Facilitating folding of outer membrane proteins, roles of the periplasmic chaperone Skp and the outer membrane lipoprotein BamD

This thesis describes several important advancements in the understanding of the assembly of outer membrane proteins of Gram-negative bacteria like Escherichia coli. A first study was performed to identify binding regions in the trimeric chaperone Skp for outer membrane proteins. Skp is known to facilitate the passage of unfolded outer membrane proteins (OMPs) through the periplasm to the outer membrane (OM). A gene construct named “synthetic chaperone protein (scp)” gene was used to express a fusion protein (Scp) into the cytoplasm of E. coli. The scp gene was used as a template to design mutants of Scp suitable for structural and functional studies using site-directed spectroscopy. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) was used to identify distances in Skp-OmpA complexes that separate regions in Scp and in outer membrane protein A (OmpA) from E. coli. For this study, single cysteine (Cys) mutants and single Cys - single tryptophan (Trp) double mutants of Scp were prepared. For FRET experiments, the cysteines were labeled with the tryptophan fluorescence energy acceptor IAEDANS. Single Trp mutants of OmpA were used as fluorescence energy donors. In the second part of this thesis, the function of BamD and the structure of BamD-Scp complexes were examined. BamD is an essential component of the β-barrel assembly machinery (BAM) complex of the OM of Gram-negative bacteria. Fluorescence spectroscopy was used to probe the interactions of BamD with lipid membranes and to investigate the interactions of BamD with possible partner proteins from the periplasm and from the OM. A range of single cysteine (Cys) and single tryptophan (Trp) mutants of BamD were prepared. A very important conclusion from the extensive FRET study is that the essential lipoprotein BamD interacts and binds to the periplasmic chaperone Skp. BamD contains tetratrico peptide repeat (TPR) motifs that are suggested to serve as docking sites for periplasmic chaperones such as Skp.

"A Sequence in Subdomain 2 of DBL1a of Plasmodium falciparum Erythrocyte Membrane Protein 1 Induces Strain Transcending Antibodies"

Immunity to severe malaria is the first level of immunity acquired to Plasmodium falciparum. Antibodies to the variant antigen PfEMP1 (P. falciparum erythrocyte membrane protein 1) present at the surface of the parasitized red blood cell (pRBC) confer protection by blocking microvascular sequestration. Here we have generated antibodies to peptide sequences of subdomain 2 of PfEMP1-DBL1a previously identified to be associated with severe or mild malaria. A set of sera generated to the amino acid sequence KLQTLTLHQVREYWWALNRKEVWKA, containing the motif ALNRKE, stained the live pRBC. 50% of parasites tested (7/14) were positive both in flow cytometry and immunofluorescence assays with live pRBCs including both laboratory strains and in vitro adapted clinical isolates. Antibodies that reacted selectively with the sequence REYWWALNRKEVWKA in a 15-mer peptide array of DBL1a-domains were also found to react with the pRBC surface. By utilizing a peptide array to map the binding properties of the elicited anti-DBL1a antibodies, the amino acids WxxNRx were found essential for antibody binding. Complementary experiments using 135 degenerate RDSM peptide sequences obtained from 93 Ugandan patient-isolates showed that antibody binding occurred when the amino acids WxLNRKE/D were present in the peptide. The data suggests that the ALNRKE sequence motif, associated with severe malaria, induces strain-transcending antibodies that react with the pRBC surface

A sequence in subdomain 2 of DBL1 alpha of plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1 induces strain transcending antibodies

