DNA sequencing and genotyping by transcriptional synthesis of chain-terminated RNA ladders and MALDI-TOF mass spectrometry

Sets of RNA ladders can be synthesized by transcription of a bacteriophage-encoded RNA polymerase using 3′-deoxynucleotides as chain terminators. These ladders can be used for sequencing of DNA. Using a nicked form of phage SP6 RNA polymerase in this study substantially enhanced yields of transcriptional sequencing ladders. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) of chain-terminated RNA ladders allowed DNA sequence determination of up to 56 nt. It is also demonstrated that A→G and C→T variations in heterozygous and homozygous samples can be unambiguously identified by the mass spectrometric analysis. As a step towards single-tube sequencing reactions, α-thiotriphosphate nucleotide analogs were used to overcome problems caused by chain terminator-independent, premature termination and by the small mass difference between natural pyrimidine nucleotides.

Attomole level protein sequencing by Edman degradation coupled with accelerator mass spectrometry

Edman degradation remains the primary method for determining the sequence of proteins. In this study, accelerator mass spectrometry was used to determine the N-terminal sequence of glutathione S-transferase at the attomole level with zeptomole precision using a tracer of 14C. The transgenic transferase was labeled by growing transformed Escherichia coli on [14C]glucose and purified by microaffinity chromatography. An internal standard of peptides on a solid phase synthesized to release approximately equal amounts of all known amino acids with each cycle were found to increase yield of gas phase sequencing reactions and subsequent semimicrobore HPLC as did a lactoglobulin carrier. This method is applicable to the sequencing of proteins from cell culture and illustrates a path to more general methods for determining N-terminal sequences with high sensitivity.

Complex mtDNA constitutes an approximate 620-kb insertion on Arabidopsis thaliana chromosome 2: Implication of potential sequencing errors caused by large-unit repeats

Previously conducted sequence analysis of Arabidopsis thaliana (ecotype Columbia-0) reported an insertion of 270-kb mtDNA into the pericentric region on the short arm of chromosome 2. DNA fiber-based fluorescence in situ hybridization analyses reveal that the mtDNA insert is 618 ± 42 kb, ≈2.3 times greater than that determined by contig assembly and sequencing analysis. Portions of the mitochondrial genome previously believed to be absent were identified within the insert. Sections of the mtDNA are repeated throughout the insert. The cytological data illustrate that DNA contig assembly by using bacterial artificial chromosomes tends to produce a minimal clone path by skipping over duplicated regions, thereby resulting in sequencing errors. We demonstrate that fiber-fluorescence in situ hybridization is a powerful technique to analyze large repetitive regions in the higher eukaryotic genomes and is a valuable complement to ongoing large genome sequencing projects.

DNA sequencing by delayed extraction-matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry.

Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) time of flight mass spectrometry was used to detect and order DNA fragments generated by Sanger dideoxy cycle sequencing. This was accomplished by improving the sensitivity and resolution of the MALDI method using a delayed ion extraction technique (DE-MALDI). The cycle sequencing chemistry was optimized to produce as much as 100 fmol of each specific dideoxy terminated fragment, generated from extension of a 13-base primer annealed on 40- and 50-base templates. Analysis of the resultant sequencing mixture by DE-MALDI identified the appropriate termination products. The technique provides a new non-gel-based method to sequence DNA which may ultimately have considerable speed advantages over traditional methodologies.

Mass spectrometric amino acid sequencing of a mixture of seed storage proteins (napin) from Brassica napus, products of a multigene family.

