Submitted by RONIVALDO RODRIGUES DA SILVA (rds.roni@yahoo.com.br) on 2016-03-01T13:46:53Z No. of bitstreams: 1 Tese Doutorado RONIVALDO R. SILVA.pdf: 3318357 bytes, checksum: 82fadd527a2ede34e2a0a237a881e8f8 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-03-01T18:27:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_rr_dr_sjrp.pdf: 3318357 bytes, checksum: 82fadd527a2ede34e2a0a237a881e8f8 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-01T18:27:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_rr_dr_sjrp.pdf: 3318357 bytes, checksum: 82fadd527a2ede34e2a0a237a881e8f8 (MD5) Previous issue date: 2016-02-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Aspártico (E.C. 3.4.23), cisteíno (E.C. 3.4.22) e serino peptidases (E.C. 3.4.21) são endopeptidases, cujos modos de ação são dependentes de resíduos de ácido aspártico, cisteína e serina presentes no sítio catalítico, respectivamente. Atualmente, vários estudos são realizados na busca por novas enzimas com relevantes propriedades bioquímicas para aplicação industrial. Neste contexto, nós propomos a produção de enzimas em bioprocesso submerso, purificação, estudo das propriedades bioquímicas e determinação da especificidade catalítica das peptidases secretadas pelos fungos filamentosos Rhizomucor miehei, Phanerochaete chrysosporium e Leptosphaeria sp. Inicialmente, após produção por bioprocesso submerso, estas enzimas foram purificadas utilizando cromatografias de exclusão molecular e troca iônica. Em ensaios de inibidores na atividade enzimática, notamos inibição das peptidases por pepstatina A (R. miehei), ácido iodoacético/N-Etilmaleimida (P. chrysosporium) e fluoreto de fenil metil sulfonila (Leptosphaeria sp), sendo então definidas como aspártico, cisteíno e serino peptidases, respectivamente. Por SDS-PAGE (12%), as massas moleculares foram estimadas em 37 kDa (aspártico), 23 kDa (cisteíno) e 35 kDa (serino). O máximo de atividade proteolítica foi alcançado em pH 5,5 e 55 ºC para peptidase aspártica secretada por R. miehei; pH 7 e faixa de temperatura 45-55 ºC para cisteíno peptidase secretada por P. chrysosporium, e pH 7 e 45 ºC para serino peptidase secretada por Leptosphaeria sp. Sob efeito de incubação a diferentes pH, a peptidase aspártica mostrou-se estável em condições ácidas (pH 3-5); cisteíno peptidase foi estável em ampla faixa de pH (pH 4-9), e serino peptidase mostrou-se mais estável em condições com tendências alcalinas e pH ligeiramente ácido (pH 5-9). Em todas estas faixas de pH citadas, as peptidases apresentaram atividade proteolítica acima de 80% por 1 hora de incubação. Quanto à estabilidade térmica, a cisteíno peptidase mostrou-se mais termoestável dentre as três enzimas e serino peptidase descreveu a menor tolerância à temperatura. Em incubação com agentes desnaturantes, observamos redução na atividade proteolítica sob efeito de surfactantes iônicos (0,02-1%): dodecil sulfato de sódio (SDS) e brometo de cetil-trimetil amônio (CTAB); íon cobre II (5 mM); Ditiotreitol (DTT) e guanidina (ambos na faixa de 10-200 mM) para todas as peptidases. Por último, em estudo de especificidade catalítica destas enzimas, observamos a preferência por aminoácidos aromáticos (F e W), básicos (K e R) e apolares (em particular, resíduo de metionina) para peptidase aspártica. Alta especificidade descrita por cisteíno peptidase, cuja preferência catalítica é notória por aminoácidos básicos (K, H e R), especialmente na posição P3 e lisina-dependência para catálise na posição P'3. Em serino peptidase, notamos maior aceitação por aminoácidos apolares (G, I, L, M e V), básicos (H e R) e polares neutros (N e Q) para as diferentes posições avaliadas no substrato. / Aspartic (EC 3.4.23), cysteine (EC 3.4.22) and serine peptidases (EC 3.4.21) are endopeptidases whose modes of action are dependent on aspartic acid, cysteine and serine residues present in the catalytic site, respectively. Currently, several studies are conducted in the search for new enzymes with relevant biochemical properties for industrial application. In this context, we propose the production of enzymes in submerged bioprocess, purification, the study of biochemical properties and determining the catalytic specificity peptidases secreted by the filamentous fungus Rhizomucor miehei, Phanerochaete chrysosporium and Leptosphaeria sp. Initially, after production submerged bioprocess, these enzymes have been purified using size-exclusion and ion exchange chromatographies. In the effect of inhibitors on enzyme activity, we note peptidase inhibition by pepstatin A (R. miehei), iodoacetic acid/ N-Ethylmaleimide (P. chrysosporium) and phenyl methyl sulfonyl fluoride (Leptosphaeria sp), suggesting that these enzymes are aspartic, cysteine and serine peptidases, respectively. For SDS-PAGE (12%), molecular weights were estimated at 37 kDa (aspartic), 23 kDa (cysteine) and 35 kDa (serine). Maximum proteolytic activity was achieved at pH 5.5 and 55 °C for aspartic peptidase secreted by R. miehei; pH 7 and temperature range 45-55 °C for cysteine peptidase secreted by P. chrysosporium and pH 7 and 45 °C for serine peptidase secreted by Leptosphaeria sp. Under incubation at different pH effect, aspartic peptidase was stable under acidic conditions (pH 3-5); cysteine peptidase was stable in wide pH range (pH 4-9), and serine peptidase was more stable under alkaline conditions and pH slightly acidic (pH 5-9). In all these pH ranges mentioned, peptidases showed proteolytic activity above 80% by 1 hour incubation. As regards the thermal stability, cysteine peptidase was more thermostable enzyme and serine peptidase described the lowest temperature tolerance. In incubation with denaturing agents, we observed a decrease in proteolytic activity under the effect of ionic surfactant (0.02-1%) sodium dodecyl sulfate (SDS) bromide and cetyl-trimethyl ammonium bromide (CTAB); copper (II) ion (5 mM); Dithiothreitol (DTT) and guanidine (both in the range of 10-200 mM) for all peptidases. Finally, the study of catalytic specificity of these enzymes, we found a preference for aromatic amino acids (F and W), basic (K and R) and nonpolar (in particular, methionine residue) to aspartic peptidase. High specificity described by cysteine peptidase, which a catalytic preference is notorious for basic amino acids (K, R and H), especially in position P3 and lysine-dependence for catalysis at position P'3. In serine peptidase, for different evaluated positions, we noticed greater acceptance by nonpolar amino acids (G, I, L, M and V), basic (M and R) and neutral polar (N and Q).

