Thesis (Ph. D.)--Virginia Polytechnic Institute and State University, 1992. / Vita. Abstract. Includes bibliographical references (leaves 177-190). Also available via the Internet.

<i>Pinus taeda</i> L. suspension culture cells were used to develop a model system to study the process of lignification occurring during the early stages of cell wall formation and maturation. Chemical, biochemical and histochemical analyses of the <i>P. taeda</i> suspension cultures grown with 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) as the growth regulator did not provide conclusive evidence for lignin deposition. On the other hand, cultures in which 2,4-D was substituted with α-naphthaleneacetic acid (NAA) were shown to lignify. During this induction of lignification, limited cell wall thickening occurred since transmission electron microscopy of the 2,4-D grown cells showed only primary walls while the average cell wall thickness of the NAA-grown cells was consistent with secondary (S₁) layer formation. Despite the possibility of only limited lignin deposition in the 2,4-0 grown cells, secondary metabolism had occurred as evidenced by reversed-phase and chiral chromatographic separations which revealed the ability of these cells to produce enantiomerically pure (-)-matairesinol. Administrations of [1-¹³C], [2-¹³C ] and [3-¹³C ] specifically labeled phenylalanines to the <i>P. taeda</i> suspension cultures in medium containing NAA allowed the determination of lignin bonding patterns <i>in situ</i> by solid-state ¹³C NMR spectroscopy of the resulting ¹³C enriched cells. Aqueous and organic solvent extractions and protease treatment yielded ¹³C enriched cell walls for solid-state ¹³C NMR spectroscopic analyses of the cell wall bound lignin component. Subsequently, an isolated lignin derivative from these cell walls was analyzed by solution-state ¹³C NMR spectroscopy and verified the assignments made in the solid-state. Accordingly, the above experiments represent the first demonstration of lignin bonding patterns <i>in situ</i> in a <i>Pinus</i> species as well as a suspension culture. This culture system possesses great potential as a model to thoroughly study the early stages of lignification. / Ph. D.

Os solos ácidos recobrem, cerca de 40% da área terrestre, constituindo-se em um dos principais fatores limitantes à população à produção vegetal do planeta. No Brasil, os solos ácidos abrangem cerca de dois terços do território nacional. De um modo geral, a acidez do subsolo reduz a profundidade do sistema radicular, aumentando a susceptibilidade à seca e diminuindo o uso de nutrientes pelas plantas. Além da alta atividade de íon hidrogênio (H+), os solos ácidos geralmente apresentam níveis tóxicos de alumínio, sendo que a toxicidade por AI tem sido intensivamente investigada nos últimos anos. No entanto, a toxicidade por AI ocorre apenas a pH baixo e em condições onde a toxicidade por prótons geralmente também se manifesta. Apesar disto, trabalhos envolvendo a toxicidade por prótons são escassos. A sensibilidade de células a pH baixo depende da fase de crescimento e desenvolvimento em que estas se encontram. Em raízes, as células mais sensíveis são as da região de alongamento e em suspensões celulares as células na fase log de crescimento são mais sensíveis do que as células na fase estacionária. Este trabalho faz parte de uma linha de pesquisa que procura explorar as diferenças que existem entre células quanto à sensibilidade a pH baixo para melhor entender a toxicidade e tolerância a prótons. Foram utilizadas células da cultura de tabaco cv. BY-2, um sistema modelo que apresenta diversas vantagens sobre o uso de raízes para a realização deste trabalho. Os objetivos deste estudo foram de a) determinar condições apropriadas para a exposição destas células a acidez; b) caracterizar a resposta destas células a pH baixo, sob influência de diferentes fatores ambientais, quando se encontram em estados distintos de sensibilidade ao pH baixo; e c) verificar se mudanças na sensibilidade das células a pH baixo podem ser decorrentes de alterações na composição da membrana plasmática ou na atividade das ATPases. Vários testes iniciais foram realizados com o intuito de se definir algumas condições experimentais - o tempo de exposição, a composição do meio e o tampão a ser empregado. Optou-se por lavar as células e depois incubá-las por 1h em meio simples com pH desejado e contendo apenas Ca \'Cl IND. 2\' 2mM, KCl 10mM. E o tampão MES ou biftalato (10 mM). O biftalato foi testado porque o tampão MES, usado normalmente no meio de cultura completo, não é eficiente na faixa de pH abaixo de 5,0. O biftalato (pKa = 4,1) praticamente não afetou a viabilidade celular avaliada pela permeabilidade a trypan blue, mas inibiu o crescimento celular no meio de cultura completo. Mesmo assim, os dois tampões foram utilizados em paralelo em diversos experimentos e verificou-se que os resultados foram semelhantes. A viabilidade das células na fase log (2 dias) foi reduzida quando se abaixou o pH de 5,6 