The amino acid sequences of a number of closely related proteins ("napin") isolated from Brassica napus were determined by mass spectrometry without prior separation into individual components. Some of these proteins correspond to those previously deduced (napA, BngNAP1, and gNa), chiefly from DNA sequences. Others were found to differ to a varying extent (BngNAP1', BngNAP1A, BngNAP1B, BngNAP1C, gNa', and gNaA). The short chains of gNa and gNa' and of BngNAP1 and BngNAP1' differ by the replacement of N-terminal proline by pyroglutamic acid; the long chains of gNaA and BngNAP1B contain a six amino acid stretch, MQGQQM, which is present in gNa (according to its DNA sequence) but absent from BngNAP1 and BngNAP1C. These alternations of sequences between napin isoforms are most likely due to homologous recombination of the genetic material, but some of the changes may also be due to RNA editing. The amino acids that follow the untruncated C termini of those napin chains for which the DNA sequences are known (napA, BngNAP1, and gNa) are aromatic amino acids. This suggests that the processing of the proprotein leading to the C termini of the two chains is due to the action of a protease that specifically cleaves a G/S-F/Y/W bond.

A DNA sequencing strategy that requires only five bases of known terminal sequence for priming.

We have previously reported an enhanced version of sequencing by hybridization (SBH), termed positional SBH (PSBH). PSBH uses partially duplex probes containing single-stranded 3' overhangs, instead of simple single-stranded probes. Stacking interactions between the duplex probe and a single-stranded target allow us to reduce the probe sizes required to 5-base single-stranded overhangs. Here we demonstrate the use of PSBH to capture relatively long single-stranded DNA targets and perform standard solid-state Sanger sequencing on these primer-template complexes without ligation. Our results indicate that only 5 bases of known terminal sequence are required for priming. In addition, the partially duplex probes have the ability to capture their specific target from a mixture of five single-stranded targets with different 3'-terminal sequences. This indicates the potential utility of the PSBH approach to sequence mixtures of DNA targets without prior purification.

Cloning and sequencing of CATR1.3, a human gene associated with tumorigenic conversion.

The human squamous cell carcinoma cell line SCC83-01-82 (SCC) contains mutations in both the H-ras and p53 genes, but it exhibits a nontumorigenic phenotype in nude mice. This cell line can be converted into a cell line with a tumorigenic phenotype, SCC83-01-82CA (CA), by treatment with the mutagen methyl methanesulfonate (MMS). This indicates that additional genetic events leading to expression of a cooperating tumor susceptibility gene(s) may be required for tumorigenicity. To identify the cooperating gene(s), an expression cDNA library was made from tumorigenic Ca cells. The library DNA was transfected into nontumorigenic SCC cells and the transfected SCC cells were then injected into nude mice for the selection of a tumorigenic phenotype. Tumors developed in 3 of the 18 mice after injection. Several new cell lines were established from these transfected cell-induced tumors and designated as CATR cells. Tumor histology and karyotype analysis of these cells indicated that they were of human epithelial cell origin. All the CATR cells have the library vector sequence integrated in their genome. Cell line CATR1 expressed a single message from the integrated library representing a 1.3-kb cDNA insert that was absent from untransfected SCC cells or MMS-converted CA cells. This 1.3-kb cDNA insert was cloned by PCR amplification of reverse-transcribed CATR1 total RNA and was designated CATR1.3. The nucleotide sequence of CATR1.3 encodes a peptide of 79 amino acids, has a long 3' untranslated region, and represents an unknown gene product that was associated with the tumorigenic conversion due to the transfected expression library.

Rapid mass spectrometric peptide sequencing and mass matching for characterization of human melanoma proteins isolated by two-dimensional PAGE.