Chapter 1gives a general introduction to the CXXC motif found in natural proteins. It then reviews the studies where disulphides were engineered in various proteins. The various strategies developed to engineer metal binding activity and redox activity are described. The objectives behind engineering the CXXC motif into a protein, such as imparting it novel metal-binding and redox activities, are discussed next. Alternative strategies which achieve the same objectives are described as well. This chapter then introduces the model proteins used in the course of this thesis: maltose-binding protein (MBP) and E. coli. Thioredoxin (Trx). This chapter also briefly discusses the role of signal peptide in protein export. Chapter 2describes the experimental studies and their results in which we introduced the widely occurring cysteine motif CXXC into the maltose binding protein (one-at-a-time, in five alpha-helices, at the N-termini) to test three hypotheses: 1) Does a disulphide bond form at the N-terminus? 2) Does the protein acquire any oxido-reductase activity? 3) Does it acquire new metal-binding properties? The results confirmed: 1) Each cysteine pair forms a stable intrahelical disulphide bond under non-reducing conditions. 2) The five mutant proteins acquire considerable oxidoreductase activity, tested by the insulin aggregation assay. 3) The mutants acquire novel metal-binding properties for Ni2+, Cd2+, and Zn2+ upon reduction. Further, introducing the CXXC motif neither destabilizes the protein nor affects its global structure. Our results demonstrated that introduction of CXXC motifs can be used to probe alpha-helix start sites and to introduce oxidoreductase and metal binding functionality into proteins. Chapter 3describes further experimentson a few of the metal ion binding mutants discussed in the previous chapter. We explore the effect and usefulness of reducing agents (DTT and TCEP) on the binding of metal salts to the CXXC mutants. We also studied the explore of metal salts on the thermal stability of the mutants and show that metal ions bind to the CXXC motif even when the protein is in the unfolded state. The chapter describes the use of an immobilized metal affinity chromatography (IMAC) based method for the purification of MBP mutants.Yields ranging from 60-85% were obtained for thethree MBP mutants. The cysteines were located at different positions in thesethree MBP mutants (MBP 42-45 Cys, MBP 128-131 Cys, and MBP 359-359 Cys mutants). The yields for wild-type MBP, a single cysteine mutant (MBP S211C), a double cysteine mutant (MBP 230, 30) were all below 15%. Chapter 3 also reports a new crystal structure of the MBP356-359 mutant in ligand bound form:it crystallizes as an intermolecular dimer, bonded by two disulfides formed by the cysteines of the CXXC motif. Chapter 4describes the effects of inserting signal peptide sequences on protein folding and expression. We fused the malE and pelB signal sequences at the N-terminus of the model protein thioredoxin and observed that the wild-type and pelB fusion constructs are soluble when expressed, but the malE construct was targeted to inclusion bodies. Nonetheless, it could be refolded in vitro to yield a monomeric product with a secondary structure identical to the wild-type thioredoxin. This chapter also details the thermodynamic stability, aggregation propensity and activity of the purified recombinant proteins in comparison with the wild-type thioredoxin. The presence of the signal sequences reduces the thermodynamic stability and activity of the recombinants and increases their aggregation propensity, with malE having much larger effects than pelB. These studies show that besides acting as address labels, different signal sequences affect protein stability and aggregation differently. Chapter 5describes three different strategies to label a protein at different sites with cysteine-specific fluorophores using MBP as the model. The first strategy exploits the differential accessibility of residues within MBP in its maltose-bound and maltose-free states. The second strategy involves insertion of a 14-amino-acid loop called V3 from the HIV gp120 protein into MBP; anti-V3 antibodies shield the cysteine residue present inside the inserted loop, while we label another cysteine present outside the loop. In the third strategy, we introduce a third cysteine residue onto the background of the MBP mutant already containing a disulphide bridge at the N-terminus of one of its helices (discussed in Chapter 2). We label the third, free cysteine while the cysteines involved in the disulphide bridge remain protected. We observed successful differential labelling using the first strategy and also observed FRET between the fluorophore labels. Similarly, after trying the second strategy we could individually label all the mutants except one. The third strategy based on the triple-cysteine mutant was not successful because the fluorophore we chose (DBM) did not show site specificity and instead labelled all three cysteines. In addition, the triple-cysteine mutant did not even show disulphide-bridge formation.We showed that indeed the V3 loop inserted in MBP binds anti-V3 antibodies and we could individually label all the mutants expect D41C. The third strategy was not successful because unfortunately in the triple cysteine mutant, the fluorophore we chose (DBM) did not show site specificity and labeled all three cysteines. In addition, the disulfide bridge was not found to be present in the triple cysteine mutant. Chapter 6discusses the synthesis, characterization and binding of various maltolipids, (and their corresponding maltose-free controls) to MBP. The maltolipids were synthesised with varying linker lengths and anchor- & head-groups and then used to prepare liposomes and micelles. Although both liposomal and micellar forms could bind to MBP, only the micelles were screened subsequently for their ability to bind to MBP. The binding was assessed using various techniques such as fluorescence spectroscopy, gel filtration and thermal stability assay. We screened the maltolipids and determined how their anchor group, linker length and charge on the head group influences the binding of MBP to micelles formed by these maltolipids.