Quitosana é um polissacarídeo usado em diversas aplicações biológicas, por exemplo, em liberação controlada de drogas, transfecção, aceleração da cicatrização de feridas e como agente bactericida, entre outras. Em todas essas aplicações, o polímero interage com tecidos e células. Entretanto, embora sua ação seja comprovada, os mecanismos de ação e a interação do polímero com células e biomembranas no nível molecular ainda não são conhecidos. Nesta tese de doutorado, filmes de Langmuir e Langmuir-Blodgett (LB) de lipídios foram usados como modelos de membrana celular para estudar em nanoescala a interação e os efeitos causados pela quitosana. Primeiramente, observou-se que a quitosana, um polieletrólito solúvel em pH ácidos, possui atividade superficial induzida na presença de um filme interfacial de lipídio, demonstrando que o polímero possui interação favorável com membranas. Após adsorver sobre as monocamadas, a quitosana expande as mesmas, o que ocorre apenas até uma determinada concentração de polímero, denominada concentração de saturação. A magnitude dessa expansão é menor para filmes compactos, o que sugere que a quitosana é parcialmente expulsa da interface, localizando-se na subsuperfície. Isso foi comprovado com o uso de filmes LB, que mostraram que filmes mistos com quitosana têm rugosidade cerca de 10 vezes a de filmes puros de ácido dimiristoil fosfatídico (DMPA). Foi possível confirmar que a quitosana penetra na monocamada, formando agregados com até 150 nm de altura. Além disso, a maior orientação das moléculas de fosfolipídios, sugerida por isotermas de potencial de superfície (V-A) para filmes de Langmuir, também foi comprovada para os filmes LB por medidas de espectroscopia de geração de soma de freqüências (SFG). Filmes mistos de DMPA e colesterol também foram estudados, sendo que o colesterol provoca condensação nos filmes de DMPA a baixas pressões, mas expande as monocamadas em altos estágios de compactação. Quando a quitosana interage com os filmes mistos, ela provoca a mesma expansão para todas as monocamadas independentemente da proporção de colesterol na mistura. Embora esse comportamento possa sugerir um papel inerte do colesterol, ele é explicado pela modulação da penetração da quitosana nos filmes pelo colesterol. Isso ocorre porque há um número fixo de pontos de interações eletrostáticas entre os grupos NH3+ da quitosana e PO2- do DMPA, o que foi comprovado por medidas de espectroscopia de reflexão-absorção na região do infravermelho com modulação da polarização (PM-IRRAS). Com esta técnica para filmes de Langmuir, e espectroscopia SFG para filmes LB, pôde ser traçado um panorama dos efeitos da inserção de colesterol na membrana de DMPA, seguido da interação da quitosana com a membrana mista. A adição do colesterol ao filme de fosfolipídio acarreta em diminuição da ordem das cadeias de DMPA, detectado por variações nas bandas de s(CH2) e ass(PO2-) do fosfolipídio no espectro de PM-IRRAS, e pela razão s(CH3)/s(CH2) nos espectros de SFG. Por outro lado, a interação da quitosana com esse filme misto causa recuperação da orientação das caudas polares do fosfolipídio, verificada pela análise das mesmas bandas de PM-IRRAS e pela razão s(CH3)/s(CH2), que diminui de 6,62 para 4,58 com a adição de colesterol, mas volta a 5,97 após a interação com o polímero. De forma geral, a ação da quitosana sobre biomembranas é governada principalmente por interações eletrostáticas com lipídios carregados negativamente, na superfície externa das mesmas. Dentre os principais efeitos causados pelo polímero, destaca-se a diminuição da elasticidade da membrana e o aumento da orientação das moléculas de lipídio, que podem ter importantes implicações biológicas. A observação de uma concentração de saturação dos efeitos, na maioria dos casos, sugere que a dosagem e a estrutura química da quitosana devem ser bem controladas para alcançar o efeito biológico desejado. / Chitosan is a polyssaccharide with many biological applications, as in drug delivery, transfection, wound healing and as bactericidal agent, for instance. In all these applications the polymer interacts with tissues and cells. The efficacy of chitosan has been proven, but the mechanisms of action and the interactions with cells and biomembranes are still unknown. In this thesis, Langmuir and Langmuir-Blodgett (LB) films made of lipids were employed as cell membrane models, in order to investigate the interactions and modulations caused by chitosan at the molecular level. Firstly, the soluble polyelectrolyte chitosan was found to induce surface activity when a lipid monolayer is at the air/water interface, demonstrating that the interaction of chitosan with membranes is favorable. Upon chitosan adsorption, the monolayers were increasingly expanded with increasing chitosan concentration in the subphase up to a saturation concentration. The extension of this expansion was lower for highly packed films, suggesting that chitosan was partially expelled from the interface after the compression, being located at the sub-monolayer region. This was confirmed by the 10-fold increase in film roughness observed for the areas without aggregates in LB films. Also, we could observe aggregates as high as 150 nm on the film surface, thus confirming chitosan penetration in the dimyristoyl phosphatidic acid (DMPA) monolayer. Mixed DMPA-cholesterol Langmuir monolayers were also produced, with cholesterol inducing condensation of the DMPA films at low pressures, and film expansion at high pressures. Regardless of the cholesterol proportion in the film, chitosan always induced the same degree of expansion on the DMPA mixed monolayers as for a neat DMPA monolayer. Although this behaviour may suggest an inert role for cholesterol, it can only be explained if the sterol is assumed to regulate the extension of chitosan penetration into the monolayer. This occurs because there is a fixed number of sites for electrostatic interactions between NH3+ groups from chitosan and PO2- from DMPA, probed by infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) measurements. Indeed, with PM-IRRAS measurements for Langmuir monolayers and sum-frequency generation spectroscopy (SFG) measurements for LB films, we could establish an overview of the effects from cholesterol on DMPA films upon interaction with chitosan. The addition of cholesterol to the DMPA monolayer caused a decrease in the chain order, which was detected by changes in the s(CH2) and ass(PO2-) bands from the phospholipid in the PM-IRRAS spectrum, and by the s(CH3)/s(CH2) intensity ratio in SFG measurements. On the other hand, the interaction of chitosan with these mixed monolayers restored chain order, as observed from the analysis of PM-IRRAS bands and the s(CH3)/s(CH2) in SFG. The latter dropped from 6.62 to 4.58 with cholesterol addition, but further increased to 5.97 with the chitosan interaction. Overall, the chitosan action on biomembranes is mainly governed by electrostatic interactions with negatively charged lipids at the external leaflet of the membrane. The main effects from chitosan to the membrane models are the decrease in membrane elasticity and the increase in molecular ordering, which can lead to important biological implications. Moreover, the existence of the so-called concentration of saturation for most systems suggests that the dosage and chemical structure of chitosan must be well controlled to obtain the desired biological effect.