a 3,8, sendo que caiu mais acentuadamente até o pH de 4,8. As células da fase estacionaria (7d) foram insensíveis ao baixo pH. A um pH fixo de 4,2 aumentando-se a concentração de Ca \'Cl IND. 2\' para cerca de 8 a 16 mM praticamente aboliu o efeito deletério do pH baixo. Para se ter o mesmo efeito com a adição de KCl, foi necessário adicionar entre 80 e 160 mM. A adição de sacarose também amenizou os efeitos do pH\'sendo praticamente revertido a uma concentração de 100 Mm. Os resultados indicam a importância da força iônica e da osmolaridade da solução, mas o efeito de Ca não parece depender apenas destas duas propriedades. A inibição de ATPases, pelo uso de DCCD, não pareceu ter qualquer relação com a sensibilidade a pH baixo. Tanto células de tabaco na fase log quanto estacionárias foram sensíveis à aplicação de ortovanadato de sódio. Em células da fase estacionária, este efeito mais acentuado a pH 4,2, sugerindo que nestas células, as H+ ATPases do tipo P da membrana plasmática podem ter algum papel na tolerância destas células ao baixo pH. Encontrou-se diferenças no perfil protéico de frações enriquecidas em membrana plasmática entre células da fase log e estacionárias e entre células tratadas ou não a pH baixo. Estas diferenças precisam ser melhor estudadas. / Acid soils account for about 40 % of the surface area of the world and are one of the major factors limiting plant productivity. In Brazil, these soils comprise roughly two-thirds of its total territory. In general, soil acidity is detrimental because it limits the depth of the root system, increasing susceptibility to drought and decreasing the use of nutrients. In addition to the high levels of hydrogen ion activity, acid soils usually have Al toxicity hazards, a topic which has been intensely studied in the past years. However, Al toxicity only occurs at low pH, under conditions in which proton toxicity is also a problem. Despite this, studies of proton toxicity are lacking. The sensitivity of cells to low pH depends on their growth and developmental status. In roots, the most sensitive cells are those of the elongation zone and in cell cultures, cells in the log phase are more sensitive than those of the stationary phase. This study is part of a larger attempt to explore the differences that exist between cells with respect to their sensitivity to low pH to further understand toxicity and tolerance to protons. Cells of tobacco BY-2, a plant cell model system which has several advantages over the use of roots, was used in this study. The objectives were a) to determine the appropriate conditions to expose these cells to low pH; b) characterize the response of these cells to low pH, when different environmental factors are varied and at different stages of cellular sensitivity to acidity; and c) examine if changes in the sensitivity of cells to low pH are due to changes in the composition of plasma membranes or in the activity of ATPases. Several preliminary tests were performed to define the experimental conditions to be used ? the duration of exposure to low pH, the composition of the medium and the buffer to be used. A simple solution containing only CaCl2 2mM, KCl 10 mM and MES or phthalate buffer (10 mM) was chosen to wash and incubate the cells at the pH of interest. Phthalate was tested because MES, the buffer normally used in the culture medium, is not effective at pH values below 5.0. Phthalate (pKa = 4,1) had very little effects on cell viability as evaluated by membrane permeability to trypan blue, but it severely inhibited the growth of the cell culture in complete medium. Nevertheless, both buffers were used in several subsequent experiments, the results of which were found to be similar between both buffers. The viability of log-phase cells (2 day-old) was reduced when the pH was lowered from pH 5,6 to 3.8, but this was sharper down to pH 4,8. Cells in stationary phase (7 day-old) were insensitive to low pH. At a fixed pH of 4,2, increases in the concentration of CaCl2 up to 8 or 16 mM abolished most of the deleterious effects of low pH. To generate the same effect, KCl had to be added at concentrations between 80 and 160 mM. The addition of sucrose also alleviated the effects of low pH. The results suggest the importance of solution ionic strength and osmolarity on sensitivity to low pH, but the effects of Ca do not appear to depend only on these two properties. The inhibition of ATPases, by DCCD, did not appear to bear any relation to cellular sensitivity to low pH. Both log-phase and stationary-phase cells were affected by the addition of sodium orthophosphate. In stationary-phase cells, this effect was more pronounced at pH 4,2, suggesting that in these cells, P-type H+-ATPases of the plasma membrane may play a role in the tolerance of these cells to lo pH. Differences were found in the protein profile of enriched plasma membrane fractions both between log-phase and stationary-phase cells and between cells treated or not with low pH. These differences, however, need to be better examined.