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work describes the voltammetric determination of Hg, Ag, Zn, Cd, Pb and Tl using solid electrodes as working electrodes in samples of dialysate concentrates (DCs). These contain a very high ionic strengt (~ 4.1 mol L-1), which makes the direct analysis of other analytical techniques such as ETAAS. Voltammetric methods were suitable for the determination of analytes in samples of DCs without the need for dilution, masking agents or pre-concentration steps. The experimental conditions were optimized in order to increase the selectivity and sensitivity of the current signals of each analyte. Were developed two individual methods, which enable the analysis of metals in a study with adequate sensitivity required by law. Were used a glassy carbon electrode as working electrode and as electrode support for the changes. In this electrode and Ag was determined sequentially with the film formation of bismuth, Zn, Cd, Pb. With the addition of DTPA (diethylene triamine pentaacetic acid) was analyzed Tl. Searching a second modification, the second method has the application of cysteine on the film of bismuth, showed that with adequate sensitivity for the determination of mercury. The methods were used for the analysis of commercial samples of CPHD, comparing the voltammograms of each analyte with a non-saline medium. The limit of quantification values ranging from 0.23 to 5.32 μg L-1, and the values obtained from tests for recoveries ranging from 93.6 to 106.3%. / Neste trabalho é descrita a determinação voltamétrica de Hg, Ag, Zn, Cd, Pb e Tl utilizando eletrodos sólidos como eletrodos de trabalho em amostras de concentrado polieletrolítico de hemodiálise (CPHD). Estas possuem uma elevada força iônica (~ 4,1 mol L-1), o que impossibilita a análise direta em outras técnicas analíticas, como ETAAS. Métodos voltamétricos mostraram-se adequados para a determinação dos analitos em amostras de CPHD, sem ser necessário diluição, agentes mascarantes ou etapas de pré-concentração. As condições experimentais foram otimizadas com o objetivo de aumentar a seletividade e sensibilidade dos sinais de corrente de cada analito. Foram desenvolvidos dois métodos independentes, que permitem a análise dos metais em estudo com adequada sensibilidade, conforme é exigido pela legislação. Foi utilizado o eletrodo de carbono vítreo como eletrodo de trabalho e também como suporte para as modificações. Nesse eletrodo foi possível determinar Ag e, sequencialmente, com a formação do filme de bismuto, Zn, Cd, Pb. Com a adição de DTPA (Ácido Dietilenotriaminopentacético), determinou-se Tl. Buscando a determinação de mercúrio com adequada sensibilidade, uma segunda modificação foi realizada, e o segundo método apresenta a aplicação de cisteína sobre o filme de bismuto. Os métodos foram utilizados nas amostras de CPHD comerciais, comparando o comportamento individual dos analitos, com um meio não-salino. Os valores de limite de quantificação variam de 0,23 a 5,32 μg L-1, e os valores obtidos nos ensaios de recuperações variam entre 93,6 a 106,3%.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this study we investigated the interaction between lead and the amino acid cysteine, lysine and N-acetylcysteine by testing long-term contact with ion exchanger resins and also the determination of stability constants. The importance of investigating the presence of lead in solutions for parenteral nutrition is related to the risk of internal contamination of these solutions due to the affinity between amino acids that compose these solutions and lead present in plastic packaging. The amino acids according to their relative affinities can act as carriers of metal in living organisms. The long term tests with adsorbents in form of Pb2+ showed that the higher extraction of lead occurs at amino acid that has a greater affinity for the metal and this is evidenced by the value of stability constant calculated, i.e., there was a direct relationship of the values of the calculated stability constants. Kinetic effects were not significant in this study, since the trials were of long duration. Tests with complexing agents such as EDTA and citric acid, that have known stability constants, were also performed for comparison purposes. The quantification of lead in long term tests was performed by atomic absorption spectrometry with flame and electrothermal atomization. The stability constants were obtained by potentiometry by processing the data through the software BEST®. Titrations in aqueous solutions with constant ionic strength and temperature showed that the predominant species in solution have molar ratio of 1:1 (L: M) to N-acetyl-cysteine and lysine and 1:1 and 2:1 for cysteine. The main species found for cysteine were Cys2Pb and CysPbOH with log K = 1.61 and 24.00, respectively, for N-acetylcysteine N-Acetyl-Cys2Pb, N-Acetyl-Cys2PbH and N-Acetyl-CysPbOH with log K =-1.55, 14.52 and 21.49 respectively, and for lysine LysPb with log K = 9.69. The interaction of amino acids studied with lead was also detected by the tests made with the raw material of the packaging of parenteral nutrition solutions through the analysis by AAS. / Neste trabalho investigou-se a interação entre chumbo e os aminoácidos cisteína, N-acetilcisteína e lisina por meio de ensaios de contato de longa duração com resina de troca iônica e estudos para determinar as constantes de estabilidade dos complexos formados entre eles. A importância de investigar a presença de chumbo em soluções de nutrição parenteral relaciona-se ao risco de contaminação interna destas soluções em decorrência da afinidade entre os aminoácidos que compõem as soluções e o chumbo presente nas embalagens plásticas. Os aminoácidos em função de suas afinidades relativas podem atuar como transportadores do metal nos organismos vivos. Os resultados dos ensaios de contato com resina na forma Pb2+ mostraram que a maior extração do chumbo ocorre pelo aminoácido que possui maior afinidade pelo metal e isto é comprovado pelo valor da constante de estabilidade calculada, ou seja, houve relação direta dos valores das constantes obtidas através do cálculo das mesmas para os aminoácidos estudados com a taxa de extração do chumbo da resina pelos ligantes (aminoácidos). O efeito cinético, estabelecido pelas leis de velocidades não importaram nesse estudo, uma vez que os ensaios foram de longa duração. Ensaios com agentes complexantes, como EDTA e ácido cítrico, com constantes de estabilidade já conhecidas, também foram realizados para fins comparativos. A quantificação de chumbo nos ensaios de longa duração foi realizada por espectrometria de absorção atômica (AAS) com atomizações por chama e eletrotérmica. As constantes de estabilidade foram obtidas por potenciometria com o tratamento dos dados através do programa computacional BEST®. Titulações potenciométricas, de soluções aquosas com força iônica e temperatura constantes, mostraram que as espécies predominantes em solução são de razão molar 1:1 (L:M) para N-acetilcisteína e lisina e de 1:1 e 2:1 para cisteína. As principais espécies encontradas foram para cisteína, Cys2Pb e CysPbOH com log K = 1,61 e 24,00 respectivamente, para N-acetilcisteína N-Acetil-Cys2Pb, N-Acetil-Cys2PbH e N-Acetil-CysPbOH, com log K = -1,55; 14,52 e 21,49 respectivamente, e para lisina LysPb, com log K = 9,69. A interação dos aminoácidos estudados com o chumbo também foi constatada pelos ensaios feitos com a matéria-prima das embalagens das soluções de Nutrição Parenteral através da análise por AAS.