O desenvolvimento da nanociência e nanotecnologia promoveu uma nova fronteira no estudo da matéria, permitindo que materiais já conhecidos tivessem suas propriedades redescobertas ao serem manipulados em nível molecular. Vários materiais vêm apresentando relevância na nanociência e nanotecnologia, como os nanotubos de carbono (CNTs), nanopartículas (NPs) e óxido de grafeno, uma vez que os CNTs e óxido de grafeno são dotados de propriedades mecânicas, térmicas e elétricas que os tornam apropriados para o desenvolvimento e a aplicação em dispositivos, especialmente na área biotecnológica e de sensores. Diversas áreas se beneficiam com o uso da tecnologia em nanopartículas (NPs), por exemplo: alimentícia, médica, agronegócio, cosmética, etc. Uma possível perspectiva na utilização desses nanomateriais em sistemas biológicos torna muito interessante investigar como tais materiais interagem em nível molecular com modelos de membranas celulares e com células. Esta tese tem como objetivos: i) investigar detalhadamente a interação entre nanopartículas (Fe3O4/Dextran; Fe3O4/PDAC; PDAC; Dextran) e nanotubos de carbono com modelos de membranas celulares; e ii) desenvolver nanofibras poliméricas pela técnica de electrospinning para ser utilizada com óxido de grafeno como modelos mimetizados (scaffolds) para a diferenciação de células-tronco neurais. Os filmes ultrafinos foram fabricados utilizando as técnicas de Langmuir e Langmuir-Blodgett. Esses nanomateriais foram avaliados através da técnica de Espectroscopia vibracional por Geração de Soma de Frequências. A espectroscopia SFG é sensível a interfaces. Nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) foram fabricadas pela técnica de electrospinning. Scaffolds com óxido de grafeno/Nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) foram desenvolvidos como suportes sólidos para a diferenciação de células-tronco neurais de rato. Óxido de grafeno em diferentes concentrações foi incorporado nas nanofibras poliméricas. Os modelos deste sistema foram investigados por imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura. Os resultados mostraram que a carga eletrostática de cada fosfolipídio utilizado pode influenciar nas interações com os nanomateriais (nanopartículas ou nanotubos de carbono), podendo resultar em uma desestruturação no modelo de membrana celular. Scaffolds contendo nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) com óxido de grafeno representaram um eficiente modelo mimetizado para a interação/diferenciação de células-tronco neurais de rato conforme revelado por imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura. Estas imagens mostraram que o sistema de nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) com 1,0 mg/mL de óxido de grafeno foram ideais para a diferenciação de oligodendrócitos em células-tronco neurais de rato. / The development of nanoscience and nanotechnology promoted a new frontier on the study of matter, allowing conventional materials to exhibit novel or improved properties. Several materials show relevance in nanoscience and nanotechnology, such as carbon nanotubes (CNTs), nanoparticles (NPs) and graphene oxide. CNTs and graphene oxide, for example, exhibit unique mechanical, thermal and electrical properties, which make them appropriate to the development and application in devices, especially in biotechnology and sensors areas. Many areas are benefited from the use of nanoparticles (NPs), such as food, medical, agrobusiness, cosmetic etc. The perspective regarding the use of nanomaterials in biological systems requires the understanding on how these materials interact at the molecular level with cell membrane models and with cells. The objectives of this thesis are: i) to investigate the interaction between nanoparticles (Fe3O4/Dextran; Fe3O4/PDAC; PDAC; Dextran) and carbon nanotubes with cell membrane models; and ii) to develop polymeric nanofibers via electrospinning technique, to be used with graphene oxide as mimic models (scaffolds) in the differentiation of neural stem cells. The cell membrane models were manufactured using Langmuir and Langmuir-Blodgett techniques. These nanomaterials were evaluated through Sum Frequency Vibrational Spectrosocopy (SFG). Poly(ε-Caprolactone) nanofibers were manufactured by electrospinning technique. Scaffolds with graphene oxide/Poly(ε-Caprolactone) were developed as solid supports for differentiation of rats neural stem cells. This biosystem was investigated via Scanning Electron Microscopy and biochemical essays. The results showed that the charge of each phospholipid influenced the interactions with the nanomaterials (nanoparticles or carbon nanotubes), in some cases, resulting in a disruption of the cell membrane model. Scaffolds with Poly(ε-Caprolactone) nanofibers obtained via electrospinning with graphene oxide represented an efficient mimic model for interaction/differentiation of neural stem cells as shown via Scanning Electron Microscopy. The images revealed that the PCL nanofibers system with 1.0 mg/mL of graphene oxide were ideal to the differentiation of oligodendrocytes in neural stem cells.