Immunity to severe malaria is the first level of immunity acquired to Plasmodium falciparum. Antibodies to the variant antigen PfEMP1 (P. falciparum erythrocyte membrane protein 1) present at the surface of the parasitized red blood cell (pRBC) confer protection by blocking microvascular sequestration. Here we have generated antibodies to peptide sequences of subdomain 2 of PfEMP1-DBL1 alpha previously identified to be associated with severe or mild malaria. A set of sera generated to the amino acid sequence KLQTLTLHQVREYWWALNRKEVWKA, containing the motif ALNRKE, stained the live pRBC. 50% of parasites tested (7/14) were positive both in flow cytometry and immunofluorescence assays with live pRBCs including both laboratory strains and in vitro adapted clinical isolates. Antibodies that reacted selectively with the sequence REYWWALNRKEVWKA in a 15-mer peptide array of DBL1 alpha-domains were also found to react with the pRBC surface. By utilizing a peptide array to map the binding properties of the elicited anti-DBL1 alpha antibodies, the amino acids WxxNRx were found essential for antibody binding. Complementary experiments using 135 degenerate RDSM peptide sequences obtained from 93 Ugandan patient-isolates showed that antibody binding occurred when the amino acids WxLNRKE/D were present in the peptide. The data suggests that the ALNRKE sequence motif, associated with severe malaria, induces strain-transcending antibodies that react with the pRBC surface.

Polimorfismos del gen Butirilcolinesterasa responsables de reacciones adversas en pacientes consumidores de “cocaína”

La butirilcolinesterasa humana (BChE; EC 3.1.1.8) es una enzima polimórfica sintetizada en el hígado y en el tejido adiposo, ampliamente distribuida en el organismo y encargada de hidrolizar algunos ésteres de colina como la procaína, ésteres alifáticos como el ácido acetilsalicílico, fármacos como la metilprednisolona, el mivacurium y la succinilcolina y drogas de uso y/o abuso como la heroína y la cocaína. Es codificada por el gen BCHE (OMIM 177400), habiéndose identificado más de 100 variantes, algunas no estudiadas plenamente, además de la forma más frecuente, llamada usual o silvestre. Diferentes polimorfismos del gen BCHE se han relacionado con la síntesis de enzimas con niveles variados de actividad catalítica. Las bases moleculares de algunas de esas variantes genéticas han sido reportadas, entre las que se encuentra las variantes Atípica (A), fluoruro-resistente del tipo 1 y 2 (F-1 y F-2), silente (S), Kalow (K), James (J) y Hammersmith (H). En este estudio, en un grupo de pacientes se aplicó el instrumento validado Lifetime Severity Index for Cocaine Use Disorder (LSI-C) para evaluar la gravedad del consumo de “cocaína” a lo largo de la vida. Además, se determinaron Polimorfismos de Nucleótido Simple (SNPs) en el gen BCHE conocidos como responsables de reacciones adversas en pacientes consumidores de “cocaína” mediante secuenciación del gen y se predijo el efecto delos SNPs sobre la función y la estructura de la proteína, mediante el uso de herramientas bio-informáticas. El instrumento LSI-C ofreció resultados en cuatro dimensiones: consumo a lo largo de la vida, consumo reciente, dependencia psicológica e intento de abandono del consumo. Los estudios de análisis molecular permitieron observar dos SNPs codificantes (cSNPs) no sinónimos en el 27.3% de la muestra, c.293A>G (p.Asp98Gly) y c.1699G>A (p.Ala567Thr), localizados en los exones 2 y 4, que corresponden, desde el punto de vista funcional, a la variante Atípica (A) [dbSNP: rs1799807] y a la variante Kalow (K) [dbSNP: rs1803274] de la enzima BChE, respectivamente. Los estudios de predicción In silico establecieron para el SNP p.Asp98Gly un carácter patogénico, mientras que para el SNP p.Ala567Thr, mostraron un comportamiento neutro. El análisis de los resultados permite proponer la existencia de una relación entre polimorfismos o variantes genéticas responsables de una baja actividad catalítica y/o baja concentración plasmática de la enzima BChE y algunas de las reacciones adversas ocurridas en pacientes consumidores de cocaína.

