O gênero Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitui um exemplo clássico de um táxon sujeito a rápidos processos adaptativos evolutivos. Com ca. 71 espécies, este gênero se diversificou em elevadas altitudes num ecossistema emergente formado após o retraimento dos glaciares no final do Plioceno e início do Pleistoceno, os páramos, um tipo de ecossistema que biogeograficamente funciona como um complexo de \"ilhas\" presentes principalmente no noroeste dos Andes tropicais da Venezuela, Colômbia e Equador. Devido à sua complexa história evolutiva e morfologia característica, este gênero tem sido foco de muitas pesquisas envolvendo sua biologia, ecologia, taxonomia e filogenia. No entanto, do ponto de vista fitoquímico, tem sido pouco estudado e é desconhecida a influência da geografia na química do metabolismo secundário destas espécies. Neste estudo, a impressão digital metabólica de 120 amostras do gênero Espeletia foi obtida por UHPLC-UV-MS e submetida a análises quimiométricas. A correlação com dados geográficos revelou uma forte influência da biogeografia no metabolismo secundário das espécies deste gênero, apresentando uma impressão digital característica de acordo com seu país de origem numa escala global e de acordo com complexo de páramos de origem numa escala regional, o qual concorda com a filogenia atual da subtribo baseada nos marcadores ITS, ETS, rp116 e AFLPs. A análise por OPLS-DA e a desreplicação de extratos permitiu identificar as principais substâncias correlacionadas com a origem geográfica das espécies, mesmo como permitir a construção de modelos de predição da origem geográfica de novos extratos baseados nos seus perfis químicos. Além disso, uma análise filogenética efetuada com dados metabolômicos revelou, embora com pouco suporte, uma correlação geográfica em que as espécies da Venezuela correspondem ao clado ancestral do gênero. Adicionalmente, a química do metabolismo secundário da subtribo Espeletiinae foi revisada e um bando de dados, o ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), foi construído incluindo todos os metabólitos descritos na literatura, mesmo como outras informações químicas, botânicas e geográficas. Finalmente, a desreplicação de extratos permitiu a identificação de várias substâncias não descritas previamente no gênero Espeletia e/ou na subtribo Espeletiinae, incluindo uma grande variedade de flavonoides e ácidos cafeoilquínicos, junto com outros metabólitos já descritos no gênero por métodos fitoquímicos clássicos. Os resultados obtidos, além de contribuírem para a geração de conhecimento sobre a química do metabolismo secundário do gênero Espeletia, revelaram informações sobre as relações filogenéticas e biogeográficas do gênero baseadas em marcadores químicos, empregando-se modernas metodologias analíticas e computacionais. / The genus Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitutes a classic example of a taxon undergoing rapid adaptive evolutionary processes. With ca. 71 species, this genus diversified at high altitudes in an emerging ecosystem formed after the retreat of the glaciers in the late Pliocene and early Pleistocene, the páramos, a type of ecosystem that biogeographically acts as an \"island\" complex in the northwestern tropical Andes of Venezuela, Colombia and Ecuador. Due to its complex evolutionary history and characteristic morphology, this genus has been focus of several investigations regarding its biology, ecology, taxonomy and phylogeny. However, phytochemically, they have been poorly studied and it is unknown the influence of geography in their secondary metabolism. In this study, the metabolomic fingerprint of 120 samples of the genus Espeletia was analyzed by UHPLC-UV-MS and chemometrics. Correlations with geographical data revealed a strong influence of biogeography on their secondary metabolism, displaying a characteristic fingerprint according to their country of origin in a global scale and by páramo complex in a regional scale, which is in agreement with the current phylogeny of the subtribe based on ITS, ETS, rp116 and AFLPs markers. An OPLS-DA analysis and extract dereplication allowed the identification of the main compounds correlated with their geographical origin, which also served for building models to predict the geographical origin of unknown samples based on their chemical profile. Also, a phylogenetic analysis was performed with metabolomic data which interestingly, although with low support, also displayed a geographical structure with the Venezuelan cluster as the ancestral clade of the genus. Furthermore, the secondary metabolite chemistry of the subtribe Espeletiinae was reviewed and a data base, ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), was built including all secondary metabolite reports available in the literature as well as other chemical, botanical and geographical information. Finally, the extract dereplication allowed the identification of several compounds previously unreported in the genus Espeletia and/or the subtribe Espeletiinae, including a wide range of flavonoids and caffeoylquinic acids, along with other metabolites already reported in the genus by classic phytochemical methods. These results, besides of contributing to further knowledge about the secondary metabolite chemistry of the genus Espeletia, provided valuable information about the phylogenetic and biogeographic relationships in the genus based on chemical markers by means of modern analytical and computation techniques.