Um programa computacional foi desenvolvido para otimização de geometria e simulação de dinâmica molecular baseado em um campo de forças clássicas parametrizado. O solvente foi considerado como um contínuo eletrostático e a interface entre o meio aquoso e o interior de uma membrana biológica como uma superfície de descontinuidade dielétrica, tratada pelo \"método das imagens eletrostáticas\". Nesse método, o campo de polarização produzido na superfície de descontinuidade por uma carga pontual é representado por uma carga fictícia, colocada na fase oposta, cuja distância e sinal é definida pelas condições de contorno na superfície. Diversos sistemas foram estudados, tanto em solventes contínuos como na presença de superfícies de descontinuidade: a) Foram estudadas as distribuições populacionais dos rotâmeros do triptofano na forma zwitteriônica e no peptídeo Ala-Trp- Ala, em solvente polar e apolar. Foi demonstrado que a dinâmica do triptofano e as populações de rotâmeros são compatíveis com as observações experimentais de fluorescência resolvida no tempo e NMR; b) Em um estudo das conformações em polialanina, verificou-se que a estabilidade da estrutura secundária hélice- é um efeito cooperativo entre pontes de hidrogênio em solvente de baixa constante dielétrica. Na presença da interface água-membrana, a hélice- anfifílica de um modelo para a -endorfina estabiliza-se sobre a interface. Um comportamento anfifílico foi também observado na seqüência sinal para o receptor- da e. coli, a qual estabilizou-se perpendicularmente à interface, na conformação parcial hélice- proposta na literatura; c) Em um estudo sobre o hormônio -MSH observou-se que, em solvente polar, de uma conformação helicoidal ele passa para uma conformação estendida. Porém, ao atravessar para o interior hidrofóbico de uma membrana, o peptídeo estabiliza-se em dobra-. Observou-se ainda que a estabilidade dessa conformação no interior da membrana é reforçada por pontes salinas entre os resíduos carregados do peptídeo, os quais formam um \"caroço\" hidrofílico circundado por resíduos hidrofóbicos. Esse arranjo estrutural está em concordância com o proposto para a conformação biologicamente ativa. De um modo geral, o modelo para biomembrana proposto no presente trabalho reproduziu o comportamento hidrofóbico, hidrofílico ou anfifílico dos peptídeos estudados. / A software was developed for optimisation of geometry and molecular dynamics simulation, based on a parameterized classical force field. Solvent was assumed as an electrostatic continuum. The interface between the aqueous medium and the hydrophobic core of biological membranes was described by a surface of dielectric discontinuity, treated by the \"method of images\". In this method, the polarization field produced at the surface of discontinuity by a point charge was represented by a fictitious charge, placed in the opposite phase. The position and signal of this charge-image were defined by boundary conditions at the surface. Several systems were studied, either in continuous solvent, as in the presence of discontinuity surfaces: a) the population distribution of tryptophan rotamers was studied in the zwytterion and in the peptide Ala-Trp-Ala, in polar and apolar solvents; the results for the tryptophan dynamics and the rotamers populations agree with experimental observations using time resolved fluorescence and NMR spectroscopies. b) analysis of polyalanin conformations showed that the stabililty of the -helix is a cooperative effect between hydrogen bonds in low dielectric constant solvent; in the presence of the water-membrane interface, the amphyphilic -helix of a -endorphin model stabilizes on the interface; a similar behavior was observed in the signal sequence for the E. Coli -receptor, that stabilized perpendicular to the interface in a partial -helix conformation, as proposed in the literature. c) calculations on melanotropic hormone a.-MSH showed that in polar solvent it goes from helycoidal conformation to an extended one; in the presence of the interface water-membrane, the peptide goes into the interior of the membrane and stabilizes in a -turn; the stability ofthis conformation was reinforced by salt bridges between charged residues, forming a hydrophilic core surrounded by hydrophobic residues; this structural arrangement agrees with the one proposed for the biologically active conformation of the hormone. In general terms, the model proposed here for the biomembrane was able to mimic the hydrophobic, hydrophihlic or amphyphilic behavior of the peptides studied.

