Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. / Made available in DSpace on 2012-10-23T21:47:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2013-07-16T20:16:38Z : No. of bitstreams: 1 260699.pdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Este trabalho reúne ferramentas computacionais de biologia de sistemas num aplicativo chamado GEnSys (Genomic Engineering System), desenvolvido usando o MATLAB®, e que é formado por um conjunto de módulos interdependentes que permite a análise e simulação de redes de reações bioquímicas. Os módulos implementados realizam as seguintes tarefas: simulação dinâmica determinística, análise de controle metabólico, análise de fluxo metabólico, análise de balanço de fluxo e determinação de modos elementares. Uma característica importante do GEnSys é que não há a necessidade da entrada direta da matriz estequiométrica que representa o modelo biológico, pois existe um módulo que lê um arquivo contendo as reações da rede metabólica, escritas em uma sintaxe específica. Este procedimento gera automaticamente a matriz estequiométrica da rede. Para tanto, foi criada uma linguagem formal batizada de Linguagem de Reações Bioquímicas (LRB), flexível e intuitiva. Por exemplo, os nomes dos reagentes e produtos de uma reação podem conter caracteres especiais, tais como +, -, espaço e apóstrofo. Esses símbolos são comuns nos nomes dos compostos bioquímicos. Da forma como foi projetado, o GEnSys pode ser facilmente extendido para outros tipos de métodos de análise envolvendo a matriz estequiométrica. A partir de dados da literatura foram modeladas e simuladas diversas redes metabólicas. Para a Clostridium acetobutylicum foram consideradas todas as reações usadas para a produção de ácidos, solventes e hidrogênio molecular a partir de dois substratos distintos: glicose e glicerol. A rede modelada captura importantes aspectos qualitativos, de acordo com padrão de distribuição de fluxos (velocidades de reação) desta bactéria. Em um dos casos analisados foi possível obter valores quantitativos próximos aos valores reportados na literatura. Foram determinados 29 modos elementares de fluxo para a produção de hidrogênio molecular pela C. acetobutylicum. Destes, há 13 modos distintos envolvidos na produção de H2: seis a partir da glicose, seis a partir do glicerol e um relativo ao NADH, o qual foi considerado externo. Um estudo de caso em que a regulação da expressão gênica é importante foi conduzido comparando-se as simulações estocástica e determinística da via de biossíntese do triptofano da Escherichia coli. Todos os mecanismos de regulação conhecidos do operon trp (transcrição, tradução e inibição enzimática) foram considerados nas simulações estocástica e determinística. Em ambas, o comportamento da atividade da enzima antranilato sintase foi avaliado e comparado aos valores experimentais para uma E. coli selvagem. This work considers a set of computational systems biology tools, written as a MATLAB® toolbox called GEnSys (Genomic Engineering System). GEnSys comprises several interdependent modules that allow analysis and simulation of biochemical reaction networks. The developed implemented modules perform the following tasks: deterministic dynamic simulation, metabolic control analysis, metabolic flux analysis, flux balance analysis and determination of elementary modes. An important GEnSys feature is that the stoichiometric matrix representing the biological model does not have to be supplied directly. A module that reads an external file describing the metabolic network, in a specified, proposed syntax (the Biochemical Reaction Language - LRB), automatically produces the stoichiometric matrix. LRB is a flexible but intuitive language, that also allows the use of common biochemical symbols such as +, -, blank space and primes. Due to its design strategy, GEnSys may be easily extended for other analytical methods involving the stoichiometric matrix. Several metabolic networks were modeled from literature data and simulated using the developed tools. For Clostridium acetobutylicum all important reactions involved in the production of acids, solvents and molecular hydrogen, using two substrates, glucose and glycerol, were considered. The modeled network captures essential qualitative behavior, according to expected flux distribution from that bacterium. In one of the analysed cases, good quantitative agreement with literature data was found. Twenty-nine flux elementary modes for the molecular hydrogen production were found, thirteen of them involved in the H2 biosynthesis: six from glucose, six from glycerol, and one regarding NADH production. NADH was considered an external metabolite. A comparison between stochastic and deterministic simulation was carried out using a model where genetic regulation is important, the tryptophan biosynthesis by Escherichia coli. All known regulatory mechanisms for the trp operon (transcription, translation and enzymatic inhibition) were taken into account. In both cases, the catalytic behavior of the anthranilate synthase enzyme was evaluated and compared to experimental values reported to wild type E. coli.