Au cours de ces travaux de thèse, la synthèse de BODIPYs émettant dans le rouge et le proche infrarouge a été réalisée. Un premier travail d’extension de la conjugaison électronique (soit par introduction de groupements aromatiques sur le corps du BODIPY, soit par dimérisation) a permis d’atteindre les basses énergies du spectre électromagnétique. La validation d’une méthode de synthèse de BODIPYs à l’aide d’orthoesters a permis une mise en oeuvre aisée et une nette amélioration de leurs rendements. Parmi les fluorophores obtenus, les dithiényl-BODIPYs émettant dans la fenêtre thérapeutique (650-900 nm) présentent des propriétés optiques et électrochimiques intéressantes. Ils ont été utilisés pour des applications dans le domaine biologique. Après leur solubilisation dans les milieux aqueux par introduction de groupements ammoniums, la détection d’un acide aminé, la cystéine, a pu être réalisée par spectroscopies d’absorption et de fluorescence mettant en évidence un système ratiométrique. De plus, le marquage d’une protéine modèle, le sérum d’albumine bovine, permet d’envisager l’utilisation de ce type de BODIPYs pour l’imagerie biologique grâce à un rendement quantique de fluorescence élevé en milieu physiologique. / During this thesis the synthesis of red and near-infrared emitting BODIPYs was realized. First, the electronic conjugaison was extended by introducing aromatic groups on the BODIPY core or by dimerization in order to archieve these low energies of the electromagnetic spectrum. The validation of a synthetic method of BODIPYs with orthoester allowed to have an efficient synthesis with a clear enhancement of the reaction yield. Among the obtained dyes dithienyl-BODIPYs which display an emission in the therapeutic window (650-900 nm) present interesting optical and electrochemical properties. They have been used for applications in the biological field. After their water-solubilization with ammonium groups the detection of an amino-acid (the cysteine) was archieved with a ratiometric system observed in absorption and fluorescence spectrocopies.Moreover the labelling of a model protein, the bovin serum albumine, allows to consider the use of this type of BODIPYs in biological imaging because of a red emission and a high quantum yied in physiologic medium.

As aminoacil tRNA sintetases (AaRSs) são enzimas essenciais na síntese de proteínas assegurando a correta relação entre os aminoácidos e seus tRNA cognatos. O genoma mitocondrial dos tripanossomatídeos perdeu os genes codificantes dos tRNAs, assim os tRNA mitocondriais são codificados no núcleo e importados do citoplasma. O código genético do kinetoplasto desvia do código genético pela utilização do códon de terminação UGA para a decodificação do códon do triptofano. Um único gene codificando o tRNATrp(CCA) observado no genoma de Leismania é responsável pela incorporação do aminoácido triptofano durante a síntese proteíca na mitocôndria. Para decodificar os dois códons do Trp (UGA e UGG) a base na posição 34 do tRNATrp(CCA) passa por um evento de editoração, convertendo o ribunuclotídeo C34 em U34, produzindo o tRNATrp(UCA) capaz de decodificar o códon UGA. Nesse trabalho foram caracterizadas duas triptofanil tRNA sintetases de Leishmania major. De acordo com experimentos de ?western blotting? e análises ?in silico? das seqüências de aminoácidos, uma enzima tem localização citoplasmática (LmTrpRS1) enquanto a outra mitocondrial (LmTrpRS2). Os mRNAs dos dois genes foram definidos por experimentos de 5? e 3? RT-PCR. As duas enzimas foram clonadas em diversos vetores de expressão procariotos e eucariotos. A LmTrpRS1 foi obtida somente na fração insolúvel, já a LmTrpRS2 foi obtida na fração solúvel quando clonada no vetor de expressão pET28a. Esta porém mostrou-se instável precipitando rapidamente após sua purificação. Os ensaios enzimáticos realizados com a mesma mostraram que ela é capaz de reconhecer os tRNAsTrp editado e não editado. Modelagem molecular por homologia com as duas proteínas foi realizada usando a proteína citoplasmática humana como molde, para estudar a interação entre a proteína e o tRNATrp. Xylella fastidiosa é um bactéria gram negativa limitada ao xilema, responsável por um grande número de doenças economicamente importantes, como a doença de Pierces em videiras, Clorose variegata do Citrus (CVC) e a doença da requeima das folhas em outras plantas incluindo, amendoeira, ameixeira, louro, amoreira e café. Em todos os casos a X. fastidiosa afeta o xylema da planta causando redução na produção de frutos. Nesse trabalho nós mostramos a estrutura da Xylellaína, uma cisteíno protease desse patógeno. A estrutura foi resolvida por dispersão anômala a um único comprimento de onda, utilizando cristais de xylellaína selenometionina substituídos. A estrutura da Xylellaína foi refinada até 1,65 Å de resolução, mostrando enovelamento similar às proteínas da família da papaína, porém algumas características interessantes como uma região N-terminal composta por 38 aminoácidos cobrindo o sulco ativo da enzima, um intrigante ribonucleotídeo encontrado fora do sítio ativo da enzima e um ?loop? semelhante ao ?loop? de oclusão presente na catepsina B. / The aminoacyl tRNA synthetases (aaRSs) are essential enzymes in protein synthesis that ensure the correct match between amino acids and their cognate tRNAs. The mitochondrial (kinetoplast) genome of trypanossomatids lacks tRNA genes, and therefore nucleus-encoded tRNAs are imported from the cytoplasm, the kinetoplast genetic code deviates from the universal code in that UGA instead of UGG encodes for tryptophan. A single nucleus-encoded tRNATrp(CCA) is responsible for Trp insertion during organellar protein synthesis. To decode both Trp codons (UGA and UGG), tRNATrp(CCA) undergoes a single C to U editing event at position 34 of the anticodon yielding to versions of the tRNA in the mitochondria with anticodon CCA and UCA, permitting UGA decoding. This work have characterized two Leishmania major tryptophanyl-tRNA synthetase, acording western blotting experiments and ?in silico? sequence analisis one of cytoplasmatic localization (LmTrpRS1) and another from mitochondria localization (LmTrpRS2). The mature mRNA transcripts for both genes were defined by 5? and 3? RT-PCR. Both enzymes were cloned into several expressions vectors. LmTrpRs1 was obtained as an insoluble protein and LmTrpRs2 expressed into the soluble fraction in pET28a expression system. LmTrpRS2 protein, however, is unstable precipitating shortly after purification. The enzymatic assay showed that this enzyme is able to recognize both tRNATrp. Molecular modeling for LmTrpRS1 and LmTrpRS2 were constructed using the cytoplasmatic human tryptophanyl tRNA synthetase as a model, to study the interaction between proteins and tRNATrp. Xylella fastidiosa is a xylem-limited, gram-negative bacteria responsible for a large number of economically important plant diseases, such as Pierces disease in grapevines, citrus variegated chlorosis (CVC) in sweet oranges and leaf scorch diseases in other plants, including almond, plum, oleander, mulberry and coffee. In all cases, X. fastidiosa infects the plant xylem and impairs fruit production. Here, we report the crystal structure of xylellain, a cystein protease from X. fastidiosa. The structure was solved by single-wavelength anomalous dispersion (SAD) using seleno-methionine containing xylellain crystals. The final structure of Xylellaína was refined against the best native data set (1.65 Å) showing R/Rfree= 17/21. Xylellain shares fold similar to Papain like Family, but contains some interesting features, like a 38 N-terminal tail covering the active site cleft; one intriguing ribonucleotide found outside the active site and one loop that resemble the ocluding loop from cathepsin B.