A simulação computacional de membranas biológicas, em particular membranas formadas por bicamadas lipídicas, é uma área de grande interesse na atualidade. Enquanto simulações moleculares são bastante populares, a simulação na escala de uma célula inteira requer modelos baseados na mecânica dos meios contínuos. Essas membranas apresentam um comportamento de fluido viscoso incompressível bidimensional. Além disso, as formas de equilíbrio são bem explicadas pela energia de Canham-Helfrich, que depende da curvatura da membrana. Neste trabalho, um novo método de simulação de membranas viscosas, baseado em elementos finitos, é apresentado. Ele se inspira no conceito de James Clerk Maxwell de elasticidade fugaz, o qual é usado para adaptar técnicas bem estabelecidas de simulação de membranas elásticas. Trata-se do primeiro método a levar em conta, de maneira rigorosa, o aspecto viscoso da membrana, que é dominante na escala de tamanho de uma célula biológica, além da sua característica de fluido incompressível / The computational simulation of biological membranes, in particular of those made of lipid bilayers, is currently an area of great interest. While molecular simulations are quite popular, the simulation on the scale of a whole cell requires models based on continuum mechanics. Those membranes behave like a bidimensional incompressible viscous fluid. Furthermore, the equilibrium shapes are well explained by means of the Canham-Helfrich energy, which depends on the curvature of the membrane. In this work, a novel finite element based method for the simulation of viscous membranes is presented. It is inspired by James Clerk Maxwells concept of fugitive elasticity, which is used to adapt well established simulation techniques for elastic membranes. This is the first method to take into account, in a rigorous fashion, the viscous aspect of the membrane, which is dominant at the length scale of a biological cell, in addition to its characteristics as an incompressible fluid

Um programa computacional foi desenvolvido para otimização de geometria e simulação de dinâmica molecular baseado em um campo de forças clássicas parametrizado. O solvente foi considerado como um contínuo eletrostático e a interface entre o meio aquoso e o interior de uma membrana biológica como uma superfície de descontinuidade dielétrica, tratada pelo \"método das imagens eletrostáticas\". Nesse método, o campo de polarização produzido na superfície de descontinuidade por uma carga pontual é representado por uma carga fictícia, colocada na fase oposta, cuja distância e sinal é definida pelas condições de contorno na superfície. Diversos sistemas foram estudados, tanto em solventes contínuos como na presença de superfícies de descontinuidade: a) Foram estudadas as distribuições populacionais dos rotâmeros do triptofano na forma zwitteriônica e no peptídeo Ala-Trp- Ala, em solvente polar e apolar. Foi demonstrado que a dinâmica do triptofano e as populações de rotâmeros são compatíveis com as observações experimentais de fluorescência resolvida no tempo e NMR; b) Em um estudo das conformações em polialanina, verificou-se que a estabilidade da estrutura secundária hélice- é um efeito cooperativo entre pontes de hidrogênio em solvente de baixa constante dielétrica. Na presença da interface água-membrana, a hélice- anfifílica de um modelo para a -endorfina estabiliza-se sobre a interface. Um comportamento anfifílico foi também observado na seqüência sinal para o receptor- da e. coli, a qual estabilizou-se perpendicularmente à interface, na conformação parcial hélice- proposta na literatura; c) Em um estudo sobre o hormônio -MSH observou-se que, em solvente polar, de uma conformação helicoidal ele passa para uma conformação estendida. Porém, ao atravessar para o interior hidrofóbico de uma membrana, o peptídeo estabiliza-se em dobra-. Observou-se ainda que a estabilidade dessa conformação no interior da membrana é reforçada por pontes salinas entre os resíduos carregados do peptídeo, os quais formam um \"caroço\" hidrofílico circundado por resíduos hidrofóbicos. Esse arranjo estrutural está em concordância com o proposto para a conformação biologicamente ativa. De um modo geral, o modelo para biomembrana proposto no presente trabalho reproduziu o comportamento hidrofóbico, hidrofílico ou anfifílico dos peptídeos estudados. / A software was developed for optimisation of geometry and molecular dynamics simulation, based on a parameterized classical force field. Solvent was assumed as an electrostatic continuum. The interface between the aqueous medium and the hydrophobic core of biological membranes was described by a surface of dielectric discontinuity, treated by the \"method of images\". In this method, the polarization field produced at the surface of discontinuity by a point charge was represented by a fictitious charge, placed in the opposite phase. The position and signal of this charge-image were defined by boundary conditions at the surface. Several systems were studied, either in continuous solvent, as in the presence of discontinuity surfaces: a) the population distribution of tryptophan rotamers was studied in the zwytterion and in the peptide Ala-Trp-Ala, in polar and apolar solvents; the results for the tryptophan dynamics and the rotamers populations agree with experimental observations using time resolved fluorescence and NMR spectroscopies. b) analysis of polyalanin conformations showed that the stabililty of the -helix is a cooperative effect between hydrogen bonds in low dielectric constant solvent; in the presence of the water-membrane interface, the amphyphilic -helix of a -endorphin model stabilizes on the interface; a similar behavior was observed in the signal sequence for the E. Coli -receptor, that stabilized perpendicular to the interface in a partial -helix conformation, as proposed in the literature. c) calculations on melanotropic hormone a.-MSH showed that in polar solvent it goes from helycoidal conformation to an extended one; in the presence of the interface water-membrane, the peptide goes into the interior of the membrane and stabilizes in a -turn; the stability ofthis conformation was reinforced by salt bridges between charged residues, forming a hydrophilic core surrounded by hydrophobic residues; this structural arrangement agrees with the one proposed for the biologically active conformation of the hormone. In general terms, the model proposed here for the biomembrane was able to mimic the hydrophobic, hydrophihlic or amphyphilic behavior of the peptides studied.

