytochrome P450 2C2 is a resident endoplasmic reticulum (ER) membrane protein that is excluded from the recycling pathway and contains redundant retention functions in its N-terminal transmembrane signal/anchor sequence and its large, cytoplasmic domain. Unlike some ER resident proteins, cytochrome P450 2C2 does not contain any known retention/retrieval signals. One hypothesis to explain exclusion of resident ER proteins from the transport pathway is the formation of networks by interaction with other proteins that immobilize the proteins and are incompatible with packaging into the transport vesicles. To determine the mobility of cytochrome P450 in the ER membrane, chimeric proteins of either cytochrome P450 2C2, its catalytic domain, or the cytochrome P450 2C1 N-terminal signal/anchor sequence fused to green fluorescent protein (GFP) were expressed in transiently transfected COS1 cells. The laurate hydroxylase activities of cytochrome P450 2C2 or the catalytic domain with GFP fused to the C terminus were similar to the native enzyme. The mobilities of the proteins in the membrane were determined by recovery of fluorescence after photobleaching. Diffusion coefficients for all P450 chimeras were similar, ranging from 2.6 to 6.2 × 10−10 cm2/s. A coefficient only slightly larger (7.1 × 10−10 cm2/s) was determined for a GFP chimera that contained a C-terminal dilysine ER retention signal and entered the recycling pathway. These data indicate that exclusion of cytochrome P450 from the recycling pathway is not mediated by immobilization in large protein complexes.

Direct Involvement of N-Cadherin–mediated Signaling in Muscle Differentiation

Cell–cell interactions, mediated by members of the cadherin family of Ca2+-dependent adhesion molecules, play key roles in morphogenetic processes as well as in the transduction of long-range growth and differentiation signals. In muscle differentiation cell adhesion is involved in both early stages of myogenic induction and in later stages of myoblast interaction and fusion. In this study we have explored the involvement of a specific cadherin, namely N-cadherin, in myogenic differentiation. For that purpose we have treated different established lines of cultured myoblasts with beads coated with N-cadherin–specific ligands, including a recombinant N-cadherin extracellular domain, and anti-N-cadherin antibodies. Immunofluorescent labeling for cadherins and catenins indicated that treatment with the cadherin-reactive beads for several hours enhances the assembly of cell–cell adherens-type junctions. Moreover, immunofluorescence and immunoblotting analyses indicated that treatment with the beads for 12–24 h induces myogenin expression and growth arrest, which are largely independent of cell plating density. Upon longer incubation with the beads (2–3 d) a major facilitation in the expression of several muscle-specific sarcomeric proteins and in cell fusion into myotubes was observed. These results suggest that surface clustering or immobilization of N-cadherin can directly trigger signaling events, which promote the activation of a myogenic differentiation program.

Tissue engineering of cartilage in space

Tissue engineering of cartilage, i.e., the in vitro cultivation of cartilage cells on synthetic polymer scaffolds, was studied on the Mir Space Station and on Earth. Specifically, three-dimensional cell-polymer constructs consisting of bovine articular chondrocytes and polyglycolic acid scaffolds were grown in rotating bioreactors, first for 3 months on Earth and then for an additional 4 months on either Mir (10−4–10−6 g) or Earth (1 g). This mission provided a unique opportunity to study the feasibility of long-term cell culture flight experiments and to assess the effects of spaceflight on the growth and function of a model musculoskeletal tissue. Both environments yielded cartilaginous constructs, each weighing between 0.3 and 0.4 g and consisting of viable, differentiated cells that synthesized proteoglycan and type II collagen. Compared with the Earth group, Mir-grown constructs were more spherical, smaller, and mechanically inferior. The same bioreactor system can be used for a variety of controlled microgravity studies of cartilage and other tissues. These results may have implications for human spaceflight, e.g., a Mars mission, and clinical medicine, e.g., improved understanding of the effects of pseudo-weightlessness in prolonged immobilization, hydrotherapy, and intrauterine development.

Nuclear waste forms for actinides

The disposition of actinides, most recently 239Pu from dismantled nuclear weapons, requires effective containment of waste generated by the nuclear fuel cycle. Because actinides (e.g., 239Pu and 237Np) are long-lived, they have a major impact on risk assessments of geologic repositories. Thus, demonstrable, long-term chemical and mechanical durability are essential properties of waste forms for the immobilization of actinides. Mineralogic and geologic studies provide excellent candidate phases for immobilization and a unique database that cannot be duplicated by a purely materials science approach. The “mineralogic approach” is illustrated by a discussion of zircon as a phase for the immobilization of excess weapons plutonium.

Surface antigen cross-linking triggers forced exit of a protozoan parasite from its host.