A análise da composição química das uvas é de grande importância para avaliar a data da colheita e a produção de vinhos de qualidade. O estudo do metabolismo das uvas é essencial para definirem-se em quais etapas os metabólitos são produzidos, assim como as proteínas e genes que regulam esses processos. Açúcares, polifenóis e ácidos orgânicos são importantes classes de metabólitos relacionados com o desenvolvimento de uvas. Os açúcares são os compostos que primeiramente indicam a data de colheita, sendo substâncias-chave em diversos processos biológicos. Os polifenóis tem se destacado por sua atividade antioxidante, além de participarem dos mecanismos de defesa da planta. Os ácidos orgânicos são responsáveis pela qualidade organoléptica e estão envolvidos em vários processos metabólicos. As proteínas não contribuem de forma significativa para o valor nutricional, mas são importantes marcadores de variedade para verificar adulterações de vinhos. O Rio Grande do Sul é responsável por grande parte das uvas produzidas no país, e recentemente o Vale do São Francisco tem se destacado na produção destas frutas. Em regiões do Sudeste um manejo de podas diferenciado vem sendo feito para a obtenção de uvas com bons índices de maturação e resistência a doenças fúngicas. Uvas produzidas em Água Vermelha e Louveira, interior de São Paulo, foram estudadas durante a maturação com relação a análises físico-químicas, perfil proteômico, por eletroforese bidimensional e espectrometria de massas, e perfil metabolômico de antocianinas, polifenóis não-antociânicos, ácidos orgânicos e açúcares por técnicas cromatográficas e eletroforéticas acopladas a detectores por arranjo de diodos e/ou espectrometria de massas. Os resultados foram analisados por ferramentas de análise multivariada e comparados com uvas maduras das regiões Sul e Nordeste. Foram observadas tendências de agrupamento das uvas verdes devido à maior acidez e das uvas maduras devido à maior concentração de antocianinas e açúcares, sendo que o perfil de antocianinas pode ser utilizado como marcador de origem varietal. Em termos do perfil proteômico foi possível estabelecer diferenças entre variedades de uvas, além de uma tendência com relação à origem geográfica. Foram identificadas 74 proteínas relacionadas principalmente, às funções de defesa e resposta a stress, metabolismo de carboidratos e metabolismo energético. / Analysis of the chemical composition of grapes is very important to evaluate harvest time and production of high quality wines. The study of grape metabolism is essential to define in which stages metabolites are produced, as well as proteins and genes that regulate these processes. Sugars, polyphenols and organic acids are important classes of metabolites related with grape development. Sugars are compounds that primarily indicate harvest time, and they are key substances in various biological processes. Polyphenols have been noted for its antioxidant activity, also for taking part in mechanisms of plant defense. Organic acids are responsible for organoleptic quality, and they are evolved in diverse metabolic processes. Proteins do not contribute significantly to the nutritional value, but they are important variety markers to verify adulterations of wines. Rio Grande do Sul is responsible for most of the grapes produced in Brazil, and recently Vale do São Francisco has received attention because of the production of these fruits. In some regions of Southeast a different pruning handle has started to obtain grapes with good levels of ripeness and resistance in developing fungal diseases. Grapes cultured in Água Vermelha and Louveira, São Paulo State, were studied during ripening in relation to physical-chemical analysis, proteomic profile, by two-dimensional electrophoresis and mass spectrometry; the metabolomic profile of anthocyanins, non-anthocyanin polyphenols, organic acids and sugars by chromatographic and electrophoretic techniques coupled to diode array and/or mass spectrometry detectors. The results were analyzed by multivariate analysis and compared with those of mature grapes from South and Northeast regions. The data show clustering of green grapes due to higher acidity and clusters of mature grapes due to higher anthocyanin and sugars concentrations, and the profile of anthocyanins can be used as a varietal marker. Considering the proteomic profile, it was possible to group different varieties of grapes with a trend in relation to geographical origin being also observed. It was identified 74 proteins related, mainly, to defense and stress response, carbohydrate metabolism and energetic metabolism.