Orientadores: Alessandra Alves de Souza, Marco Aurélio Takita / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-16T03:21:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Muranaka_LigiaSegatto_M.pdf: 4670725 bytes, checksum: f903ecd21649fe431b36cd1ea62d804b (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Xylella fastidiosa é uma bactéria Gram-negativa que causa várias doenças em diferentes espécies de plantas, como a clorose variegada dos citros (CVC) em Citrus sinensis, cujos danos econômicos são da ordem de milhões de dólares anuais. O desenvolvimento dos sintomas tem sido associado ao bloqueio dos vasos do xilema causado pela formação de um biofilme pela bactéria. Recentemente foi verificado que o biofilme de X. fastidiosa é mais resistente a compostos antimicrobianos que a forma planctônica. Essa resistência tem se mostrado um fenômeno complexo que não pode ser explicado por um único mecanismo, e sim por multifatores. Nesse sentido, a proposta desse trabalho foi identificar, por microarranjos de DNA, genes possivelmente associados à adaptação do biofilme na presença de compostos antimicrobianos, em concentrações letais para células em crescimento planctônico, mas que não inibiram o crescimento do biofilme. Foram encontrados 223 (7,87%) CDS induzidas na presença de cobre e 150 (5,29%) reprimidas. Com tetraciclina foram 450 (15,89%) induzidas e 449 (15,85%) reprimidas. Muitas sequências codificadoras envolvidas com funções da síntese proteica, metabolismo energético, divisão celular e movimentação foram moduladas negativamente em ambas as situações, sugerindo que tais modificações contribuiriam para um provável estado de resistência. Com a adição da dose subinibitória de cobre também foi observada a indução de genes relacionados à adesão e produção de toxinas, que estão envolvidos com a virulência da bactéria em planta, o que sugere esta seria aumentada possivelmente induzindo maior severidade de sintomas. Já com tetraciclina o oposto foi observado, repressão de genes relacionados à formação do biofilme e produção de toxinas. No entanto, identificamos a indução de um possível mecanismo de resposta SOS, pela qual genes relacionados ao sistema toxina-antitoxina seriam superexpressos. Esse sistema provavelmente está envolvido com a morte celular programada e formação de células persistentes. Assim é possível concluir que doses subinibitórias de compostos antimicrobianos poderiam ao invés de matar, induzir a virulência da bactéria, como ocorrido com o cobre, ou a formação de células persistentes, como observado com a tetraciclina. Outra abordagem desse trabalho foi à realização de experimentos in vitro e in vivo com um análogo de cisteína, o N-acetyl-L-cysteina (NAC), que já vem sendo utilizado na medicina para desestruturação de biofilmes de bactériaspatógenas de humanos. Resultados da quantificação da massa celular, número de célulasviáveis e exopolissacarídeos totais revelaram que todas as doses de NAC (1, 2 e 6 mg/mL) testadas nos experimentos in vitro diminuiram a formação do biofilme e inibiram o crescimento de X. fastidiosa, o que indica um possível efeito tóxico dessa substância. Nos experimentos in vivo foi observada uma grande redução dos sintomas de CVC em plantas de C. sinensis infectadas e tratadas com diferentes doses de NAC. Esses estudos abrem uma real perspectiva ao uso dessa substância para o manejo da CVC. / Abstract: Xylella fastidiosa is a Gram-negative bacterium that causes several diseases in different plant species, including citrus variegated chlorosis (CVC) in sweet orange (Citrus sinensis L. Osbeck), whose economic damage is of millions of dollars annually. The symptoms development has been associated with the blockage of xylem vessels caused by bacterial biofilm formation. Recently it was found that the biofilm of X. fastidiosa is more resistant to antimicrobial compounds than the planktonic cells. This resistance has been considered as a complex phenomenon that cannot be explained by a single mechanism, but by multi-factors. Accordingly, the intent of this study was to identify through DNA microarray technology, genes possibly involved in adaptation of biofilm cells to the presence of antimicrobial compounds in concentrations that are lethal to cells in planktonic growth, but do not inhibit the cell growth in biofilm. We found 223 (7.87%) genes induced in presence of copper and 150 (5.29%) genes repressed. For tetracycline, there were 450 (15.89%) induced genes and 449 (15.85%) repressed ones. Many genes encoding proteins related to protein synthesis, energy metabolism and cell division were negatively modulated in both, copper and tetracycline treatments, suggesting that these changes could contribute to a state of resistance. When a subinhibitory dose of copper was applied we could also observe the induction of genes related to adhesion and thus biofilm formation and toxin production, suggesting that the bacterial virulence should be increased. The opposite was found for tetracycline. However, we observed the induction of a possible SOS response mechanism in which genes related to a toxin-antitoxin system was overexpressed. This system is probably involved with programmed cell death and formation of persistent cells. We then concluded that subinhibitory doses of antimicrobial compounds could induce bacterial virulence as occurred for copper, or the formation of persistent cells, as observed for tetracycline rather than kill the cells. Another approach of this work was to carry out experiments in vitro and in vivo with an analogue of cysteine, N-acetyl-L-cysteine (NAC), which has been already used in medicine as a drug for disruption of biofilms formed by human pathogenic bacteria. Results of cellular mass quantification, number of viable cells and total exopolysaccharide content revealed that all doses (1.0, 2.0 and 6.0 mg / mL) of NAC tested in in vitro experiments decreased the biofilm formation and inhibited growth of X. fastidiosa, which indicated that this substance could also be toxic for the bacteria. In vivo experiments showed a strong reduction in CVC symptoms in C. sinensis plants infected and treated with different doses of NAC. These studies open a real prospect for the use of this compound in CVC management. / Mestrado / Genetica de Microorganismos / Mestre em Genética e Biologia Molecular