Os solos ácidos recobrem, cerca de 40% da área terrestre, constituindo-se em um dos principais fatores limitantes à população à produção vegetal do planeta. No Brasil, os solos ácidos abrangem cerca de dois terços do território nacional. De um modo geral, a acidez do subsolo reduz a profundidade do sistema radicular, aumentando a susceptibilidade à seca e diminuindo o uso de nutrientes pelas plantas. Além da alta atividade de íon hidrogênio (H+), os solos ácidos geralmente apresentam níveis tóxicos de alumínio, sendo que a toxicidade por AI tem sido intensivamente investigada nos últimos anos. No entanto, a toxicidade por AI ocorre apenas a pH baixo e em condições onde a toxicidade por prótons geralmente também se manifesta. Apesar disto, trabalhos envolvendo a toxicidade por prótons são escassos. A sensibilidade de células a pH baixo depende da fase de crescimento e desenvolvimento em que estas se encontram. Em raízes, as células mais sensíveis são as da região de alongamento e em suspensões celulares as células na fase log de crescimento são mais sensíveis do que as células na fase estacionária. Este trabalho faz parte de uma linha de pesquisa que procura explorar as diferenças que existem entre células quanto à sensibilidade a pH baixo para melhor entender a toxicidade e tolerância a prótons. Foram utilizadas células da cultura de tabaco cv. BY-2, um sistema modelo que apresenta diversas vantagens sobre o uso de raízes para a realização deste trabalho. Os objetivos deste estudo foram de a) determinar condições apropriadas para a exposição destas células a acidez; b) caracterizar a resposta destas células a pH baixo, sob influência de diferentes fatores ambientais, quando se encontram em estados distintos de sensibilidade ao pH baixo; e c) verificar se mudanças na sensibilidade das células a pH baixo podem ser decorrentes de alterações na composição da membrana plasmática ou na atividade das ATPases. Vários testes iniciais foram realizados com o intuito de se definir algumas condições experimentais - o tempo de exposição, a composição do meio e o tampão a ser empregado. Optou-se por lavar as células e depois incubá-las por 1h em meio simples com pH desejado e contendo apenas Ca \'Cl IND. 2\' 2mM, KCl 10mM. E o tampão MES ou biftalato (10 mM). O biftalato foi testado porque o tampão MES, usado normalmente no meio de cultura completo, não é eficiente na faixa de pH abaixo de 5,0. O biftalato (pKa = 4,1) praticamente não afetou a viabilidade celular avaliada pela permeabilidade a trypan blue, mas inibiu o crescimento celular no meio de cultura completo. Mesmo assim, os dois tampões foram utilizados em paralelo em diversos experimentos e verificou-se que os resultados foram semelhantes. A viabilidade das células na fase log (2 dias) foi reduzida quando se abaixou o pH de 5,6 a 3,8, sendo que caiu mais acentuadamente até o pH de 4,8. As células da fase estacionaria (7d) foram insensíveis ao baixo pH. A um pH fixo de 4,2 aumentando-se a concentração de Ca \'Cl IND. 2\' para cerca de 8 a 16 mM praticamente aboliu o efeito deletério do pH baixo. Para se ter o mesmo efeito com a adição de KCl, foi necessário adicionar entre 80 e 160 mM. A adição de sacarose também amenizou os efeitos do pH\'sendo praticamente revertido a uma concentração de 100 Mm. Os resultados indicam a importância da força iônica e da osmolaridade da solução, mas o efeito de Ca não parece depender apenas destas duas propriedades. A inibição de ATPases, pelo uso de DCCD, não pareceu ter qualquer relação com a sensibilidade a pH baixo. Tanto células de tabaco na fase log quanto estacionárias foram sensíveis à aplicação de ortovanadato de sódio. Em células da fase estacionária, este efeito mais acentuado a pH 4,2, sugerindo que nestas células, as H+ ATPases do tipo P da membrana plasmática podem ter algum papel na tolerância destas células ao baixo pH. Encontrou-se diferenças no perfil protéico de frações enriquecidas em membrana plasmática entre células da fase log e estacionárias e entre células tratadas ou não a pH baixo. Estas diferenças precisam ser melhor estudadas. / Acid soils account for about 40 % of the surface area of the world and are one of the major factors limiting plant productivity. In Brazil, these soils comprise roughly two-thirds of its total territory. In general, soil acidity is detrimental because it limits the depth of the root system, increasing susceptibility to drought and decreasing the use of nutrients. In