Submitted by Anderson Silva (avargas@icict.fiocruz.br) on 2012-10-16T16:18:56Z No. of bitstreams: 1 ana_carolina_r_guimaraes_ioc_bcm_0008_2010.pdf: 7783704 bytes, checksum: c55aa365e04b94c51640b1937be9e63d (MD5) / Made available in DSpace on 2012-10-16T16:18:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ana_carolina_r_guimaraes_ioc_bcm_0008_2010.pdf: 7783704 bytes, checksum: c55aa365e04b94c51640b1937be9e63d (MD5) Previous issue date: 2010 / Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz. Laboratório de Genômica Funcional e Bioinformática. Rio de Janeiro, RJ, Brasil / O estudo da reconstrução metabólica em diversos organismos expõe a existência de compostos cruciais para a sua sobrevivência. Dentre estes compostos, estão as enzimas, responsáveis pela catálise das reações bioquímicas em vias metabólicas. Diferentemente das enzimas homólogas, as enzimas análogas (também conhecidas como enzimas isofuncionais não homólogas) são capazes de catalisar as mesmas reações, mas sem apresentar similaridade de sequência significativa no nível primário e, possivelmente, com diferentes estruturas tridimensionais. Um estudo detalhado destas enzimas pode desvendar novos mecanismos catalíticos, adicionar informações sobre a origem e evolução de vias bioquímicas e revelar alvos potenciais para o desenvolvimento de drogas. Para muitas enfermidades causadas por parasitas, as opções terapêuticas permanecem ineficientes ou inexistentes, exigindo a busca de novos alvos. Estes podem ser proteínas específicas do parasita ausentes no hospedeiro ou compostos presentes em ambos, mas com estrutura tridimensional substancialmente diferente, como as enzimas análogas. A ferramenta AnEnPi, capaz de identificar, anotar e comparar enzimas homólogas e análogas, foi desenvolvida e utilizada para reconstruir computacionalmente as vias metabólicas de alguns organismos modelo, como os tripanossomatídeos. Uma análise mais focada no metabolismo de aminoácidos de Trypanosoma cruzi identificou alvos promissores para o desenvolvimento de novas drogas. Além disso, uma revisão do metabolismo geral de T. cruzi foi realizada em outras vias metabólicas, levando em consideração esta nova abordagem de busca por potenciais alvos terapêuticos. Uma vez que a estrutura tridimensional é importante no estudo de analogia, a ferramenta MHOLline foi utilizada para a obtenção de modelos 3D a partir de homólogos, análogos e proteínas específicas de T. cruzi versus Homo sapiens. As estratégias utilizadas nesse trabalho apóiam o conceito de análise estrutural, juntamente com a análise funcional de proteínas, como uma interessante metodologia computacional para detectar potenciais alvos para o desenvolvimento de novas drogas. / The study of metabolic reconstruction in different organisms exposes the existence of crucial compounds for its survival. Examples of these compounds are the enzymes that are responsible for the catalysis of biochemical reactions in metabolic pathways. Unlike the homologous enzymes, the analogous enzymes (also known as non- homologous isofunctional enzymes) are able to catalyze the same reactions, but without significant sequence similarity at the primary level and possibly with different three-dimensional structures. A detailed study of these enzymes may exhibit new catalytic mechanisms, add information about the origin and evolution of biochemical pathways and reveal potential targets for drug development. For many diseases caused by parasites, therapeutic options remain inefficient or nonexistent, requiring the search for new drug targets. These targets may be specific proteins of the parasite (absent in the host) or compounds present in the both organisms but with different three-dimensional structure, like analogous enzymes. The tool AnEnPi approach was able to identify, annotate and compare homologous and analogous enzymes. It was developed and used to reconstruct computationally the metabolic pathways of some model organisms such as trypanosomes. A more focused analysis on the amino acids metabolism of Trypanosoma cruzi identified promising targets for the development of new drugs. Furthermore, a review of the general metabolism of T. cruzi was carried out in other metabolic pathways, taking into account this new approach in the search for potential therapeutic targets. Since the three-dimensional structure is important in the study of analogy, the tool MHOLline was used to obtain 3D models for homologous, analogous and specific proteins of T. cruzi versus Homo sapiens. The strategies used in this study support the concept that structural analysis together with protein functional analysis could be an interesting computational methodology to detect potential targets for structure-based rational drug design.