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O pinhÃo manso (Jatropha curcas L) à uma planta oleaginosa com grande potencial para a produÃÃo de biocombustÃvel devido à riqueza de lipÃdios existente em suas sementes. Portanto, à uma fonte potencial de Ãleo renovÃvel que tem recebido considerÃvel atenÃÃo da comunidade cientÃfica. O objetivo deste estudo foi fazer uma anÃlise da expressÃo gÃnica de proteinases cisteÃnicas relacionadas à morte celular programada (MCP) em sementes em desenvolvimento e durante a germinaÃÃo de pinhÃo manso, no intuito de conhecer melhor o transcriptoma dos principais genes envolvidos no processo de MCP e durante a deposiÃÃo de proteÃnas de reservas durante a maturaÃÃo das sementes de pinhÃo manso. Para quantificar com acurÃcia os nÃveis de expressÃo gÃnica por RT-qPCR foi necessÃrio realizar uma seleÃÃo de genes de referÃncia (genes constitutivos). Os genes constitutivos escolhidos para esse estudo foram: GliceraldeÃdo-3-fosfato desidrogenase (GAPDH), Poliubiquitina (PUB), alfa-tubulina (TA2), proteÃna fosfatase 2-A (PP2A2), fator de alongaÃÃo-alfa (EF1-α) e actina, todos eles citados e escolhidos na literatura para estudo de normalizaÃÃo de genes em plantas. AtravÃs do programa geNorm de foi possÃvel mostrar os genes de referÃncia mais estÃveis dentre os seis genes de referÃncia. Nossos resultados apontaram que os genes de referÃncia mais estÃveis ​​para as amostras de endosperma e integumento em desenvolvimento foram: GAPDH, PP2A2 e EF1-α e TA2. Os genes de menor estabilidade foram: a actina11; poliubiquitina (PUB). Na germinaÃÃo, os genes mais estÃveis foram GAPDH, PUB e TA2. Entretanto, os genes com menores valores de estabilidade foram a actina, EF1-α e PP2A2. Em nossos estudos, o programa geNorm tambÃm mostrou o nÃmero de genes de referÃncia necessÃrios para a normalizaÃÃo dos dados obtidos por RT-qPCR. Na anÃlise desse estudo, nos mostramos que para as sementes em desenvolvimento, a adoÃÃo de quatro genes mais estÃveis foram GAPDH, PP2A2 e EF1-α e TA2 necessÃrios para normalizaÃÃo dos dados de RT-qPCR. Nos dados de sementes em germinaÃÃo, mostrou-se a adoÃÃo de trÃs genes mais estÃveis ​​(GAPDH, PUB e TA2). Contudo, Para validar nossos resultados com genes de referÃncia, foi usado o perfil padrÃo da expressÃo do gene que expressa a oleosina, na qual mostrou que o padrÃo de expressÃo da oleosina està de acordo com os fornecidos pela literatura, revelando que os genes de referÃncia sÃo eficientes para normalizar os dados obtidos pela RT-qPCR. De posse desses resultados, realizou-se um estudo de expressÃo de genes supostamente envolvidos na morte celular programada e na maturaÃÃo de sementes de pinhÃo manso. Nossos resultados mostraram que os genes com seqÃÃncia C-terminal KDEL: JcCB0580861; JcCA0152821; JcCA0047111 e o gene γ-VPE JCCB0060111 mostraram um altos nÃveis de expressÃo nos estÃgios mais avanÃados em tecidos do integumento e endosperma em sementes de pinhÃo manso em desenvolvimento, e com base em nossas anÃlises, esses genes expressam proteinases cisteÃnicas que estÃo possivelmente envolvidos no processo de MCP. NÃo obstante, os genes que expressam as seguintes VPEs: JcCB0196871; JcCB0244081; e JcCA0012422 de acordo com nossos estudos, provavelmente estÃo envolvidas na maturaÃÃo das proteÃnas de reservas de sementes em desenvolvimento de pinhÃo manso. Esses dados forneceram importantes informaÃÃes a cerca do padrÃo de expressÃo de genes que estÃo envolvidos no transcriptoma de sementes em desenvolvimento, mais precisamente envolvidos no processo de MCP. NÃo obstante, o estudo de normalizaÃÃo e validaÃÃo de genes de referÃncia nos tecidos de integumento e endosperma do pinhÃo manso propiciaram um melhor entendimento no que diz respeito à estabilidade desses genes nas condiÃÃes estudadas. / Jatropha (Jatropha curcas L) is an oilseed plant with great potential for biofuel production because of the wealth of existing lipids in their seeds. Therefore, it is a potential source of renewable oil that has received considerable attention from the scientific community. The objective of this study was to analyze the gene expression of cysteine ​​proteinases related to programmed cell death (PCD) in developing seeds and during germination of Jatropha in order to better understand the transcriptome of the major genes involved in the MCP and during the deposition of protein reserves during maturation of seeds of Jatropha. To accurately quantify the levels of gene expression by RT-qPCR was necessary to make a selection of reference genes (genes constituting). The constituent genes chosen for this study were: Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), polyubiquitin (PUB), alpha-tubulin (TA2), protein phosphatase 2 A (PP2A2), elongation factor-alpha (EF1-α) and actin, all cited in the literature and were chosen for study standardization of genes into plants. Through the program of geNorm was possible to show the more stable reference genes among the six genes of reference. Our results indicate that the most stable reference genes for samples of the developing endosperm and integument were: GAPDH, PP2A2 and EF1-α and TA2. The genes were less stable: the actina11; polyubiquitin (PUB). In germination, the most stable genes were GAPDH, PUB and TA2. However, genes with lower stability values ​​were actin, EF1-α and PP2A2. In our studies, the geNorm program also showed the number of reference genes needed for normalization of data obtained by RT-qPCR. In the analysis of this study, we show that for the developing seeds, the use of four most stable genes were GAPDH, PP2A2 and EF1-α and TA2 needed for normalization of RT-qPCR data. In the data of germinating seeds, was the adoption of more stable three genes (GAPDH, PUB and TA2). However, To validate our findings with reference genes, we used the standard profile of gene expression which expresses oleosina, which showed that the expression pattern of oleosina is provided according to the literature, genes reveals that the reference are efficient to normalize the data obtained by RT-qPCR. With these results, we carried out a study of expression of genes supposedly involved in programmed cell death and maturation of seeds of Jatropha. Our results showed that genes with sequence C-terminal KDEL: JcCB0580861; JcCA0152821; JcCA0047111 and γ-VPE gene JCCB0060111 showed high levels of expression in later stages in tissues of the integument and endosperm of seeds of Jatropha in developing and Based on our analysis, these genes express cysteine ​​proteinases that are possibly involved in the MCP. Nevertheless, genes that express the following VPEs: JcCB0196871; JcCB0244081, and JcCA0012422 according to our studies, are probably involved in the maturation of protein reserves in developing seeds of Jatropha. These data provided important information about the expression pattern of genes that are involved in the transcriptome of developing seed, more specifically involved in the process of MCP. However, the study of standardization and validation of reference genes in tissues of the integument and endosperm Jatropha provided a better understanding as regards the stability of these genes in the studied conditions