Development of a decision support system for the integrated control of membrane bioreactors

The work presented in this PhD thesis includes various partial studies aimed at developing a decision support system for membrane bioreactor integrated control. The decision support systems (DSS) have as a main goal to facilitate the operation of complex processes due to the multiple variables that are processed. For this reason, the research used has focused on aspects related to nutrient removal, and on the development of indicators or sensors capable of facilitating, automating and controlling the filtration process in an integrated way with the biological processes that taking place. Work has also been done on the design, development, implementation and validation of tools based on the knowledge made available by the automatic control and the supervision of the MBRs

Development of an air-scour control system for membrane bioreactors

The thesis involves the development and implementation of a new and robust control system based on permeability trends but at the same time capable of reducing aeration proportionally to permeate flux. Permeability was made a key parameter for directly comparing temporary changes in membrane performance. Transmembrane pressure and flux were gathered every 10 seconds and permeability values were automatically calculated; different mathematical algorithms were applied for the signal filtering of on-line data. Short term and long term permeability trends were compared once a day, and a control action was applied proportionally to the short term/long term permeability ratio without exceeding the aeration flow recommended by the membrane suppliers.

Estudi estructural, ultraestructural i histoquímic de les glàndules sexuals accessòries del mascle reproductor porcí (Sus domesticus)

El present treball analitza al microscopi òptic i al microscopi electrònic de transmissió les glàndules sexuals accessòries de Sus domesticus (raça Landrace - varietat anglesa) a partir de mascles reproductors porcins adults i sans. Un millor coneixement dels patrons estructural i ultraestructural normals de las glàndules sexuals accessòries permetrà diagnosticar amb facilitat quina ha estat l'estructura o la funció glandular afectada en mascles en els que s'observa una disminució de la qualitat del semen. Per altra banda, els estudis anatomopatològics s'han de complementar amb tècniques histoquímiques que generalment permeten confirmar o excloure un diagnòstic histopatològic previ. Les glàndules sexuals accessòries del mascle reproductor porcí estan molt desenvolupades i inclouen les glàndules vesiculars, la pròstata i les glàndules bulbouretrals. L'epiteli secretor de les glàndules vesiculars està format per cèl·lules columnars, cèl·lules basals i mastòcits. Les cèl·lules columnars es caracteritzen per presentar tres morfologies diferents que es consideren diferents estadis d'un mateix tipus cel·lular: les cèl·lules principals, les cèl·lules clares i les cèl·lules denses. Les cèl·lules principals secreten activament glicoproteïnes N- i O- glicosilades amb residus d'α-L-fucosa, α(16)fucosa, α-D-mannosa, α-D-glucosa, α- i -D-N-acetilgalactosamina, -D-galactosa-(13)-D-N-acetilgalactosamina, α-D-galactosa, galactosa-(14)-N-acetilglucosamina, D-N-acetilglucosamina i àcid neuramínic. Aquestes glicoproteïnes afavoreixen les interaccions entre l'espermatozoide i l'occit i regulen la permeabilitat de la membrana espermàtica. La pròstata està formada per dues porcions glandulars, el cos de la pròstata (BP) y la pròstata disseminada (DP), entre las quals s'observen diferencies estructurals, ultraestructurals, histoquímiques i funcionals. En ambdues porcions, l'epiteli secretor està constituït per cèl·lules columnars principals, denses i cèl·lules basals, i també per cèl·lules cúbiques en el BP i per cèl·lules mucoses en la DP. En ambdues porcions glandulars, se sintetitzen i secreten N- i O- glicoproteïnes neutres i àcides. Aquestes glicoproteïnes s'alliberen mitjançant un mecanisme regulat en el BP y mitjançant un mecanisme regulat i un constitutiu en la DP. Les glucoproteïnes luminals del BP contenen residus de fucosa, mannosa, α- i -D-N-acetilgalactosamina, galactosa-(14)-N-acetilglucosamina, D-N-acetilglucosamina i àcid neuramínic. En la DP les glicoproteïnes presenten, a més, -D-galactosa-(13)-D-N-acetilgalactosamina i α-D-galactosa. Les glicoproteïnes secretades en el BP i en la DP per via regulada, participen en el control de l'estabilitat del plasmalemma dels espermatozoides, eviten la resposta immune uterina i l'aglutinació dels espermatozoides i afavoreixen la seva motilitat progressiva. Les glicoproteïnes secretades per via constitutiva en la DP protegeixen i lubrifiquen la uretra pelviana. L'epiteli secretor de les glàndules bulbouretrals està format per cèl·lules piramidals principals i denses. Les cèl·lules principals sintetitzen i secreten principalment O-glicoproteïnes àcides carboxilades i sulfatades amb residus glicosídics d'N-acetilgalactosamina, -D-galactosa-(13)-D-N-acetilgalactosamina, α-D-galactosa, D-N-acetilglucosamina i àcid neuramínic. Aquests residus proporcionen resistència a la proteolisi a les O-glicoproteïnes secretades, les quals participen en la lubrificació y protecció de l'epiteli, i intervenen en el control de la permeabilitat del plasmalemma dels espermatozoides i en el transport d'ions al seu través.