A seleção de animais para consumo alimentar residual (RFI) está intrinsecamente associada com a diminuição do consumo matéria seca e é independente do ganho de peso corporal, selecionando animais de eficiência produtiva e econômica, além também de diminuir a emissão de gases de efeito estufa provinda do gado. Neste estudo, amostras de soro de 16 animais selecionados divergentemente para eficiência de alimentação foram coletadas antes do confinamento (dia -21) e avaliadas em uma abordagem metabolômica global, com o objetivo de usar análise diferencial, análise de co-expressão e enriquecimento funcional, identificando marcadores para eficiência de alimentação antes do confinamento. Um analito foi diferencialmente presente entre os animais de baixo e alto RFI. A análise WGCNA identificou 22 e 25 módulos no modo positivo e negativo, respectivamente e, 1 módulo de cada modo foi fortemente associado a RFI (r = 0,53, p-valor <0,05 e r = 0,52, p-valor <0,1 nos modos negativo e positivo, respectivamente). A análise de enriquecimento funcional predize 13 processos biológicos associados à eficiência alimentar, incluindo alterações no metabolismo de vitaminas lipossolúveis, inflamação, estresse oxidativo, metabolismo de aminoácidos e metabolismo de ácidos graxos. Esse trabalho evidencia a possibilidade de se identificar um biomarcador para eficiência alimentar e também sugerem que as diferenças nas respostas ao estresse oxidativo e nos processos inflamatórios já influenciam na variação da eficiência alimentar previamente ao confinamento. / Animal selection for residual feed intake (RFI) is intrinsically associated with decreased consumption of dry matter independent of body weight gain, selecting yielding increased production and economic efficiency but also decreasing the greenhouse gas emission of livestock. In this study, serum samples of 16 animals selected for divergent feed efficiency were collected prior to feedlot (day -21) and evaluated in an untargeted metabolomics approach, with the goal of using differential analysis, co-expression analysis and functional enrichment to identifier markers for feed efficiency prior to the feedlot. One feature was differentially accumulated between low and high RFI. WGCNA analysis identified 22 and 25 modules in positive and negative mode, respectively, of 1 module of each mode was strongly associated with RFI (r= 0.53, p-value <0.05 and r=0.52, p-value < 0.1 to negative and positive mode, respectively). Pathway enrichment analysis yielded 13 biological processes associated with feed efficiency including alterations in vitamins liposoluble metabolism, inflammation, oxidative stress, amino acid metabolism and fatty acid metabolism. Our findings suggest the possibility to identify a biomarker for feed efficiency and also discuss that differences in oxidative stress responses and inflammatory processes could explain the feed efficiency variation prior to feedlot.