Orientador: Marines Nobre dos Santos Uchoa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de Piracicaba / Made available in DSpace on 2018-08-13T08:04:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Steiner-Oliveira_Carolina_D.pdf: 11802864 bytes, checksum: 338ee3278fb157bb1cb37edb2e6d1a5d (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Os efeitos causados pelas modificações promovidas pela irradiação com laser de CO2 podem inibir a desmineralização dos tecidos dentários e podem ser potencializados quando associados ao fluoreto. Apesar de amplo uso do fluoreto e da redução da prevalência de cárie, essa doença ainda acomete grupos de alto risco. Por outro lado, tem sido observado um aumento da prevalência da erosão dentária. Os objetivos dessa tese, composta por 4 manuscritos, foram: (1) descrever as características do laser de CO2 e seus mecanismos de ação na inibição da desmineralização do esmalte; (2) desenvolver um modelo microbiológico, in vitro, de produção de lesão de cárie em dentina e testar duas hipóteses: (a) de que não há diferença na produção de cárie artificial em dentina utilizando um modelo microbiológico com regimes de 3 e 6 imersões ao dia em sacarose, avaliados por contagem bacteriana da dentina (UFC), análise microrradiográfica (AM) e análise de polissacarídeo insolúvel (API); (b) de que não há diferença no pH do biofilme antes e após sua imersão em sacarose; (3) avaliar, in vitro, a efetividade do laser de CO2 (? = 10,6 µm) pulsado, associado ou não ao fluoreto, na redução da desmineralização da dentina radicular usando um modelo microbiológico, avaliado por AM; (4) avaliar, in vitro, o efeito do mesmo laser, associado ou não ao fluoreto, na redução da desmineralização do esmalte e da dentina submetidos a um desafio erosivo, pela mensuração da perda de superfície e análise da concentração de cálcio, fósforo e fluoreto das soluções desmineralizadoras. Os dados foram analisados quanto à normalidade e testes apropriados foram realizados com nível de significância de 5%. No estudo 1, os efeitos do laser no esmalte, seu mecanismo de ação na redução da desmineralização, combinados ou não ao fluoreto, foram discutidos. No estudo 2, o pH do biofilme diminuiu imediatamente após a imersão em sacarose, mas aumentou novamente 5 min depois. Lesões em dentina foram produzidas com sucesso e a adição de sacarose mostrou as maiores perdas minerais, no entanto não diferiu entre os dois regimes de sacarose. A UFC não mostrou nenhuma diferença e a API dos tratamentos foram maiores que a do grupo controle. No estudo 3, os espécimes radiculares foram tratados ou não com laser de CO2 e com ou sem fluoreto antes ou após a irradiação com laser. O modelo microbiológico utilizado foi efetivo em produzir lesões dentinárias e as terapias combinadas mostraram as lesões dentinárias mais rasas. No estudo 4, espécimes de esmalte e dentina foram tratados com fluoreto, laser e fluoreto/laser e submetidos a um desafio erosivo. Os resultados de desgaste indicaram que o tratamento combinado interferiu com as perdas minerais do esmalte e da dentina, mesmo sem mostrar efeito sinérgico. Houve uma tendência de retenção de fluoreto no esmalte pelo tratamento combinado e também de liberação de menores quantidades de cálcio, fósforo e fluoreto para as soluções desmineralizadoras. Em conclusão, o mecanismo de ação do laser de CO2 na inibição da desmineralização do esmalte ainda não está completamente esclarecido e seu efeito pode ser aumentado quando associado ao fluoreto. O modelo microbiológico foi efetivo em produzir lesões de cárie dentinária. A irradiação da dentina radicular com laser inibiu a desmineralização dessa superfície apenas quando associado com o fluoreto; no entanto, não foi observado efeito sinérgico. O tratamento isolado com laser não foi capaz de prevenir a perda de superfície do esmalte e da dentina devido à