Producció i caracterització de variants de la ribonucleasa pancreàtica humana dissenyades per a adquirir propietats citotòxiques

Amb la finalitat d'aprofundir en les bases moleculars de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, es van construir variants derivades de l'HP-RNasa seguint dues estratègies. En la primera, es van generar variants de l'enzim resistents a l'acció de l'inhibidor proteic de les ribonucleases (hRI), substituint residus implicats en la interfície de contacte entre la ribonucleasa i l'hRI. En la segona, es va addicionar el motiu RGD en regions de superfície de la proteïna implicades en la formació del complex amb l'hRI, a fi de promoure la seva interacció amb la membrana plasmàtica de les cèl·lules i a la vegada disminuir l'afinitat de les variants per l'hRI. Es va comprovar que només les variants portadores de substitucions múltiples adquirien la capacitat de resistència a l'hRI. L'estudi del percentatge d'inhibició de la síntesi proteica en cèl·lules incubades amb cadascuna de les variants va mostrar que només dues de les variants construïdes havien adquirit propietats citotòxiques. La citotoxicitat més elevada la va presentar una variant que no era resistent a l'hRI, amb valors que eren només entre 5 i 15 vegades inferiors als de l'onconasa. Aquest resultat demostrà que la sensibilitat a l'hRI no és necessàriament un paràmetre limitant per a la citotoxicitat de les ribonucleases. Cap de les variants que incorporava un motiu RGD presentà citotoxicitat, evidenciant que aquest motiu no és efectiu a fi de dotar les ribonucleases pancreàtiques de propietats citotòxiques. Es van estudiar les bases moleculars de la citotoxicitat de la variant més citotòxica. En primer lloc, l'anàlisi de la internalització per marcatge radioactiu d'aquesta variant en relació amb l'onconasa i amb altres variants de l'HP-RNasa no citotòxiques, va posar en evidència que només l'onconasa era internalitzada eficientment. Es descartava així la possibilitat que l'acció citotòxica de l'enzim estudiat fos conseqüència d'una major eficiència d'endocitosi. També es va comprovar que l'addició del motiu RGD no era capaç de promoure la internalització de les proteïnes amb més eficàcia. Per microscòpia confocal de fluorescència, les variants humanes només es van començar a detectar a l'interior de la cèl·lula a partir de les 24 h d'incubació. Totes les variants generades van presentar una eficiència catalítica superior al 50 % de l'activitat de la seva proteïna parental, PM5, indicant que probablement l'estructura del centre actiu no havia estat afectada de manera dràstica per les substitucions introduïdes. No obstant, en tots els casos es va produir una disminució en la termoestabilitat respecte a PM5. Aquest resultat indicà que la correlació descrita a la bibliografia entre l'increment de termoestabilitat i l'increment de citotoxicitat per les ribonucleases no sempre es compleix. Per microscòpia confocal es va comprovar que tant la proteïna més citotòxica, com una variant no citotòxica resistent a l'hRI, així com la proteïna parental, seguien la via de degradació lisosomal. Aquesta ruta de trànsit no va ser afectada per l'addició de drogues que alteren les vies de trànsit retrògrad (monensina i brefeldina A), però sí per l'addició de la bafilomicina A1, una droga que neutralitza el pH endosomal i que va actuar alentint el trànsit de les proteïnes als lisosomes. D'acord amb aquests resultats, els valors de citotoxicitat de les variants es van incrementar de manera significativa només en presència de bafilomicina A1, suggerint que les ribonucleases transloquen al citoplasma a partir d'algun punt de la via de trànsit endosomal. Es va comprovar que l'acció de la variant més citotòxica era deguda a que l'addició d'un segon motiu de tres Arg en PE5 dota a aquesta proteïna amb un senyal de transport nuclear. La fracció d'enzim que aconsegueix translocar al citoplasma a partir d'algun punt de la via endosomal previ als lisosomes, és conduït ràpidament al nucli de la cèl·lula per mitjà del mecanisme clàssic de transport actiu. Per la seva afinitat amb l'rRNA, l'enzim es concentra en el nuclèol, on probablement duu a terme la seva activitat catalítica. La interacció d'aquesta variant amb els receptors nucleocitoplasmàtics, les importines, impediria per altra banda el bloqueig de l'enzim per part de l'hRI. Els resultats obtinguts presenten una nova estratègia de disseny de ribonucleases citotòxiques, basada en l'addició de segments NLS a fi de promoure el transport nuclear dels enzims. Aquesta estratègia podria permetre superar limitacions que fins al moment han estat descrites com a limitants de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, com la sensibilitat a l'hRI o la baixa eficiència d'internalització.