Le marché mondial des fruits représente des centaines de milliards d’euro par an et l’amélioration de la qualité organoleptique et nutritionnelle des fruits est l’un des principaux objectifs de ces dernières années. Le métabolisme primaire est une cible toute trouvée pour tenter de répondre à ces exigences. En effet c’est lui qui va fournir les briques nécessaires à la croissance et au développement, mais également les composés qui confèrent les valeurs gustatives tels que les sucres et les acides organiques. C’est pourquoi la compréhension de son fonctionnement au cours du développement des fruits est nécessaire. Pour cela le métabolisme primaire a été étudié chez huit espèces de fruits charnus qui diffèrent en termes de durée de développement, de taille de fruit, de famille botanique, de qualité gustative (sucrosité, acidité…), et sujettes ou non à une crise respiratoire au début de la maturation. Des données physiologiques et biochimiques ont été collectées tout au long du développement du fruit, de l’anthèse à la maturité physiologique. La modélisation de la croissance des fruits a permis de standardiser les stades de développement et ainsi d’améliorer la comparaison entre espèces. La composition de la biomasse a ensuite été caractérisée qualitativement et quantitativement par des approches analytiques ciblées et non ciblées mettant en évidence les similitudes et les différences de composition et d’évolution au cours du développement. Des modèles linéaires généralisés combinant la composition et les données de croissance ont été utilisés pour comparer différentes phases de développement du fruit et une analyse discriminante par régression des moindres carrés partiels (PLS-DA) a permis de séparer les fruits climactériques des non climactériques. Dans les deux cas, les composés des parois cellulaires, les protéines et les lipides interviennent dans la différentiation des groupes. Enfin, une étude détaillée du métabolome et de l’activome du fruit a été réalisée chez trois espèces de Solanacées. Elle montre qu’au sein d’une même famille botanique la régulation diffère au cours du développement, notamment au niveau du métabolisme des sucres et de la glycolyse. Ces travaux revisitent le caractère climactérique des fruits, le positionnant bien en amont du déclenchement de la crise respiratoire, et, plus généralement, permettent de mieux comprendre le métabolisme primaire au cours du développement du fruit. / The world fruit market represents hundreds of billions of euros per year and improving the organoleptic and nutritional quality of fruit has been one of the main objectives in recent years. Primary metabolism is a target that can be used to try and meet these requirements. Indeed, it provides the bricks necessary for growth and development but also the compounds that contribute to taste such as sugars and organic acids. Therefore, it is necessary to understand how it operates during fruit development. For this purpose, primary metabolism has been studied in eight species of fleshy fruits that differ in terms of development duration, fruit size, botanical family, taste quality (sweetness, acidity, etc.), and are subject or not to a respiratory crisis at the initiation of ripening. Physiological and biochemical data have been collected throughout the fruit development from anthesis to physiological maturity. Fruit growth modelling allowed standardizing the stages of development and thus improved comparison between species. The composition of biomass was then characterized qualitatively and quantitatively by targeted and non-targeted analytical approaches highlighting similarities and differences in composition and changes during development. Generalized linear models combining composition and growth data were used to compare different phases of fruit development and a discriminant partial least square regression analysis (PLS-DA) was used to separate climacteric and non-climacteric fruits. In both cases, cell wall compounds, proteins and lipids were involved in group differentiation. Finally, a detailed study of the fruit metabolome and activome was performed in three species of Solanaceae. It revealed that within the same botanical family, regulation differs during development, particularly for sugar metabolism and glycolysis. This work revisits the climacteric character of fruits, positioning it long before the onset of the respiratory crisis, and, more generally, provides a better understanding of primary metabolism during fruit development.