We used the common fish pathogen Ichthyophthirius multifiliis as a model for studying interactions between parasitic ciliates and their vertebrate hosts. Although highly pathogenic, Ichthyophthirius can elicit a strong protective immune response in fish after exposure to controlled infections. To investigate the mechanisms underlying host resistance, a series of passive immunization experiments were carried out using mouse monoclonal antibodies against a class of surface membrane proteins, known as immobilization antigens (or i-antigens), thought to play a role in the protective response. Such antibodies bind to cilia and immobilize I. multifiliis in vitro. Surprisingly, we found that passive antibody transfer in vivo caused rapid exit of parasites from the host. The effect was highly specific for a given I. multifiliis serotype. F(ab)2 subfragments had the same effect as intact antibody, whereas monovalent Fab fragments failed to protect. The activity of Fab could, nevertheless, be restored after subsequent i.p. injection of bivalent goat anti-mouse IgG. Parasites that exit the host had detectable antibody on their surface and appeared viable in all respects. These findings represent a novel instance among protists in which protective immunity (and evasion of the host response) result from an effect of antibody on parasite behavior.

Stress and antidepressants differentially regulate neurotrophin 3 mRNA expression in the locus coeruleus.

The mechanisms by which stress and anti-depressants exert opposite effects on the course of clinical depression are not known. However, potential candidates might include neurotrophic factors that regulate the development, plasticity, and survival of neurons. To explore this hypothesis, we examined the effects of stress and antidepressants on neurotrophin expression in the locus coeruleus (LC), which modulates many of the behavioral and physiological responses to stress and has been implicated in mood disorders. Using in situ hybridization, we demonstrate that neurotrophin 3 (NT-3) is expressed in noradrenergic neurons of the LC. Recurrent, but not acute, immobilization stress increased NT-3 mRNA levels in the LC. In contrast, chronic treatment with antidepressants decreased NT-3 mRNA levels. The effect occurred in response to antidepressants that blocked norepinephrine uptake, whereas serotonin-specific reuptake inhibitors did not alter NT-3 levels. Electroconvulsive seizures also decreased NT-3 expression in the LC as well as the hippocampus. Ntrk3 (neurotrophic tyrosine kinase receptor type 3; formerly TrkC), the receptor for NT-3, is expressed in the LC, but its mRNA levels did not change with stress or antidepressant treatments. Because, NT-3 is known to be trophic for LC neurons, our results raise the possibility that some of the effects of stress and antidepressants on LC function and plasticity could be mediated through NT-3. Moreover, the coexpression of NT-3 and its receptor in the LC suggests the potential for autocrine mechanisms of action.

Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Estudo da cinética da tirosinase imobilizada em nanopartícula de sílica com obtenção de revestimento de eumelanina

Melanina é um polímero constituído por uma grande heterogeneidade de monômeros tendo como característica comum a presença de grupos indóis. Por outro lado, a eumelanina produzida pela oxidação enzimática da tirosina é um polímero mais simples constituído principalmente de monômeros 5,6-dihidroxindol (DHI) e de indol-5,6-quinona (IQ). Tirosinase é a enzima chave na produção de melanina, sendo que a sua atividade cinética é medida em função da formação do intermediário dopacroma. Nanopartículas (NPs) de sílica são partículas nanométricas compostas de oxido de silício e são obtidas pelo processo sol-gel desenvolvido por Stöber de hidrólise e condensação de tetraetilortosilicato (TEOS), usando etanol como solvente em meio alcalino. As NPs foram funcionalizadas com 3-Aminopropiltrietoxissilano (ATPES) e depois com glutaraldeído. Este último permitiu a imobilização da tirosinase na superfície da sílica. Caracterizamos as NPs antes e após a reação da enzima, a atividade catalítica da enzima ligada à NP e o mecanismos de formação de melanina na superfície da sílica. As NPs foram caracterizadas por espectrofotometria de absorção e de reflectância, termogravimetria e microscopia eletrônica. A síntese da NP de sílica retornou partículas esféricas com 55nm de diâmetro e a funcionalização da partícula mostrou modificar eficientemente a sua superfície. A imobilização da tirosinase por ligação covalente foi de 99,5% contra 0,5% da adsorção física. A atividade da tirosinase foi caracterizada pela formação de dopacroma. O Km da enzima imobilizada não sofreu alteração em comparação com a tirosinase livre, mas a eficiência catalítica - que considera a eficiência recuperada - foi de apenas 1/3 para a enzima ligada covalentemente, significando que 2/3 das enzimas ligadas não estão ativas. Obtivemos NPs revestidas com melanina a partir de oxidação de tirosina solubilizada em duas preparações: NP com tirosinase ligada covalentemente na superfície e NP funcionalizada com glutaraldeido dispersa em solução de DHI e IQ. O revestimento de melanina foi na forma de um filme fino com espessura ~1,9nm, conferindo perfil de absorção luminosa equivalente ao da própria melanina. Mostramos que o mecanismo de polimerização passa pela oxidação da tirosina pela tirosinase, que gera intermediários oxidados (principalmente DHI e IQ) que vão para solução (mesmo quando a tirosinase está ligada covalentemente na sílica). Estes intermediários ligam-se ao glutaraldeido e a superfície da sílica passa a funcionar como ambiente de polimerização da melanina.