We report a general mass spectrometric approach for the rapid identification and characterization of proteins isolated by preparative two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis. This method possesses the inherent power to detect and structurally characterize covalent modifications. Absolute sensitivities of matrix-assisted laser desorption ionization and high-energy collision-induced dissociation tandem mass spectrometry are exploited to determine the mass and sequence of subpicomole sample quantities of tryptic peptides. These data permit mass matching and sequence homology searching of computerized peptide mass and protein sequence data bases for known proteins and design of oligonucleotide probes for cloning unknown proteins. We have identified 11 proteins in lysates of human A375 melanoma cells, including: alpha-enolase, cytokeratin, stathmin, protein disulfide isomerase, tropomyosin, Cu/Zn superoxide dismutase, nucleoside diphosphate kinase A, galaptin, and triosephosphate isomerase. We have characterized several posttranslational modifications and chemical modifications that may result from electrophoresis or subsequent sample processing steps. Detection of comigrating and covalently modified proteins illustrates the necessity of peptide sequencing and the advantages of tandem mass spectrometry to reliably and unambiguously establish the identity of each protein. This technology paves the way for studies of cell-type dependent gene expression and studies of large suites of cellular proteins with unprecedented speed and rigor to provide information complementary to the ongoing Human Genome Project.

Fluorescence energy transfer dye-labeled primers for DNA sequencing and analysis.

Fluorescent dye-labeled DNA primers have been developed that exploit fluorescence energy transfer (ET) to optimize the absorption and emission properties of the label. These primers carry a fluorescein derivative at the 5' end as a common donor and other fluorescein and rhodamine derivatives attached to a modified thymidine residue within the primer sequence as acceptors. Adjustment of the donor-acceptor spacing through the placement of the modified thymidine in the primer sequence allowed generation of four primers, all having strong absorption at a common excitation wavelength (488 nm) and fluorescence emission maxima of 525, 555, 580, and 605 nm. The ET efficiency of these primers ranges from 65% to 97%, and they exhibit similar electrophoretic mobilities by gel electrophoresis. With argon-ion laser excitation, the fluorescence of the ET primers and of the DNA sequencing fragments generated with ET primers is 2- to 6-fold greater than that of the corresponding primers or fragments labeled with single dyes. The higher fluorescence intensity of the ET primers allows DNA sequencing with one-fourth of the DNA template typically required when using T7 DNA polymerase. With single-stranded M13mp18 DNA as the template, a typical sequencing reaction with ET primers on a commercial sequencer provided DNA sequences with 99.8% accuracy in the first 500 bases. ET primers should be generally useful in the development of other multiplex DNA sequencing and analysis methods.

Avaliação do crescimento de Ankistrodesmus braunii em reator tubular empregando diferentes concentrações de nitrato em diferentes condições de cultivo

Microalgas são organismos unicelulares, eucariontes, fotossintetizantes e eficientes fixadores de gás carbônico que apresentam grande potencial para produção de ácidos graxos além de pigmentos, como os carotenóides e a clorofila, de interesse nas indústrias de alimentos, química, farmacêutica e de cosméticos. Dentre as microalgas, o microrganismo Ankistrodesmus braunii vem sendo citado como capaz de produzir grandes quantidades de lipídios, podendo corresponder a até 73% de sua massa seca, com produção de ácidos graxos insaturados, como o ácido linolênico. Esse microrganismo se destaca do ponto de vista industrial por poder ser conduzido em reatores e em meios de cultivo complexos. As fontes de nitrogênio, as concentrações empregadas destes nutrientes, bem como o tipo de processo de cultivo interferem na composição de biomassas fotossintetizantes. O uso de reatores tubulares tem sido estudado e tem se apresentado interessante por permitir a obtenção de altas concentrações celulares. Nesse sentido, este trabalho teve a finalidade de estudar o crescimento de Ankistrodesmus braunii em reator tubular com uso de diferentes quantidades de nitrato de sódio por processos descontínuo, descontínuo alimentado e semi-contínuo. Nos cultivos descontínuos, a máxima concentração celular (Xm) encontrada foi de 1588 ± 11 mg.L-1 com uso de 20 mM de NaNO3. O uso do processo descontínuo alimentado, o qual teve adição de 20 mM de NaNO3 feito num intervalo a cada 48 horas sendo iniciada a adição no primeiro dia, permitiu a obtenção de Xm = 2753 ± 7 mg.L-1; porém não foi possível eliminar a fase lag do cultivo, levando a uma produtividade em células (Px) de 351 ± 1 mg.L-1.dia-1. O processo semi-contínuo foi eficiente para eliminar a fase lag do cultivo, permitindo a obtenção de Xm = 2399 ± 5 mg.L-1 e um aumento de até 50% em Px, que chegou a valores de 525 ± 1 mg.L-1.dia-1 em cultivos com uso de 20 mM de NaNO3. Nesta condição os teores de proteínas e lipídios nas biomassas foram de 34,8 ± 0,2% e 38,6 ± 0,2%, respectivamente. Foi observado que, independentemente do tipo de processo empregado, há um decréscimo do valor do fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N) com o aumento da adição de NaNO3. O maior valor de YX/N foi obtido no experimento com processo semi-contínuo e uso de 2 mM de NaNO3 no meio de cultivo, com valor médio de 29,1 ± 0,1 mg mg-1 ao final do segundo ciclo. Porém, nesta condição, o teor de proteínas da biomassa foi de 17,3 ± 0,4%. Já os maiores valores de YX/N encontrados nos processos descontínuo e descontínuo alimentado foram, respectivamente, de 22,5 ± 1,6 e 7,1 ± 0,1 mg mg-1. Os resultados obtidos neste trabalho evidenciam o potencial de Ankistrodesmus braunii como fonte de proteínas e lipídios para uso industrial.