<p align=\"justify\">A necessidade urgente de descoberta de terapias mais seguras e eficazes para o tratamento da doença de Chagas e leishmanioses tem motivado a pesquisa por novos inibidores das enzimas cruzaína e CPB, as principais cisteíno proteases do T. cruzie e Leishmania spp., respectivamente. Uma série de 52 compostos nitrílicos que atuam como inibidores covalente-reversíveis de cisteíno proteases foi sintetizada no grupo NEQUIMED/IQSC/USP e avaliada quanto a sua atividade inibitória contra as enzimas cruzaína, CPB de Leishmania mexicana e catepsina L de humanos. Utilizando planejamento molecular baseado em hipótese, mapeamos as relações estrutura-atividade (SARs) desses inibidores através de variações nas posições P1, P2, P3 e P1\' do esqueleto dipeptidil nitrílico. A substituição do grupo eletrofílico (warhead) aminonitrila em P1 pelo grupo azanitrila melhorou a afinidade em duas ordens de magnitude para todos os alvos avaliados. Um dos mais potentes inibidores, o análogo azanitrila Neq0690 mostrou uma cinética de ligação lenta com valores de pKi de 8,8, 9,3 e 9,7 para cruzaína, catepsina L e LmCPB, respectivamente. A substituição bioisostérica da ligação amida entre as posições P2-P3 pelo grupo trifluoroetilamina resultou na síntese do Neq0659, um potente inibidor com um perfil de ação seletivo para as proteases de parasitos. A substituição do grupo metileno em P1 pelo ciclopropano aumentou a afinidade para todas as enzimas. Contudo, uma inibição seletiva da cruzaína e LmCPB foi associada à presença do grupo (R)-benzila como substituinte da posição P1 dos derivados CF3 substituídos. Embora os compostos substituídos com leucina, tirosina, triptofano e 3-cloro fenilalanina como substituintes da posição P2 foram relativamente bem tolerados pela cruzaína e catepsina L, uma restrita especificidade foi verificada para LmCPB com pequenos ganhos de afinidade para os inibidores que possuíam os grupos leucina e metil benzoato como substituintes dessa posição. Com relação à posição P3, a inserção do grupo 3-terc-butilpirazol e 3-bromo piridina aumentou a afinidade para todos os alvos avaliados enquanto que um ganho seletivo para a LmCPB foi observado para os compostos que possuíam o grupo bifenila nessa posição. Além disso, duas novas estruturas cristalográficas da LmCPB complexada com o Neq0690 e metil metanotiossulfonato (MMTS) foram determinadas com resoluções de 1,3 Å e 1,5 Å, respectivamente. As estruturas dos co-complexos revelaram os modos de interação (MoB) desses ligantes, bem como as principais características do processo de reconhecimento bimolecular. Isso permitirá o uso de estratégias de planejamento baseado na estrutura do alvo com translação natural para a pesquisa por novos inibidores de cisteíno proteases, com amplo espectro de ação na quimioterapia de doenças a elas relacionadas. / <p align=\"justify\">The urgent need for the discovery of safer and more effective therapies for the treatment of Chagas disease and leishmaniasis has motivated the search for new inhibitors of the enzymes cruzain and CPB, the major T. cruzi and Leishmania spp. cysteine proteases, respectively. A series of 52 nitrile-containing compounds acting as covalent-reversible inhibitors of cysteine proteases was synthesized at the NEQUIMED/IQSC/USP Medicinal Chemistry Group and evaluated for their inhibitory activity against the enzymes cruzain, Leishmania mexicana CPB and cathepsin L from humans. Using hypothesis-driven molecular design, we mapped the structure-activity relationships (SARs) of these inhibitors through variations in the P1, P2, P3 and P1\' positions of the dipeptidyl nitrile scaffold. The substitution of the aminonitrile by the azanitrile group improved the affinity by two orders of magnitude for all the evaluated targets. One of the most potent inhibitors, the azanitrile analogue dubbed Neq0690 showed a slow-binding kinetics with pKi values of 8.8, 9.3 and 9.7 for cruzain, cathepsin L and LmCPB, respectively. Bioisosteric substitution of the amide moiety between the P2-P3 positions by the trifluoroethylamine group resulted in the synthesis of Neq0659, a potent inhibitor with a selective action profile for parasite proteases. Substitution of the methylene group at P1 by cyclopropane increased the affinity for all enzymes. However, selective inhibition of cruzain and LmCPB was associated with the presence of the (R)-benzyl group as substituent of the P1 position of the substituted CF3 derivatives. Although leucine, tyrosine, tryptophan and 3-chloro phenylalanine substituted compounds as substituents of the P2 position were relatively well tolerated by cruzain and cathepsin L, a restricted specificity was verified for LmCPB with small affinity gains for the inhibitors possessing the leucine and methyl benzoate as substituents of that position. Regarding the P3 position, the insertion of the 3-tert-butylpyrazole and 3-bromo pyridine groups increased the affinity for all evaluated targets whereas a selective gain for LmCPB was observed for the compounds having the biphenyl moiety at that position. In addition, it is noteworthy that two new crystallographic structures of LmCPB complexed with Neq0690 and methyl methanethiosulfonate (MMTS) were determined with resolutions of 1.3 Å and 1.5 Å, respectively. The structures of the co-complexes revealed the modes of binding (MoB) of these ligands, as well as the main characteristics of the bimolecular recognition process. This will allow the natural translational target structure strategies for the search for new inhibitors of cysteine proteases with broad spectrum of action in the chemotherapy of related diseases.