addition to the high levels of hydrogen ion activity, acid soils usually have Al toxicity hazards, a topic which has been intensely studied in the past years. However, Al toxicity only occurs at low pH, under conditions in which proton toxicity is also a problem. Despite this, studies of proton toxicity are lacking. The sensitivity of cells to low pH depends on their growth and developmental status. In roots, the most sensitive cells are those of the elongation zone and in cell cultures, cells in the log phase are more sensitive than those of the stationary phase. This study is part of a larger attempt to explore the differences that exist between cells with respect to their sensitivity to low pH to further understand toxicity and tolerance to protons. Cells of tobacco BY-2, a plant cell model system which has several advantages over the use of roots, was used in this study. The objectives were a) to determine the appropriate conditions to expose these cells to low pH; b) characterize the response of these cells to low pH, when different environmental factors are varied and at different stages of cellular sensitivity to acidity; and c) examine if changes in the sensitivity of cells to low pH are due to changes in the composition of plasma membranes or in the activity of ATPases. Several preliminary tests were performed to define the experimental conditions to be used ? the duration of exposure to low pH, the composition of the medium and the buffer to be used. A simple solution containing only CaCl2 2mM, KCl 10 mM and MES or phthalate buffer (10 mM) was chosen to wash and incubate the cells at the pH of interest. Phthalate was tested because MES, the buffer normally used in the culture medium, is not effective at pH values below 5.0. Phthalate (pKa = 4,1) had very little effects on cell viability as evaluated by membrane permeability to trypan blue, but it severely inhibited the growth of the cell culture in complete medium. Nevertheless, both buffers were used in several subsequent experiments, the results of which were found to be similar between both buffers. The viability of log-phase cells (2 day-old) was reduced when the pH was lowered from pH 5,6 to 3.8, but this was sharper down to pH 4,8. Cells in stationary phase (7 day-old) were insensitive to low pH. At a fixed pH of 4,2, increases in the concentration of CaCl2 up to 8 or 16 mM abolished most of the deleterious effects of low pH. To generate the same effect, KCl had to be added at concentrations between 80 and 160 mM. The addition of sucrose also alleviated the effects of low pH. The results suggest the importance of solution ionic strength and osmolarity on sensitivity to low pH, but the effects of Ca do not appear to depend only on these two properties. The inhibition of ATPases, by DCCD, did not appear to bear any relation to cellular sensitivity to low pH. Both log-phase and stationary-phase cells were affected by the addition of sodium orthophosphate. In stationary-phase cells, this effect was more pronounced at pH 4,2, suggesting that in these cells, P-type H+-ATPases of the plasma membrane may play a role in the tolerance of these cells to lo pH. Differences were found in the protein profile of enriched plasma membrane fractions both between log-phase and stationary-phase cells and between cells treated or not with low pH. These differences, however, need to be better examined.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Heric Denis Farias.pdf: 2196819 bytes, checksum: ebe776ba26727b6ab81d9c4b1fb49e5d (MD5) Previous issue date: 2016-09-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The application of high electric fields on biological cells causes the formationof pores in the cell membrane, thereby causing an increase in their permeability. This phenomenon, called electropermeabilization have attracted increasing attention due to its wide application in biotechnology. Even being known for decades, the pore opening process in biological cell membranes is still not fully understood, nor was it even properly modeled. In this paper, two types of modeling are presented, which allow characterizing the electropermeabilization in biological cell suspensions. One of the methods is based on the analysis of the electrical impedance spectra of suspensions using genetic algorithm to determine parameters of a generic model dielectric dispersion. The other method uses instantaneous voltage and current values applied to a cell