Produção de biohidrogênio a partir de soro de leite em AnSBBR com recirculação da fase líquida

O presente estudo investigou a aplicação de dois tipos de AnSBBR (reatores anaeróbio com biofilme e operados em batelada e batelada alimentada sequenciais: com recirculação da fase líquida e com agitação) para produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética (a base de soro de leite e lactose, respectivamente). O AnSBBR com recirculação da fase líquida, que foi o estudo principal do presente trabalho, apresentou problemas na produção de hidrogênio utilizando soro de leite como substrato. Algumas alternativas, como adaptação da biomassa com substratos puros de degradação mais fácil, controle do pH em valores muito baixos e diferentes formas de inoculação foram testadas, entretanto, sem obtenção de sucesso. A solução do problema foi obtida ao refrigerar o meio de alimentação a 4ºC para evitar a fermentação no frasco de armazenamento, retirar a ureia e a suplementação de nutrientes, e realizar lavagens periódicas do material suporte para retirada de parte da biomassa. Dessa forma eliminaram-se indícios de produção de H2S por possível ação de bactérias redutoras de sulfato (BRS) e atingiu-se uma produção estável de hidrogênio sem, entretanto, eliminar completamento o metano, que foi produzido em baixas concentrações. Depois de atingida a estabilidade, investigou-se a influência da concentração afluente de substrato, do tempo de enchimento e da temperatura na produção de biohidrogênio no AnSBBR com recirculação da fase líquida tratando soro de leite. O estudo da concentração afluente apresentou um ponto ótimo para a concentração de 5400 mgDQO.L-1, atingindo valores de 0,80 mol H2.mol-1 lactose e de 660 mL H2.L-1.d-1. O estudo do tempo de enchimento apresentou resultados similares para as condições analisadas. Com relação à temperatura, os melhores resultados foram obtidos com a temperatura mais baixa testada de 15ºC (1,12 mol H2.mol lactose-1 e 1080 mL H2.L-1.d-1), sendo que na temperatura mais alta testada (45°C) não ocorreu produção de hidrogênio. Para o AnSBBR com agitação mecânica, que foi um estudado complementar realizado pelo fato da lactose ser o principal complemento do soro de leite, o desempenho do biorreator foi avaliado de acordo com influência conjunta do tempo de ciclo (tC – 2, 3 e 4 h), da concentração afluente (CSTA – 3600-5400 mgDQO.L-1) e da carga orgânica volumétrica aplicada (COAV – 9,3, 12,3, 13,9, 18,5 e 27,8 mgDQO.L-1.d-1). Foram obtidos excelentes resultados: consumos de carboidratos (lactose), com valores médios sempre acima de 90% e uma produção estável de biohidrogênio em todas as condições estudadas, com metano em baixas concentrações apenas na condição de maior COAV. A diminuição do tC apresentou tendência clara de melhora sobre o RMCRC,n (rendimento molar entre hidrogênio produzido e carboidrato removido) apenas para as condições com menor concentração CSTA, havendo uma relação direta entre CSTA, e RMCRC,n em todos os valores de tC, exceto para o tempo de ciclo de 3 h, exatamente onde ocorreu produção de metano. O melhor valor de RMCRC,n obtido na operação com lactose (1,65 mol H2.mol Carboidrato-1) foi superior aos obtidos em outros trabalhos utilizando a mesma configuração de reator e sacarose como substrato. As análises filogenéticas mostraram que a maioria dos clones analisados foi semelhante à Clostridium. Além destes, clones filogeneticamente semelhantes com a Família Lactobacilaceae, especificamente Lactobacillus rhamnosus foram observados em menor porcentagem no reator, assim como clones com sequências semelhantes a Acetobacter indonesiensis.