Estudos metabolômicos de plantas, estudos in silico e ensaios biológicos in vitro são estratégias que, em conjunto, otimizam a busca por substâncias inéditas e/ou ativas correlacionadas a determinados mecanismos de ação. Embora a família Asteraceae possua inúmeras espécies com reconhecido potencial anti-inflamatório (AI), várias delas nunca foram investigadas, como algumas espécies endêmicas do Cerrado brasileiro. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi encontrar extratos e substâncias AI que apresentassem um mecanismo de ação superior ao dos AIs atuais. Foram estudadas 57 espécies da família pertencentes a várias tribos, agrupadas em três diferentes grupos: plantas com prévia evidência AI, plantas alimentícias e espécies do Cerrado. Para se encontrar substâncias com potencial AI foi realizada a avaliação da inibição concomitante das enzimas ciclooxigenase (COX-1) e lipoxigenase (5-LOX), sendo ambas as principais vias envolvidas na inflamação, cuja inibição pode conferir maior eficácia e menores efeitos adversos do que os AI atualmente disponíveis. Adequados estudos metabolômicos (HPLC-UV-HRFTMS) e in silico (diferentes modelos estatísticos) foram realizados. O conjunto de metabólitos secundários (metaboloma) das 57 espécies investigadas representou um vasto universo de substâncias (n=6.215), que conseguiu abranger várias delas com o mecanismo de ação investigado. Corroborando o potencial desta família em apresentar espécies AI, cerca de 23% das plantas aqui investigadas foram capazes de promover a dupla inibição, com valores de IC50 (36,0 a 0,03 ?g/mL) para seus extratos comparáveis com aqueles dos inibidores padrões. Através dos estudos in silico foi possível determinar que as substâncias ativas dos extratos se referem a seus constituintes minoritários, sugerindo que devem ser muito potentes. Dentre as substâncias correlacionadas com a propriedade de dupla inibição, algumas não puderam ser identificadas, mesmo utilizando abrangentes bibliotecas de dados de produtos naturais, sugerindo que se tratam de substâncias inéditas. Além disso, dentre as espécies ativas, uma é consagrada como alimentícia e, portanto, pode vir a exercer um importante papel como nutracêutico, por exemplo vir a ser incluída na dieta de pacientes que sofrem de patologias inflamatórias. As demais espécies ativas, por sua vez, apresentam potencial para o desenvolvimento de fitoterápicos e descoberta de novos princípios ativos. Devido ao fato dos modelos estatísticos terem sido validados, as substâncias ativas ainda poderão ser utilizadas para predição de novos extratos ativos a partir apenas de seu metaboloma. Portanto, este trabalho, além de resultar em relevantes resultados, exemplifica muito bem as novas estratégias para a busca de produtos naturais inéditos e AI para um mecanismo de ação requerido, através de uma abordagem inédita e explorando espécies de importância da flora brasileira, alimentícia ou farmacológica, a partir de mínima quantidade de material vegetal. / Plant metabolomic studies, in silico studies and in vitro biological assays are strategies that together, optimize the discovery of new and/or active compounds correlated to a specific mechanism of action. Asteraceae family has many species with well known anti-inflammatory (AI) potential. Several of them have never been investigated, as some of Brazilian Cerrado. In this context, the objective of this work was to find the AI extracts and substances with a better mechanism of action than the usual AI. It was studied 57 species from different tribes of Asteraceae family, which were divided in three groups: plants with known AI property, food plants and species from Cerrado. In order to find substances with AI potential, the inhibition of cyclooxygenase (COX-1) and lipoxygenase (5-LOX) were evaluated to access AI property, once both are the main pathways involved in inflammatory process and the dual inhibition of them can provide better efficacy and less side effects than current AI. Suitable metabolomic (HPLC-UV-HRFTMS) and in silico (statistical models) studies were performed. All the secondary metabolites (metabolome) of the 57 species covered a huge number of substances (n=6,215) and some of them displayed the investigated mechanism of action. About 23% of the plants extracts were able to be dual inhibitor, with IC50 (36.0 - 0.03 ?g/mL) similar of the standard drugs, corroborating the AI potential of Asteraceae family. Through the in silico studies it was possible to determine the AI substances and that they are the minor compounds in the active extracts, suggesting that these must be potent AI. Among the substances correlated with the dual inhibition some could not be identified, even using comprehensive data bases of natural products, suggesting that these ones could be new compounds. Besides, among the active species, one is a food plant that could be useful as nutraceutical, being included in the dietary of people with inflammatory diseases. The other active plants have potential to the development of phytomedicines or drug discovery. Due to the fact that statistical models were validated, the substances also can be useful for prediction of new AI extracts only from the plant metabolome. Therefore, this work has many relevant results and also exemplifies the recent strategies to discovery of new compounds and AI with a required specific mechanism of action, trough a new approach and studying important species of the Brazilian flora, food plants and AI plants, from a minimum quantity of plant material.

