Design of Antibacterial Prochelators to Target Drug-Resistant Bacteria

Transition metals such as iron and copper are valued in biology for their redox activities because they are able to access various oxidation states. However, these transition metals are also implicated in a number of human disease states and play a role in bacterial infections. The ability to manipulate and monitor metal ions has vast implications on the fields of biology and human health. As such, the research described here covers two related goals: to manipulate metals in specific biological circumstances and to visualize this disturbance in cellular metal homeostasis.

Antibiotic resistance necessitates the development of drugs that exploit new mechanisms of action such as the disruption of metal homeostasis. In order to manipulate metals at the site of bacterial infection, two prochelators were developed around a β-lactam core such that the active chelator is released in the presence of bacteria that produce the resistance-causing β-lactamase enzyme. Both prochelators display enhanced activity toward resistant bacteria compared to clinical antibiotics.

Fluorescent sensors are a powerful tool for detecting small concentrations of biological analytes. Two analogs of a ratiometric fluorescent sensor were designed and synthesized to monitor cellular concentrations of copper and iron. These sensors were found to operate as designed in vitro; however the fluorescence intensity necessary for quantification of cellular metal pools has not yet been achieved.

Biocompatibility Assessment of Biosorbable Polymer Coated Nitinol Alloys

Owing to an increased risk of aging population and a higher incidence of coronary artery disease (CAD), there is a need for more reliable and safer treatments. Numerous varieties of durable polymer-coated drug eluting stents (DES) are available in the market in order to mitigate in-stent restenosis. However, there are certain issues regarding their usage such as delayed arterial healing, thrombosis, inflammation, toxic corrosion by-products, mechanical stability and degradation. As a result, significant amount of research has to be devoted to the improvement of biodegradable polymer-coated implant materials in an effort to enhance their bioactive response. In this investigation, magneto-electropolished (MEP) and a novel biodegradable polymer coated ternary Nitinol alloys, NiTiTa and NiTiCr were prepared to study their bio and hemocompatibility properties. The initial interaction of a biomaterial with its surroundings is dependent on its surface characteristics such as, composition, corrosion resistance, work of adhesion and morphology. In-vitro corrosion tests such as potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopic (EIS) studies were conducted to determine the coating stability and longevity. In-vitro hemocompatibility studies and HUVEC cell growth was performed to determine their thrombogenic and biocompatibility properties. Critical delamination load of the polymer coated Nitinol alloys was determined using Nano-scratch analysis. Sulforhodamine B (SRB) assays were performed to elucidate the effect of metal ions leached from Nitinol alloys on the viability of HUVEC cells. Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), contact angle meter and X-ray diffraction (XRD) were used to characterize the surface of the alloys. MEP treated and polymer coated (PC) Nitinol alloys displayed a corrosion resistant polymer coating as compared to uncoated alloys. MEP and PC has resulted in reduced Ni and Cr ion leaching from NiTi5Cr and subsequently low cytotoxicity. Thrombogenicity tests revealed significantly less platelet adhesion and confluent endothelial cell growth on polymer coated and uncoated ternary MEP Nitinol alloys. Finally, this research addresses the bio and hemocompatibility of MEP + PC ternary Nitinol alloys that could be used to manufacture blood contacting devices such as stents and vascular implants which can lead to lower U.S. healthcare spending.

(Table II, page 668-669) Distribution of elements between minerals soluble in 1M Hydroxylamine hydrochloride (Reducible); in 1m HCL (Acid-soluble) and in the insoluble residue of manganese nodules