O desenvolvimento da nanociência e nanotecnologia promoveu uma nova fronteira no estudo da matéria, permitindo que materiais já conhecidos tivessem suas propriedades redescobertas ao serem manipulados em nível molecular. Vários materiais vêm apresentando relevância na nanociência e nanotecnologia, como os nanotubos de carbono (CNTs), nanopartículas (NPs) e óxido de grafeno, uma vez que os CNTs e óxido de grafeno são dotados de propriedades mecânicas, térmicas e elétricas que os tornam apropriados para o desenvolvimento e a aplicação em dispositivos, especialmente na área biotecnológica e de sensores. Diversas áreas se beneficiam com o uso da tecnologia em nanopartículas (NPs), por exemplo: alimentícia, médica, agronegócio, cosmética, etc. Uma possível perspectiva na utilização desses nanomateriais em sistemas biológicos torna muito interessante investigar como tais materiais interagem em nível molecular com modelos de membranas celulares e com células. Esta tese tem como objetivos: i) investigar detalhadamente a interação entre nanopartículas (Fe3O4/Dextran; Fe3O4/PDAC; PDAC; Dextran) e nanotubos de carbono com modelos de membranas celulares; e ii) desenvolver nanofibras poliméricas pela técnica de electrospinning para ser utilizada com óxido de grafeno como modelos mimetizados (scaffolds) para a diferenciação de células-tronco neurais. Os filmes ultrafinos foram fabricados utilizando as técnicas de Langmuir e Langmuir-Blodgett. Esses nanomateriais foram avaliados através da técnica de Espectroscopia vibracional por Geração de Soma de Frequências. A espectroscopia SFG é sensível a interfaces. Nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) foram fabricadas pela técnica de electrospinning. Scaffolds com óxido de grafeno/Nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) foram desenvolvidos como suportes sólidos para a diferenciação de células-tronco neurais de rato. Óxido de grafeno em diferentes concentrações foi incorporado nas nanofibras poliméricas. Os modelos deste sistema foram investigados por imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura. Os resultados mostraram que a carga eletrostática de cada fosfolipídio utilizado pode influenciar nas interações com os nanomateriais (nanopartículas ou nanotubos de carbono), podendo resultar em uma desestruturação no modelo de membrana celular. Scaffolds contendo nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) com óxido de grafeno representaram um eficiente modelo mimetizado para a interação/diferenciação de células-tronco neurais de rato conforme revelado por imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura. Estas imagens mostraram que o sistema de nanofibras de Poli(ε-Caprolactone) com 1,0 mg/mL de óxido de grafeno foram ideais para a diferenciação de oligodendrócitos em células-tronco neurais de rato. / The development of nanoscience and nanotechnology promoted a new frontier on the study of matter, allowing conventional materials to exhibit novel or improved properties. Several materials show relevance in nanoscience and nanotechnology, such as carbon nanotubes (CNTs), nanoparticles (NPs) and graphene oxide. CNTs and graphene oxide, for example, exhibit unique mechanical, thermal and electrical properties, which make them appropriate to the development and application in devices, especially in biotechnology and sensors areas. Many areas are benefited from the use of nanoparticles (NPs), such as food, medical, agrobusiness, cosmetic etc. The perspective regarding the use of nanomaterials in biological systems requires the understanding on how these materials interact at the molecular level with cell membrane models and with cells. The objectives of this thesis are: i) to investigate the interaction between nanoparticles (Fe3O4/Dextran; Fe3O4/PDAC; PDAC; Dextran) and carbon nanotubes with cell membrane models; and ii) to develop polymeric nanofibers via electrospinning technique, to be used with graphene oxide as mimic models (scaffolds) in the differentiation of neural stem cells. The cell membrane models were manufactured using Langmuir and Langmuir-Blodgett techniques. These nanomaterials were evaluated through Sum Frequency Vibrational Spectrosocopy (SFG). Poly(ε-Caprolactone) nanofibers were manufactured by electrospinning technique. Scaffolds with graphene oxide/Poly(ε-Caprolactone) were developed as solid supports for differentiation of rats neural stem cells. This biosystem was investigated via Scanning Electron Microscopy and biochemical essays. The results showed that the charge of each phospholipid influenced the interactions with the nanomaterials (nanoparticles or carbon nanotubes), in some cases, resulting in a disruption of the cell membrane model. Scaffolds with Poly(ε-Caprolactone) nanofibers obtained via electrospinning with graphene oxide represented an efficient mimic model for interaction/differentiation of neural stem cells as shown via Scanning Electron Microscopy. The images revealed that the PCL nanofibers system with 1.0 mg/mL of graphene oxide were ideal to the differentiation of oligodendrocytes in neural stem cells.