Remoção de metil paration e atrazina em reatores de bancada com fungos

Neste estudo foi avaliada a remoção de metil paration - inseticida e atrazina - herbicida presentes em água, em reatores de bancada, com fungos. A pesquisa foi dividida em quatro etapas: operação em batelada com metil paration e micélio fúngico, com e sem glicose; teste de toxicidade em placas com Aspergillus niger AN400; operação em batelada com os pesticidas atrazina e metil paration e esporos de Aspergillus niger AN400, com e sem glicose; e operação em reatores de leito fixo e fluxo ascendente. Na primeira etapa, a remoção de metil paration foi de 97% nos reatores sem glicose e 94% nos reatores com glicose com 32 dias de reação. Na operação em batelada, com esporos, um modelo cinético de primeira ordem representou bem a velocidade de decaimento de metil paration nesta fase, principalmente, nos reatores que continham glicose. Para os experimentos sem adição de glicose, a constante cinética foi de 0,063 ± 0,005/h, enquanto que para os experimentos com glicose a constante foi de 0,162 ± 0,014/h. Dessa forma, a adição de glicose resultou efetivamente em aumento na velocidade de conversão do inseticida. Na fase experimental, com atrazina e esporos de Aspergillus niger AN400, a presença do substrato primário (glicose) não teve influência na remoção de atrazina, sendo que os percentuais de remoção foram muito próximos aos percentuais encontrados nos reatores sem glicose. O estudo cinético, nessa fase com atrazina e esporos, revelou que para os experimentos sem a adição de glicose, o valor da velocidade de conversão de atrazina (RATZo) foi de 0,023/d, enquanto que para os experimentos com glicose (RATZo) foi 0,022/d. Portanto, a adição de glicose parece não ter influenciado significativamente a velocidade de remoção do herbicida por Aspergillus niger AN400. O teste de toxicidade demonstrou que metil paration e atrazina não inibiram o crescimento do fungo nas várias concentrações testadas, inclusive nas mais elevadas, que foram 60 mg/L e 25 mg/L para metil paration e atrazina, respectivamente. No reator de leito fixo a remoção de metil paration foi de 40% com 12 h de tempo de detenção hidráulica, e 0,5 g glicose/L. Porém, quando a concentração de glicose foi duplicada a remoção de metil paration diminuiu para 35%. Neste reator o pH se manteve na faixa ácida 3,4 a 5,2, considerada ideal para os fungos. Os resultados encontrados mostram a viabilidade dos fungos para remoção desses pesticidas, considerados persistentes no ambiente.