suspension during the electroporation experiment to determine the variation of the medium conductivity and thus, through the analytical model proposed by Ramos and colleagues (RAMOS et al., 2012), determine the cell conductivities. By modeling the impedance spectrum, it was observed the change in the dielectric dispersion of the sample due to the electropermeabilization process, in addition to obtaining the electrical conductivity and permittivity of the involved media. Using the electroporated cell model proposed by Ramos and colleagues (RAMOS et al., 2012), it was possible to determine the change of membrane conductance during the electropermeabilization. The validity of this model is assessed using finite element simulations, which showed good agreement with the analytical model used. Genetic algorithms are used in obtaining the parameters of the various models presented, showing great robustness in obtaining parameters based on the git between experimental and theoreticalcurves. / A aplicação de campos elétricos intensos em células biológicas provoca a formação de poros na membrana celular, causando assim o aumento de sua permeabilidade. Este fenômeno, denominado de eletropermeabiliza ção têm atraído cada vez mais atenção devido a sua ampla aplicação em biotecnologia. Mesmo sendo conhecido há várias décadas, o processo de abertura de poros em membranas de células biológicas ainda não é plenamente entendido e nem foi ainda corretamente modelado. Neste trabalho, apresenta-se dois tipos de modelagem que permitem a caracterização da eletropermeabilização em suspensões de células biológicas. Um dos métodos baseia-se na análise do espectro de impedância elétrica de suspensões com o uso de algoritmo genético para determinar parâmetros de um modelo genérico de dispersão dielétrica. O outro método utiliza valores instantâneos de tensão e corrente aplicados em uma suspensão de células durante um experimento de eletropermeabiliza ção para determinar a variação da condutividade do meio e com isso, através do modelo analítico proposto por Ramos e colaboradores (RAMOS et al., 2012), determinar a condutividade das células. Através da modelagem do espectro de impedância, foi possível verificar a alteração da dispersão dielétrica da amostra devido ao processo de eletropermeabiliza ção, além da obtenção das condutividades e permissividades elétricas dos meios envolvidos. Utilizando o modelo de célula eletropermeabilizada proposto por Ramos e colegas (RAMOS et al., 2012), foi possível obter a variação da condutância de membrana durante a eletropermeabilização. A validade deste modelo é avaliada utilizando simulações em elementos infinitos, as quais apresentaram grande concordância com o modelo analítico utilizado. Algoritmos genéticos são utilizados na obtenção dos parâmetros dos diversos modelos apresentados, mostrando grande robustez na obtenção de parâmetros baseada no ajuste entre curvas experimentais e teóricas.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carlos Toshiyuki Matsumi.pdf: 2530177 bytes, checksum: d45251b727305a9062002cf939cb57eb (MD5) Previous issue date: 2009-07-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Electropermeabilization is the process of transient increase in the permeability of biological membranes of cells subjected to intense electric fields. This technique is currently still in development and has important clinical and technological applications such as electrochemotherapy and gene transfer. Electroporator is the equipment used in the generation and application of such intense fields. This dissertation presents the design, construction and testing of an electroporator for use in biomedical research. The proposed equipment presents versatility and performance appropriate to allow for different types of experiments with biological tissues or cell suspensions. It consists of a voltage generator with programmable wave form, a high voltage amplifier with high output current capability and a system for transduction of voltage and current in the sample. Both the generation of signal as the measured values in the load are monitored by a program built in LabVIEW® environment that triggers a data acquisition card with 16 bits of resolution. The performance of the electronic system developed fully meets the requirements of project. The amplifier can deliver up to 500V and 5A to the load during a time interval enough for the testing of electropermeabilization. The