A simulação computacional de membranas biológicas, em particular membranas formadas por bicamadas lipídicas, é uma área de grande interesse na atualidade. Enquanto simulações moleculares são bastante populares, a simulação na escala de uma célula inteira requer modelos baseados na mecânica dos meios contínuos. Essas membranas apresentam um comportamento de fluido viscoso incompressível bidimensional. Além disso, as formas de equilíbrio são bem explicadas pela energia de Canham-Helfrich, que depende da curvatura da membrana. Neste trabalho, um novo método de simulação de membranas viscosas, baseado em elementos finitos, é apresentado. Ele se inspira no conceito de James Clerk Maxwell de elasticidade fugaz, o qual é usado para adaptar técnicas bem estabelecidas de simulação de membranas elásticas. Trata-se do primeiro método a levar em conta, de maneira rigorosa, o aspecto viscoso da membrana, que é dominante na escala de tamanho de uma célula biológica, além da sua característica de fluido incompressível / The computational simulation of biological membranes, in particular of those made of lipid bilayers, is currently an area of great interest. While molecular simulations are quite popular, the simulation on the scale of a whole cell requires models based on continuum mechanics. Those membranes behave like a bidimensional incompressible viscous fluid. Furthermore, the equilibrium shapes are well explained by means of the Canham-Helfrich energy, which depends on the curvature of the membrane. In this work, a novel finite element based method for the simulation of viscous membranes is presented. It is inspired by James Clerk Maxwells concept of fugitive elasticity, which is used to adapt well established simulation techniques for elastic membranes. This is the first method to take into account, in a rigorous fashion, the viscous aspect of the membrane, which is dominant at the length scale of a biological cell, in addition to its characteristics as an incompressible fluid

Este estudo investigou o efeito da glicose sobre a atividade e expressão da isoforma 1 do trocador Na+/H+ (NHE1) e da H+-ATPase do tipo vacuolar, em células MDCK (Mardin Darby Canine Kidney), linhagem derivada de rim de cão, que apresenta características similares às células principais e intercalares das porções distais do néfron. Por microscopia de fluorescência, se avaliou a velocidade de recuperação do pHi (dpHi/dt) e a capacidade tamponante (<font face=\"symbol\">bi). A partir desses parâmetros, se calculou o efluxo de H+ (JH+). Por Western blot, se avaliou a expressão de NHE1 e da subunidade E da H+-ATPase do tipo vacuolar. Resultados: Na condição controle o efluxo de H+ foi de 6.27 ± 0.51 mM/min (n = 9). O tratamento agudo com glicose (25 mM) aumentou o efluxo de H+ via NHE1, o qual foi modulado pela PI3 cinase. Na mesma condição, não se observou alterações na atividade da H+-ATPase. O tratamento crônico com glicose (25 mM) induziu significante aumento do efluxo de H+, via NHE1 e H+-ATPase. O efeito estimulador da glicose sobre a atividade de NHE1 e H+-ATPase foi dependente da atividade da p38 MAP cinase. Além disso, o tratamento crônico com glicose (25 mM) induziu fosforilação do sistema ezrin/radixin/moesin (ERM) e Akt. Conclusões: Nossos resultados indicam que no tratamento agudo com glicose (25 mM), o NHE1 foi modulado pela PI3 cinase. Contudo, no tratamento crônico com glicose (25 mM), a atividade do NHE1 foi modulada pelo sistema ERM/Akt e a atividade da H+-ATPase foi modulada pela p38 MAP cinase. / This study investigated the effect of glucose on the activity and expression of Na+/H+ exchanger isoform 1 (NHE1) and vacuolar H+-ATPase, in Mardin Darby Canine Kidney (MDCK) cells from dog kidney, with similar characteristics to principal and intercalated cells of the distal nephron. The pHi recovery rate (dpHi/dt) and the buffering capacity (<font face=\"symbol\">bi) was evaluated through fluorescence microscopy. From these parameters the H+ efflux (JH+) was calculated. By Western blot, the NHE1 and H+-ATPase (E subunit) expression was evaluated. Results: In the control situation the H+ efflux was 6.27 ± 0.51 mM/pH units (n = 9). Acute treatment with glucose (25 mM) increased the H+ efflux via NHE1, which was modulated by PI3 kinase. In the same condition, the H+-ATPase activity did not change. Chronic treatment with glucose (25 mM) induced significant increase in H+ efflux via NHE1 and H+-ATPase. The stimulatory effect of glucose on the NHE1 and H+-ATPase activity was dependent on p38 MAP kinase activity. Furthermore, chronic treatment with glucose (25 mM) induced Ezrin/radixin/moesin (ERM) and Akt phosphorylation. Conclusions: Our results indicate that during the acute treatment with glucose (25 mM), the NHE1 is modulated by PI3 kinase. However, during chronic treatment with glucose (25 mM), NHE1 activity was modulated by the ERM/Akt system and of H+-ATPase activity was modulated by p38 MAP Kinase.