Análise dos parâmetros que interferem no metabolismo da microbiota anaeróbia e anóxica na remoção de bifenilas policloradas

A elevada concentração de cloro das bifenilas policloradas provoca alta toxicidade do composto, o qual dificulta sua biodegradação. A contaminação de PCB no Brasil foi confirmada em estudo realizado na Bahia de Santos-São Vicente (São Paulo), o qual revelou a necessidade de um plano de ação para o controle e remoção de PCB no Brasil. Pretendeu-se assim, na realização da presente pesquisa, verificar quatro hipóteses: (1) A técnica de Microextração em fase sólida é uma metodologia eficaz para avaliação de bifenilas policloradas de amostras de reatores; (2) A condição fermentativa-metanogênica abriga comunidade resistente ao PCB, e removê-lo; (3) A condição desnitrificante abriga comunidade resistente ao PCB, e removê-lo e (4) A remoção de PCB, bem como, a composição microbiana é distinta em cada condição metabólica. Para tanto, reatores em batelada foram montados separadamente com biomassa anaeróbia proveniente de reator UASB usado no tratamento de água residuária de avicultura e biomassa de sistemas de lodos ativados de tratamento de esgoto sanitário. Os reatores operados em condição mesófila foram alimentados com meio sintético, co-substratos, sendo etanol (457 mg.L-1) e formiato de sódio (680 mg.L-1) para os reatores anaeróbios, e somente etanol (598 mg.L-1) para os reatores anóxicos, além de PCB padrão Sigma (congêneres PCBs 10, 28, 52, 153, 138 e 180) em diferentes concentrações, dependendo do objetivo do ensaio. A aplicação do método de extração por SPME com análise em cromatógrafo gasoso com detector por captura de elétrons foi adequada para a determinação dos seis congêneres de PCB. Obteve-se ampla faixa de linearidade, seletividade frente aos vários interferentes, além da robustez do método, utilidade e confiabilidade na identificação e quantificação específica dos seis congêneres de PCB. A Hipótese 1 foi aceita; ou seja, por meio da aplicação da metodologia SPME foi possível quantificar os PCB nos reatores em batelada. Apesar de ter sido comprovada a inibição metanogênica na presença de PCB, com IC50 de 0,03 mg.L

Utilização de metanol, etanol e metano como doadores de elétrons para a desnitrificação

Esta tese apresenta e discute os dados obtidos a partir de trabalho experimental projetado para avaliar comparativamente o desempenho de reatores desnitrificantes em batelada, tendo etanol, metanol e gás metano como doadores de elétrons. Os experimentos foram realizados em reatores em escala de bancada. Os ensaios com gás metano objetivaram verificar a efetividade deste sub-produto de reatores anaeróbios em substituir os doadores exógenos de elétrons comumente utilizados, tais como metanol e etanol. Para alcançar o objetivo principal deste trabalho, os parâmetros cinéticos de desnitrificação, para os doadores de elétrons ensaiados, foram determinados nas diferentes condições operacionais. Além disso, as alterações ocorridas na população microbiana, ao longo do período experimental, foram avaliadas em relação à diversidade microbiana, por meio de análises microscópicas (óptica, de fluorescência e eletrônica de varredura) e da técnica de Biologia Molecular de PCR/DGGE. A completa desnitrificação foi alcançada para todos os compostos testados, e o etanol foi o doador de elétrons mais eficiente para a desnitrificação. A melhor razão carbono-nitrogênio para a desnitrificação foi igual a 1,0. Contudo, este parâmetro foi encontrado ser inadequado para utilização no processo de desnitrificação, uma vez que não expressa a capacidade real do composto usado em doar elétrons. A desnitrificação com metano ocorreu tanto na presença como na ausência de oxigênio, embora a baixas velocidades quando comparado com os outros compostos. No entanto, a configuração do reator utilizado neste estudo não foi adequada para promover a efetiva dissolução do gás metano na fase líquida. Por essa razão, sugere-se o desenvolvimento de configurações de reatores apropriadas para minimizar as resistências à transferência de massa da fase gasosa para a líquida e também desta para a biomassa.