bandwidth, slightly higher than 100kHz and the step response time of the order of 1&#956;s are suitable for performing experiments with different waveforms and different sizes of cells. An important application of the equipment built is demonstrated with an experiment of electropermeabilization in suspension of red cells of rats. This result demonstrated the occurrence of increased conductivity of the sample during stimulation with high-intensity electric field. / Eletropermeabilização é o processo de aumento transitório da permeabilidade das membranas de células biológicas submetidas a campos elétricos intensos. Esta é uma técnica atualmente ainda em desenvolvimento e que possui importantes aplicações clínicas e tecnológicas tais como a eletro quimioterapia e a transferência genética. Os eletropermeabilizadores são equipamentos usados na geração e aplicação desses campos intensos. Esta dissertação apresenta o projeto, construção e teste de um eletropermeabilizador para uso em pesquisa biomédica. O equipamento proposto apresenta versatilidade e desempenho adequados para permitir a realização de diferentes tipos de ensaios com tecidos biológicos ou suspensões de células. É constituído de um gerador de tensão com forma de onda programável, um amplificador de alta tensão e alta corrente de saída e um sistema de transdução de tensão e corrente na amostra analisada. Tanto a geração de sinal quanto os valores medidos na carga são monitorados por um programa construído em ambiente LabVIEW® que aciona uma placa de aquisição de dados com 16 bits de resolução. O desempenho do sistema eletrônico desenvolvido atende completamente os requisitos de projeto. O amplificador pode fornecer até 500V de amplitude de tensão com 5A de corrente de carga durante intervalos de tempo suficientes para os ensaios de eletropermeabilização. A banda passante pouco maior que 100KHz e os tempos de resposta ao degrau da ordem de 1&#956;s são adequados para a realização de experimentos com diferentes formas de onda e diferentes tamanhos de células. Uma importante aplicação do equipamento construído é exemplificada com um experimento de eletropermeabilização em suspensão de hemácias de rato, sendo demonstrada a ocorrência de aumento da condutividade da amostra durante a estimulação com campo elétrico de alta intensidade.

L'étude phytochimique d'Armeria maritima et d'Helichrysum stoechas a permis d'isoler pour la première fois 31 molécules dans le genre Armeria dont 4 nouveaux flavonols diglycosylés, ainsi que le développement d'une stratégie de déréplication pour l'étude d'H. stoechas. Dans les deux espèces, nous avons relevé une richesse en polyphénols, qui pourraient être extraits par des techniques respectueuses de l'environnement comme la SFE. En parallèle, ces deux halophytes ont montré un fort potentiel biologique avec des extraits et des molécules dotés d'activités anti-oxydante, anti-collagénase, anti-inflammatoire ou encore cicatrisante. De plus, nous avons initié pour la première fois des suspensions cellulaires d'A. maritima et identifié des éliciteurs comme le méthyl jasmonate permettant d’augmenter dans les cellules d'H. stoechas la teneur en acide 3,5-dicaféoylquinique, un bio-marqueur de l'activité anti-inflammatoire. La production de molécules bioactives dans des cultures végétales in vitro pourrait par la suite être transposée à plus grande échelle, afin d’amplifier le potentiel de valorisation de ces deux halophytes en dermo-cosmétique. / The phytochemical study of Armeria maritima and Helichrysum stoechas led to the isolation of 31 molecules never reported before in the genus Armeria, 4 of which being new flavonol diglycosides, and to the development of a dereplication strategy for the study of H. stoechas. In both species, an abundance of polyphenols was observed, which could be extracted with eco-friendly methods like SFE. Both halophytes showed a strong biological potential as their extracts and molecules demonstrated antioxidant, anti-collagenase, anti-inflammatory and wound healing activities. Moreover, we initiated for the first time cell suspensions of A. maritima, and identified elicitors, such as methyl-jasmonate, which led to H. stoechas cell suspensions with an increased content in 3,5-dicaffeoylquinic acid, a bio-marker of anti-inflammatory activity. The production of bioactive molecules in "plant cell factories" could be scaled-up to enhance the valorization potential of both halophytes in dermocosmetics.