Imobilização do fungo Penicillium citrinum CBMAI 1186 e lipase de Pseudomonas fluorescens em biopolímeros para aplicações em biocatálise

Diversos biomateriais podem ser aplicados como suportes na imobilização de células totais de fungos filamentosos ou enzimas isoladas, visando a manutenção e o prolongamento da atividade enzimática em processos biocatalíticos. Exemplos promissores de biomateriais são a fibroína da seda e o alginato de sódio. A fibroína é um material protéico com alta estabilidade térmica, elasticidade, resistência à tensão, não sofre ataque microbiano, baixo custo de purificação e alta tenacidade, o alginato é um biopolímero versátil, devido a suas propriedades gelificantes em soluções aquosas. Assim, neste trabalho empregou-se micélios do fungo derivado de ambiente marinho, Penicillium citrinum CBMAI 1186, livres e imobilizados em biopolímeros (fibra de algodão, fibra de fibroína da seda e fibra de paina) na biorredução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação α,β-C=C de enonas α,β-, α,β,γ,δ- e di-α,β-insaturadas previamente sintetizados pela a reação de condensação aldólica. Foi possível a utilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 na redução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação dupla carbono-carbono de sistemas α,β-insaturados. A imobilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 em biopolímeros (algodão, fibroína da seda, paina e quitosana) permitiu a prolongamento da atividade celular do fungo. O protocolo desenvolvido foi capaz de obter compostos até então descritos apenas por síntese clássica. Também foi realizado reações de resolução enzimática de derivados de haloidrinas por diferentes lipases microbianas de: Pseudomonas fluorescens, Candida cylindracea, Rhizopus niveus e Aspergillus niger. A lipase de P. fluorescens foi imobilizada em esferas de fibroína do bicho da seda (método 1, via adsorção) e em blenda com alginato de cálcio (método 2, via encapsulação) em diferentes condições, tais como, variação de solvente, variação da quantidade de enzima imobilizada e tempo de reação. As condições otimizadas foram empregadas em diferentes haloidrinas, rendendo elevados excessos enantioméricos (ee > 99%) e alta razão enanantiomérica (E > 200) para os produtos acetilados. Foi possível desenvolver um protocolo simples, barato e prático para a síntese enantiosseletiva de haloidrina reforçando a versatilidade da fibroína e do alginato como suportes de imobilização para catalisadores heterogêneos. Também foi possível utilizar a lipase imobilizada (método 2) na reação de transesterificação para obtenção do biodiesel etílico. As melhores condições para o bom funcionamento do biocatalisador foram: 30% do biocatalisador, 20% de n-hexano, relação óleo e etanol de 1:4 a 32 ºC por 48 h em agitação magnética (400 rpm). Essas condições permitiram a formação de 42% de rendimento do biodiesel etílico. O biocatalisador apresentou algumas limitações reacionais, tais como, fragilidade frente a elevadas temperaturas (> 32 ºC) e prolongado tempo de agitação magnética. Porém, permaneceu apto no meio por 4 ciclos consecutivas. Conclui-se que os biomateriais (fibroína, alginato e quitosana) podem ser utilizados como alternativas versáteis na imobilização de micélios de fungos filamentoso e de enzimas isoladas para aplicações em biocatalíticas.

Tratamento de esgoto sanitário em reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF): escala piloto