Contribution of antioxidant enzymes to toxicity assessment in fluvial biofilms

Per tal d’avaluar l’impacte de la contaminació en els ecosistemes aquàtics, aquesta tesi es centra en una aproximació multi-biomarcador en els biofilms. En complement dels biomarcadors clàssics, es va demostrar que les activitats dels enzims antioxidants (AEA): catalasa, ascorbat peroxidasa i glutatió reductasa eren biomarcardors d'estrès oxidatiu en els biofilms. Tot i que les AEA poden veure's influenciades amb la mateixa mesura per factors naturals (edat del biofilm, llum de colonització o d'exposició) i contaminants (herbicides i farmacèutics), aquestes AEA permeten entendre millor l'efecte dels contaminants. Cal remarcar que assajos de toxicitat aguda es poden utilitzar per comparar la capacitat antioxidant entre comunitats i conèixer la seva pre-exposició a l'estrès oxidatiu. Aquesta aproximació multi-biomarcador a nivell de comunitat és especialment interessant per avaluar la toxicitat dels contaminants emergents (β-blockers) sobre espècies no-diana. Per tal de millorar-la, també es va verificar la possibilitat de mesurar l'expressió gènica en biofilms.

The effects of extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) on auditory brainstem responses (ABR) in neonates

This paper presents a study of the effects of extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) on the auditory brainstem response (ABR) of twenty-three neonates, and whether there was asymmetric ABRs in the neonates who had ECMO.

The variation in transparency of amniotic membrane used in ocular surface regeneration

Background/aims: Scant consideration has been given to the variation in structure of the human amniotic membrane (AM) at source or to the significance such differences might have on its clinical transparency. Therefore, we applied our experience of quantifying corneal transparency to AM. Methods: Following elective caesarean, AM from areas of the fetal sac distal and proximal (ie, adjacent) to the placenta was compared with freeze-dried AM. The transmission of light through the AM samples was quantified spectrophotometrically; also, tissue thickness was measured by light microscopy and refractive index by refractometry. Results: Freeze-dried and freeze-thawed AM samples distal and proximal to the placenta differed significantly in thickness, percentage transmission of visible light and refractive index. The thinnest tissue (freeze-dried AM) had the highest transmission spectra. The thickest tissue (freeze-thawed AM proximal to the placenta) had the highest refractive index. Using the direct summation of fields method to predict transparency from an equivalent thickness of corneal tissue, AM was found to be up to 85% as transparent as human cornea. Conclusion: When preparing AM for ocular surface reconstruction within the visual field, consideration should be given to its original location from within the fetal sac and its method of preservation, as either can influence corneal transparency.