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:23:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2293485 bytes, checksum: a74ed7d0d350ed68a2888bbcca886ec0 (MD5) Previous issue date: 2009-02-16 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The maturity stage physiological of coffee fruit after their harvest may influence on the physiological quality of grains and the final quality of coffee drink, mainly because of their peculiarities. The objective of this study was to verify some aspects of pre-process of coffee in coconut, harvesting at different percentages of cherry maturation stage, relating the influence of this stage of maturation, during processing of coffee in physical-chemical composition and quality of the drink. The coffee fruits were harvested in four percentages of cherry maturation stage by Derric manual system on the cloth, characterizing were investigated with four lots, Lot 1 (90.9%), Lot 2 (81.5%), Lot 3 (65.4%) and Lot 4 (44.7%). After collected, the individual lots were washed, and the fruits of higher density were separated andtransported to the cement terrace, where they remained for two days to reduce the initial water content of around 70% wet basis (wb). After this period, each lot was divided; one part remained in cement terrace and another court transferred to suspendeded terrace. The fruits were spread daily with using a squeegee on cement terrace and suspendeded terrace. These fruits formed layer with approximately three cm, which at dusk were stacked and covered with bags of plastic canvas and sackcloth. At dawn, these fruits were spread again on terraces, this process was repeating until the lots of coffee in coconut reach to 11% bu. (the recommended moisture content for storage). Every two days, in end of afternoon, samples of three liters of coffee were collected to determination of water content and water activity, and after step of washing, the coffee transferred from cement terrace to suspendeded terrace to detection and identification of fungi in the end of process of drying. After completing of process of drying, the coffee lots in coconut enhanced, capability the grains to separating with visible defects, and retained in sieves of 16 circular sieves above used to analysis of electrical conductivity and potassium leaching. These grains were ground with using a sieve of 30 "Meshes" to analysis of total acidity, fat acidity, ether extract, pH and color index of sensory analysis (proof cup). The experiment of physical-chemical analysis was conducted the second factorial 4x2 (four lots of coffee in coconut in different percentages of maturation stage and two types of terrace during the drying) in a complete randomized design (CRD) with three replications. Data were submitted to analysis of variance (ANOVA) and means were compared with using Tukey test at 5% probability (SAEG version 9.1). The data for detection and identification of fungi were expressed in percentage of species found in peel and coffee beans. Statistical analysis of sensory evaluation was conducted following the same schedule described factor to physical-chemical analysis with randomized block design (RBD) and program of SAS® PROC GLM, version 8.0. We verified the correlations (r) of Pearson with &#945;=0.05 between the physical-chemical and sensory attributes by the PROC CORR program of SAS®, version 8.0. The results showed, the adverse environmental conditions at certain periods during the drying process were instrumental in the absorption of moisture of the coffee and that this effect was more intense in cement terrace, because suspendeded terrace was more protected from the weather change. The behaviors of the curves of drying and water activity were similar, resulting in an exponential curve adjusted to form the type y = y0 + ae(-bx). The low water activity, 0.533; the end of drying process was the direct responsible parameter to the reduction which was identified in the percentage of fungi. There were significant differences (P<0.05) measured in all physical and chemical parameters, the results showed that better quality of grain in lots that had higher percentages of fruits. These differences were also observed between the types of terrace employees; suspendeded terrace presented better quality of grain compared to grains in the yard of dry cement. However, these differences were not significant determinants to the point of adversely affecting the final quality of the drink of coffee, since they have not been significant differences between the sensory attributes that rank as being of lower quality. The significant correlations between variables of physical chemical and sensory evaluating during the processing of coffee in coconut, suggest that the damage of cell membranes of coffee beans are the main indicators to describe properly the final quality of coffee. / O estádio de maturação fisiológico com o qual os frutos de café são colhidos pode influenciar na qualidade fisiológica dos grãos e na qualidade final da bebida de café, principalmente em função das suas particularidades. O objetivo deste estudo foi o de verificar alguns aspectos do pré-processamento do café em coco, colhido em diferentes porcentagens do estádio de maturação cereja, relacionando a influência deste estádio de maturação, durante o processamento do café, na composição físicoquímica e na qualidade da bebida. Os frutos de café foram colhidos em quatro porcentagens do estádio de maturação cereja, pelo sistema de derriça manual no pano, caracterizando-se assim os quatro lotes estudados, Lote 1 (90,9%), Lote 2 (81,5%), Lote 3 (65,4%) e Lote 4 (44,7%). Depois de colhido, os lotes individualizados foram lavados, separando-se os frutos de maior massa específica que foram transportados para terreiro de cimento, onde permaneceram durante dois dias, para redução do teor de água inicial em torno de 70% base úmida (b.u.). Após este período, cada lote foi subdividido, uma parte permanecendo no terreiro de cimento e a outra transferida para terreiro suspenso. Diariamente, os frutos foram espalhados com o auxilio de um rodo, sobre o terreiro de cimento e sobre o terreiro suspenso, formando uma camada de aproximados três cm, que ao entardecer, foram amontoados e cobertos com lona plástica. Ao amanhecer, novamente os frutos foram espalhados nos terreiros, repetindo-se este processo até que os lotes de café em coco atingissem o teor de água recomendado para o armazenamento, 11% b.u.. A cada dois dias, ao final do período da tarde, amostras de três litros de café foram coletadas para as determinações do teor de água, e atividade de água. Para a detecção e a identificação