erosão. Sua combinação com fluoreto mostrou alguma proteção, mas principalmente devido ao efeito do fluoreto. Não foi observada interação sinérgica significativa ou proteção duradoura com a terapia de laser. / Abstract: The effects caused by the modifications promoted by the CO2 laser irradiation can inhibit the dental tissues demineralization and may be enhanced when associated with fluoride. Despite the widespread use of the fluoride and the reduction of the caries prevalence, this disease still occurs in the high risk groups. On the other hand, an increase of the dental erosion prevalence was observed. This thesis, comprised by 4 manuscripts, aimed: (1) to describe the CO2 laser characteristics and its action mechanisms in the enamel demineralization inhibition; (2) to develop an in vitro microbial model to produce dentin caries lesions and test two hypotheses - (a) that there is no difference in the artificial caries production in dentin using a microbial model with 3 and 6 sucrose bath immersions, as assessed by bacterial counts on the dentin (CFU), microradiographic analysis (TMR) and extracellular polysaccharide analysis (EPS); (b) that there is no difference in the biofilm pH before and after each sucrose bath; (3) to assess, in vitro, the effectiveness of a pulsed CO2 laser (? = 10.6 µm) associated or not with fluoride, in reducing the root demineralization using a microbial model, as assessed by TMR; (4) to assess, in vitro, the effect of the same laser, associated or not with fluoride, on the prevention of the enamel and dentin erosions by means of surface loss measurement and analysis of the calcium, phosphorus and fluoride concentrations in the demineralizing solutions. The data were checked for normality and appropriated tests were performed with a significance level of 5%. In study 1, the laser effects on the enamel and its action mechanisms in the demineralization reduction, combined or not with fluoride, were discussed. In study 2, the biofilm pH decreased immediately after the sucrose bath but increased again after 5 min. Dentin lesions were successfully produced, and the sucrose addition showed the highest mineral losses, even though there was no difference between the sucrose regimens. The CFU did not show any difference and the EPS from the treatment groups were higher than for the control. In study 3, root specimens were treated with/without CO2 laser and with/without fluoride prior or after the laser irradiation. The microbial model utilized was effective in developing dentin lesions and the combined therapies showed the shallowest dentin lesions. In study 4, specimens of enamel and root dentin were treated with fluoride, laser and fluoride/laser and submitted to an erosive challenge. The wear results indicated that the combined treatment interfered with the enamel or dentin surface losses, although no synergistic effect was observed. There was a trend for the combined treatment to retain more fluoride in enamel and release lower amounts of calcium and phosphorus into the demineralizing solutions. In conclusion, the CO2 mechanism action on the enamel demineralization reduction is still not elucidated and its effects can be increased when associated with fluoride. The microbial model was effective in producing dentin caries lesions. However, it did not reproduce the remineralizing phase of the caries process. Irradiation of the root dentin with laser inhibited the root surface demineralization only when associated with fluoride; however, no synergic effect was observed. The laser treatment alone was not able to prevent enamel or dentin surface losses due to erosion. Its combination with fluoride showed some protection, but mostly due to the fluoride effect. No significant synergistic interaction or lasting protection could be observed for the laser therapy. / Doutorado / Odontopediatria / Doutor em Odontologia