Attempts to classify pelagic sediments have been based either on appearance and composition, or on the ultimate origin of the components. In particular it appears feasible to distinguish minerals which crystallized in sea-water from those which formed in magmas, in hydrothermal solution, or by weathering under acidic conditions. It is the case of iron and manganese oxide mineral aggregates which constitute one of the major types of rock encountered on the ocean floor; according to Menard (unpublished) about 10% of the pelagic area of the Pacific is covered by such nodules. The nodules consist of intimately intergrown crystallites of different minerals among those identified, besides detrital minerals and organic matter, are opal, goethite, rutile, anatase, barite, nontronite, and at least three manganese oxide minerals of major importance. Arrhenius and Korkisch (1959) have attempted to separate from each other the different minerals constituting the nodules, in order to establish the details of their structure and the localization of the heavy metal ions. The results demonstrate (Table II) that copper and nickel are concentrated in the manganese oxide phases concentrated in the reducible fraction. Cobalt, part of the nickel and most of the chromium are distributed between these and the acid-soluble group of the non-manganese minerals, dominated by goethite and disordered FeOOH.

(Table 12-4, page 360) Percentage loss of water from manganese nodules (on a wet basis) at different temperatures

This chapter discusses the formation and distribution of some metals in ocean-floor manganese nodules in the light of the observed data in the literature and thermodynamic and kinetic considerations of the oxidation of metal ions in the oceanic environment. There are, in general, two major schools of thought on the mechanism of incorporation of the minor elements such as nickel, copper, and cobalt with the major elements such as manganese and iron. One is the lattice substitution mechanism and the other the adsorption mechanism. If the mechanism is lattice substitution, extraction of the metal ions is not possible unless the lattice of the major elements is first broken and exchanged with other ions from the bulk solution. Consequently, the leaching behavior of minor elements should display a very close relationship with that of major elements.

Manifestation of Colossal Thermoelectric Power by Charge Ordered Small and Intermediate Bandwidth Manganites

Thermoelectric materials are revisited for various applications including power generation. The direct conversion of temperature differences into electric voltage and vice versa is known as thermoelectric effect. Possible applications of thermoelectric materials are in eco-friendly refrigeration, electric power generation from waste heat, infrared sensors, temperature controlled-seats and portable picnic coolers. Thermoelectric materials are also extensively researched upon as an alternative to compression based refrigeration. This utilizes the principle of Peltier cooling. The performance characteristic of a thermoelectric material, termed as figure of merit (ZT) is a function of several transport coefficients such as electrical conductivity (σ), thermal conductivity (κ) and Seebeck coefficient of the material (S). ZT is expressed asκσTZTS2=, where T is the temperature in degree absolute. A large value of Seebeck coefficient, high electrical conductivity and low thermal conductivity are necessary to realize a high performance thermoelectric material. The best known thermoelectric materials are phonon-glass electron – crystal (PGEC) system where the phonons are scattered within the unit cell by the rattling structure and electrons are scattered less as in crystals to obtain a high electrical conductivity. A survey of literature reveals that correlated semiconductors and Kondo insulators containing rare earth or transition metal ions are found to be potential thermoelectric materials. The structural magnetic and charge transport properties in manganese oxides having the general formula of RE1−xAExMnO3 (RE = rare earth, AE= Ca, Sr, Ba) are solely determined by the mixed valence (3+/4+) state of Mn ions. In strongly correlated electron systems, magnetism and charge transport properties are strongly correlated. Within the area of strongly correlated electron systems the study of manganese oxides, widely known as manganites exhibit unique magneto electric transport properties, is an active area of research.Strongly correlated systems like perovskite manganites, characterized by their narrow localized band and hoping conduction, were found to be good candidates for thermoelectric applications. Manganites represent a highly correlated electron system and exhibit a variety of phenomena such as charge, orbital and magnetic ordering, colossal magneto resistance and Jahn-Teller effect. The strong inter-dependence between the magnetic order parameters and the transport coefficients in manganites has generated much research interest in the thermoelectric properties of manganites. Here, large thermal motion or rattling of rare earth atoms with localized magnetic moments is believed to be responsible for low thermal conductivity of these compounds. The 4f levels in these compounds, lying near the Fermi energy, create large density of states at the Fermi level and hence they are likely to exhibit a fairly large value of Seebeck coefficient.

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.