de fungos, coletaram-se amostras de café durante todas as etapas do pré-processamento do café por &#8220;via seca&#8221;. As análises de condutividade elétrica e lixiviação de potássio, acidez titulável total, acidez graxa, extrato etéreo, pH e índice de coloração foram feitas com grãos de café beneficiados sem defeitos visíveis, retidos em peneiras de crivo circular 16 acima. A avaliação dos atributos sensoriais (prova de xícara) foi feita com grãos selecionados utilizando-se os mesmos critérios das análises físico-químicas, devidamente torrados (torra média) e apresentados sob a forma de café expresso. O experimento para as análises físico-químicas foi conduzido segundo esquema fatorial 4x2 (quatro lotes de café em coco, em diferentes porcentagens do estádio de maturação cereja e dois tipos de terreiro durante o processo de secagem) no delineamento inteiramente casualizado (D.I.C.) com três repetições. Os dados foram submetidos à análise de variância (ANOVA) e as médias foram comparadas utilizando o teste de Tukey a 5% de probabilidade utilizando-se o SAEG versão 9.1. Os dados de detecção e de identificação de fungos foram expressos em porcentagem de espécies encontradas na casca e nos grãos de café. A análise estatística das avaliações sensoriais foi conduzida segundo o mesmo esquema fatorial descrito para as análises físico-químicas, no entanto, no delineamento em blocos casualizados (D.B.C) utilizando o programa SAS® através do PROC GLM, versão 8.0. Foram verificadas as correlações (r) de Pearson com &#945;=0,05 entre as variáveis físico-químicas e os atributos sensoriais através do PROC CORR do programa SAS®, versão 8.0. Verificou-se que as condições ambientes durante o processo de secagem influenciaram na absorção de umidade do café e que este efeito foi mais intenso no terreiro de cimento. A baixa atividade de água, 0,533, ao final do processo de secagem foi o parâmetro responsável pela redução no percentual da maioria dos fungos identificados. Foram verificadas diferenças (P<0,05) em todos os parâmetros físico-químicos avaliados, inferindo melhor qualidade dos grãos para os lotes que apresentaram maiores porcentagens de frutos cereja. Estas diferenças também foram observadas entre os tipos de terreiro empregados, tendo o terreiro suspenso apresentado melhor qualidade dos grãos comparativamente aos grãos secos no terreiro de cimento. Entretanto, tais diferenças afetaram negativamente a qualidade final da bebida de café, haja vista não terem ocorrido diferenças significativas entre os atributos sensoriais que os classificassem como sendo de pior qualidade. As correlações significativas entre as variáveis físicoquímicas e sensoriais, avaliadas durante o processamento do café em coco, sugerem que os danos causados à membrana celular dos grãos de café, sejam indicadores da qualidade final do café.

Este estudo investigou o efeito da glicose sobre a atividade e expressão da isoforma 1 do trocador Na+/H+ (NHE1) e da H+-ATPase do tipo vacuolar, em células MDCK (Mardin Darby Canine Kidney), linhagem derivada de rim de cão, que apresenta características similares às células principais e intercalares das porções distais do néfron. Por microscopia de fluorescência, se avaliou a velocidade de recuperação do pHi (dpHi/dt) e a capacidade tamponante (<font face=\"symbol\">bi). A partir desses parâmetros, se calculou o efluxo de H+ (JH+). Por Western blot, se avaliou a expressão de NHE1 e da subunidade E da H+-ATPase do tipo vacuolar. Resultados: Na condição controle o efluxo de H+ foi de 6.27 ± 0.51 mM/min (n = 9). O tratamento agudo com glicose (25 mM) aumentou o efluxo de H+ via NHE1, o qual foi modulado pela PI3 cinase. Na mesma condição, não se observou alterações na atividade da H+-ATPase. O tratamento crônico com glicose (25 mM) induziu significante aumento do efluxo de H+, via NHE1 e H+-ATPase. O efeito estimulador da glicose sobre a atividade de NHE1 e H+-ATPase foi dependente da atividade da p38 MAP cinase. Além disso, o tratamento crônico com glicose (25 mM) induziu fosforilação do sistema ezrin/radixin/moesin (ERM) e Akt. Conclusões: Nossos resultados indicam que no tratamento agudo com glicose (25 mM), o NHE1 foi modulado pela PI3 cinase. Contudo, no tratamento crônico com glicose (25 mM), a atividade do NHE1 foi modulada pelo sistema ERM/Akt e a atividade da H+-ATPase foi modulada pela p38 MAP cinase. / This study investigated the effect of glucose on the activity and expression of Na+/H+ exchanger isoform 1 (NHE1) and vacuolar H+-ATPase, in Mardin Darby Canine Kidney (MDCK) cells from dog kidney, with similar characteristics to principal and intercalated cells of the distal nephron. The pHi recovery rate (dpHi/dt) and the buffering capacity (<font face=\"symbol\">bi) was evaluated through fluorescence microscopy. From these parameters the H+ efflux (JH+) was calculated. By Western blot, the NHE1 and H+-ATPase (E subunit) expression was evaluated. Results: In the control situation the H+ efflux was 6.27 ± 0.51 mM/pH units (n = 9). Acute treatment with glucose (25 mM) increased the H+ efflux via NHE1, which was modulated by PI3 kinase. In the same condition, the H+-ATPase activity did not change. Chronic treatment with glucose (25 mM) induced significant increase in H+ efflux via NHE1 and H+-ATPase. The stimulatory effect of glucose on the NHE1 and H+-ATPase activity was dependent on p38 MAP kinase activity. Furthermore, chronic treatment with glucose (25 mM) induced Ezrin/radixin/moesin (ERM) and Akt phosphorylation. Conclusions: Our results indicate that during the acute treatment with glucose (25 mM), the NHE1 is modulated by PI3 kinase. However, during chronic treatment with glucose (25 mM), NHE1 activity was modulated by the ERM/Akt system and of H+-ATPase activity was modulated by p38 MAP Kinase.