Exploring the enzymatic landscape: distribution and kinetics of hydrolytic enzymes in soil particle-size fractions

The location of extracellular enzymes within the soil architecture and their association with the various soil components affects their catalytic potential. A soil fractionation study was carried out to investigate: (a) the distribution of a range of hydrolytic enzymes involved in C, N and P transformations, (b) the effect of the location on their respective kinetics, (c) the effect of long-term N fertilizer management on enzyme distribution and kinetic parameters. Soil (silty clay loam) from grassland which had received 0 or 200 kg N ha(-1) yr(-1) was fractionated, and four particle-size fractions (> 200, 200-63, 63-2 and 0. 1-2 mum) were obtained by a combination of wet-sieving and centrifugation, after low-energy ultrasonication. All fractions were assayed for four carbohydrases (beta-cellobiohydrolase, N-acetyl-beta-glucosammidase, beta-glucosidase and beta-xylosidase), acid phosphatase and leucine-aminopeptidase using a microplate fluorimetric assay based on MUB-substrates. Enzyme kinetics (V-max and K-m) were estimated in three particle-size fractions and the unfractionated soil. The results showed that not all particle-size fractions were equally enzymatically active and that the distribution of enzymes between fractions depended on the enzyme. Carbohydrases predominated in the coarser fractions while phosphatase and leucine-aminopeptidase were predominant in the clay-size fraction. The Michaelis constant (K.) varied among fractions, indicating that the association of the same enzyme with different particle-size fractions affected its substrate affinity. The same values of Km were found in the same fractions from the soil under two contrasting fertilizer management regimes, indicating that the Michaelis constant was unaffected by soil changes caused by N fertilizer management. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Differentiation status of limbal epithelial cells cultured on intact and denuded amniotic membrane before and after air-lifting

We have investigated differences in bovine limbal epithelial cell differentiation when expanded upon intact (amniotic epithelial cells and basement membrane remaining) and denuded human amniotic membrane, a commonly used substrate in ophthalmic surgery for corneal stem cell transplantation. Ex vivo expansion of the epithelial cells, in supplemented media, continued for 2 weeks followed by 1 week under ‘air-lifting’ conditions. Before and after air-lifting the differentiated (K3/K12 positive) and undifferentiated (K14 positive) cells were quantified by immunohistochemistry, Western blotting and quantitative PCR. Limbal epithelial cells expanded upon amniotic membrane formed 4-6 stratified layers, both on intact and denuded amniotic membrane. On denuded amniotic membrane the proportion of differentiated cells remained unaltered following airlifting. Within cells grown on intact amniotic membrane, however, the number of differentiated cells increased significantly following air-lifting. These results have important implications for both basic and clinical research. Firstly, they show that bovine limbal epithelia can be used as an alternative source of cells for basic research investigating ex vivo limbal stem cells expansion. Secondly, these findings serve as a warning to clinicians that the affect of amniotic membrane on transplantable cells is not fully understood; the use of intact or denuded amniotic membrane can produce different results in terms of the amount of differentiation, once cells are exposed to the air.

A further study of the recovery and purification of surfactin from fermentation broth by membrane filtration

Surfactin is a bacterial lipopeptide produced by Bacillus subtilis and is a powerful surfactant, having also antiviral, antibacterial and antitumor properties. The recovery and purification of surfactin from complex fermentation broths is a major obstacle to its commercialization; therefore, a two-step membrane filtration process was developed using a lab scale tangential flow filtration (TFF) unit with 10 kDa MWCO regenerated cellulose (RC) and polyethersulfone (PES)membranes at three different transmembrane pressure (TMP) of 1.5 bar, 2.0 bar and 2.5 bar. Two modes of filtrations were studied, with and without cleaning of membranes prior to UF-2. In a first step of ultrafiltration (UF-1), surfactin was retained effectively by membranes at above its critical micelle concentration (CMC); subsequently in UF-2, the retentate micelles were disrupted by addition of 50% (v/v) methanol solution to allow recovery of surfactin in the permeate. Main protein contaminants were effectively retained by the membrane in UF-2. Flux of permeates, rejection coefficient (R) of surfactin and proteinwere measured during the filtrations. Overall the three different TMPs applied have no significant effect in the filtrations and PES is the more suitable membrane to selectively separate surfactin from fermentation broth, achieving high recovery and level of purity. In addition this two-step UF process is scalable for larger volume of samples without affecting the original functionality of surfactin, although membranes permeability can be affected due to exposure to methanolic solution used in UF-2.