Este trabalho apresenta as avaliações de desempenho, das demandas operacionais e dos fatores intervenientes no aumento da escala da unidade piloto do Reator anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) no tratamento de esgoto sanitário após passagem por peneira com malha de 1 mm, durante dois anos de operação. O reator dispunha de volume total de 237,5 1, construídos com tubos comerciais de PVC de 14,5 cm de diâmetro (D), dispostos em cinco módulos horizontais em série de 2,88 m, perfazendo um comprimento total de (L) de 14,4 m e relação de total de L/D de 100. O suporte de imobilização de biomassa, espuma de poliuretano em matrizes cúbicas de 1 cm de aresta, mostrou-se adequado ao desenvolvimento do biofilme. Em partida, sem inoculação prévia, ocorreu a sua consolidação a partir de 70 dias, com predominância de morfologia semelhante a Methanosaeta sp. em relação a da Methanosarcina. Em torno de 90 dias com afluente de 350 mg/l de DQO, observe-se a melhor qualidade do efluente, com valor de 100 mg/l de DQO. Em longa operação ocorreu queda de rendimento e menor reprodutibilidade das previsões do projeto, atribuída aos constantes entupimentos e ineficácia das operações de limpeza, com o comprometimento de volume reacional verificados por estudos de hidrodinâmica. Da investigação das origens dos equipamentos observou-se tratar mais de um efeito local e qualitativamente relacionado à biomassa retida que propriamente quantitativo e extensivo ao longo de todo reator, com produção continuada de polímeros extracelulares, promovendo um efeito sinérgico com os predominantes organismos filamentosos e com os sólidos particulados retidos no leito. Diante das potencialidades desta configuração de reator apontam-se alternativas de mitigação dos entupimentos e o direcionamento dos estudos necessários para novo aumento de escala para o tratamento de esgoto sanitário.

Biotransformações na obtenção de hidróxi-selenetos e hidróxi-teluretos quirais

Neste trabalho foi estudado o comportamento de hidróxi-calcogenetos (Se e Te) frente a biotransformações, empregando enzimas isoladas em meio orgânico ou aquoso e empregando microorganismos (fungos). Estudos comparativos sobre a influência de diversas variáveis, como solvente, temperatura, imobilização enzimática e estrutura do hidróxi-calcogeneto, foram realizados. Inicialmente os compostos foram sintetizados utilizando métodos descritos na literatura, em seguida foi estudada a resolução de hidróxiselenetos em meio orgânico empregando lipases isoladas (Esquema 1), (ver arquivo), incluindo um estudo de imobilização da PSL em diversos suportes, além do estudo da influência da variação do solvente, da temperatura, da lipase, etc. Na resolução em meio aquoso empregando enzimas isoladas, primeiramente os hidróxi-selenetos foram acetilados quimicamente e depois realizado uma triagem (com dez enzimas de diferentes fontes) empregando indicador de pH colori métrico. Posteriormente os acetatos dos hidróxi-selenetos (Esquema 2) (ver arquivo) foram submetidos à resolução enzimática em meio aquoso empregando as enzimas que foram selecionadas na triagem enzimática. As biotransformações utilizando fungos foram realizadas empregando células inteiras de algumas linhagens de Aspergillus terreus. Na seqüência foi realizada a resolução de hidróxi-teluretos em meio orgânico utilizando lipases isoladas (Esquema 3)(ver arquivo). Nessas resoluções também foi estudada a influência da variação do solvente, da lipase, do tempo, etc. De forma a demonstrar a importância dos compostos resolvidos, um hidróxi-seleneto quiral e dois hidróxi-teluretos quirais foram usados para preparar compostos pertencentes a classes de unidades estruturais de vasta ocorrência em produtos naturais: um álcool alílico e duas lactonas (Esquema 4)(ver arquivo).

Desenvolvimento de biossensores enzimáticos amperométricos para a determinação de compostos de importância clínica

Este trabalho descreve a preparação e caracterização de eletrodos modificados com azul da Prússia e materiais relacionados e a sua aplicação na construção de biossensores enzimáticos amperométricos para a detecção de oxalato e de glicose. Os materiais utilizados na modificação dos eletrodos foram azul da Prússia e compostos híbridos formados por hexacianoferrato de níquel e polipirrol ou hexacianoferrato de cobre e polipirrol. Os materiais lubridos mostraram-se capazes de mediar na eletroredução de peróxido de hidrogênio, mesmo em eletrólitos contendo Na+, apresentando melhor desempenho analítico quando comparados aos respectivos hexacianoferratos sem a presença do polímero condutor. Estes materiais foram utilizados com êxito na construção de biossensores para oxalato e para glicose, imobilizando as enzimas Oxalato Oxidase e Glicose Oxidase, respectivamente. Também foi estudada a preparação de um biossensor para a detecção de glicose utilizando a técnica de automontagem eletrostática camada por camada. Esta técnica permite otimizar o processo de immobilização da enzima, obtendo excelente desempenho analítico com pouca quantidade de enzima. Finalmente, são apresentadas a síntese, caracterização e aplicação de nanopartículas de azul da Prússia na determinação de peróxido de hidrogênio. Foi possível preparar nanopartículas com um diâmetro médio de 5 nm, as quais foram imobilizadas em eletrodos mediante a técnica de automontagem eletrostática camada por camada, a fim de estudar seu comportamento eletroquímico.