Made available in DSpace on 2014-08-20T14:37:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_jorgea_pradiee.pdf: 964026 bytes, checksum: e100969ef5fb9f72ec9bf73b616695fd (MD5) Previous issue date: 2013-02-22 / In an attempt to diminish the structural damage to the plasma membrane, due to free radicals and reactive oxygen species (ROS), the antioxidants β-mercaptoethanol (BME) and cysteine (CIS) were tested for semen cryopreservation and in vitro maturation (IVM) and culture (IVC) of ovine embryos. Semen samples from four rams of the Crioula Lanada breed were collected with artificial vagina twice weekly (n = 23). Samples of four rams were pooled and split in six treatments: T1, control without antioxidant, T2, with 2mM BME, T3, with 5mM BME, T4, with 2mM BME and 5mM cysteine; T5, with 5 mM BME and 5mM cysteine, and T6 with 5 mM cysteine. Semen was diluted in tris-egg yolk-glycerol and stored in straws of 0.25 mL containing 100 x 106 spermatozoa. Cooling and freezing were performed using a TK3000 and thawing was performed at 37°C for 20 s. Sperm motility, membrane integrity and mitochondrial activity and acrosome, before freezing and after thawing, did not differ between treatments (P> 0.05). Quantification of ROS and total antioxidant activity after thawing were similar between treatments (P> 0.05). At the tested concentrations, the inclusion of BME, and cysteine did not affect sperm viability after thawing. In the first experiment of IVP, the inclusion of 20 mM of BME in IVM and IVC of embryos was compared to a control treatment without antioxidants. There was no deleterious effect of antioxidant on the cleavage rate (control: 70.0%; BME: 69.8%). However, the rate of development to the blastocyst stage with BME (5.2%) was lower (P <0.001) than with the control (16.9%). In the second experiment, we tested the association of 50 mM BME and 600 mM of CIS in IVM and IVC. There was no difference between control and BME/CIS (P> 0.05), for cleavage (60.3% and 64.3%, respectively) and embryonic development rates (33.6% and 36.6 %, respectively). The addition of 20 mM of isolated BME in IVM and IVC sheep embryos was associated with decreased embryonic development to blastocyst. However, the addition of antioxidants BME, and cysteine in combination, did not affect the rates of cleavage and embryo development to blastocyst. Therefore, the combination of antioxidants and CIS BME used in freezing ram semen and PIV, did not improve the treatments that have been added, albeit at different concentrations. / Na tentativa de diminuir os danos estruturais na membrana plasmática, devido aos radicais livres e espécies reativas de oxigênio (ROS), os antioxidantes β-mercaptoetanol (BME) e cisteína (CIS) foram testados na criopreservação de sêmen e na maturação (MIV) e cultivo (CIV) in vitro de embriões de ovinos. Amostras de sêmen de quatro carneiros da raça Crioula Lanada foram coletadas com vagina artificial, duas vezes por semana (n = 23). As amostras dos quatro machos foram combinadas em pool e divididas em seis tratamentos: T1, Controle, sem antioxidante; T2, com 2mM BME; T3, com 5mM BME; T4, com 2mM BME e 5mM de cisteína; T5, com 5mM BME e 5mM de cisteína; e T6 com 5mM de cisteína. O sêmen foi diluído em tris-gema-glicerol e estocado em palhetas de 0,25 mL contendo 100 x 106 espermatozoides. O resfriamento e o congelamento foram realizados em máquina TK3000 e o descongelamento foi realizado a 37ºC por 20 s. A motilidade, a integridade da membrana espermática e do acrossoma e a atividade mitocondrial, antes do congelamento e após o descongelamento, não diferiram entre os tratamentos (P> 0,05). A quantificação de ROS e da atividade antioxidante total pós-descongelamento foram semelhantes entre os tratamentos (P> 0,05). Nas concentrações testadas, a inclusão de BME e cisteína não influenciou a viabilidade espermática pós-descongelamento. No primeiro experimento de PIV, a inclusão de 20 μM de BME na MIV e CIV de embriões foi comparada a um tratamento controle sem antioxidantes. Não houve efeito deletério do antioxidante sobre a taxa de clivagem (Controle: 70,0%; BME: 69,8%). Porém, a taxa de desenvolvimento até o estágio de blastocisto no tratamento BME (5,2%) foi inferior (P<0,001) à do controle (16,9%). No segundo experimento, foi testada a associação de 50 μM de BME e 600 μM de CIS, na MIV e CIV. Não houve diferença entre os tratamentos controle e BME/CIS (P>0,05), quanto às taxas de clivagem (60,3% e 64,3%, respectivamente) e de desenvolvimento embrionário (33,6% e 36,6%, respectivamente). A adição isolada de 20 μM de BME na MIV e CIV de embriões ovinos foi associada com redução no desenvolvimento embrionário até blastocisto. Porém, a adição dos antioxidantes BME e cisteína, em associação, não afetou as taxas de clivagem e desenvolvimento embrionário até blastocisto. Assim, a associação dos antioxidantes BME e CIS usados no congelamento de sêmen ovino e na PIV, não promoveu melhora dos tratamentos em que foram adicionados, ainda que em concentrações diferentes.