O gênero Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitui um exemplo clássico de um táxon sujeito a rápidos processos adaptativos evolutivos. Com ca. 71 espécies, este gênero se diversificou em elevadas altitudes num ecossistema emergente formado após o retraimento dos glaciares no final do Plioceno e início do Pleistoceno, os páramos, um tipo de ecossistema que biogeograficamente funciona como um complexo de \"ilhas\" presentes principalmente no noroeste dos Andes tropicais da Venezuela, Colômbia e Equador. Devido à sua complexa história evolutiva e morfologia característica, este gênero tem sido foco de muitas pesquisas envolvendo sua biologia, ecologia, taxonomia e filogenia. No entanto, do ponto de vista fitoquímico, tem sido pouco estudado e é desconhecida a influência da geografia na química do metabolismo secundário destas espécies. Neste estudo, a impressão digital metabólica de 120 amostras do gênero Espeletia foi obtida por UHPLC-UV-MS e submetida a análises quimiométricas. A correlação com dados geográficos revelou uma forte influência da biogeografia no metabolismo secundário das espécies deste gênero, apresentando uma impressão digital característica de acordo com seu país de origem numa escala global e de acordo com complexo de páramos de origem numa escala regional, o qual concorda com a filogenia atual da subtribo baseada nos marcadores ITS, ETS, rp116 e AFLPs. A análise por OPLS-DA e a desreplicação de extratos permitiu identificar as principais substâncias correlacionadas com a origem geográfica das espécies, mesmo como permitir a construção de modelos de predição da origem geográfica de novos extratos baseados nos seus perfis químicos. Além disso, uma análise filogenética efetuada com dados metabolômicos revelou, embora com pouco suporte, uma correlação geográfica em que as espécies da Venezuela correspondem ao clado ancestral do gênero. Adicionalmente, a química do metabolismo secundário da subtribo Espeletiinae foi revisada e um bando de dados, o ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), foi construído incluindo todos os metabólitos descritos na literatura, mesmo como outras informações químicas, botânicas e geográficas. Finalmente, a desreplicação de extratos permitiu a identificação de várias substâncias não descritas previamente no gênero Espeletia e/ou na subtribo Espeletiinae, incluindo uma grande variedade de flavonoides e ácidos cafeoilquínicos, junto com outros metabólitos já descritos no gênero por métodos fitoquímicos clássicos. Os resultados obtidos, além de contribuírem para a geração de conhecimento sobre a química do metabolismo secundário do gênero Espeletia, revelaram informações sobre as relações filogenéticas e biogeográficas do gênero baseadas em marcadores químicos, empregando-se modernas metodologias analíticas e computacionais. / The genus Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitutes a classic example of a taxon undergoing rapid adaptive evolutionary processes. With ca. 71 species, this genus diversified at high altitudes in an emerging ecosystem formed after the retreat of the glaciers in the late Pliocene and early Pleistocene, the páramos, a type of ecosystem that biogeographically acts as an \"island\" complex in the northwestern tropical Andes of Venezuela, Colombia and Ecuador. Due to its complex evolutionary history and characteristic morphology, this genus has been focus of several investigations regarding its biology, ecology, taxonomy and phylogeny. However, phytochemically, they have been poorly studied and it is unknown the influence of geography in their secondary metabolism. In this study, the metabolomic fingerprint of 120 samples of the genus Espeletia was analyzed by UHPLC-UV-MS and chemometrics. Correlations with geographical data revealed a strong influence of biogeography on their secondary metabolism, displaying a characteristic fingerprint according to their country of origin in a global scale and by páramo complex in a regional scale, which is in agreement with the current phylogeny of the subtribe based on ITS, ETS, rp116 and AFLPs markers. An OPLS-DA analysis and extract dereplication allowed the identification of the main compounds correlated with their geographical origin, which also served for building models to predict the geographical origin of unknown samples based on their chemical profile. Also, a phylogenetic analysis was performed with metabolomic data which interestingly, although with low support, also displayed a geographical structure with the Venezuelan cluster as the ancestral clade of the genus. Furthermore, the secondary metabolite chemistry of the subtribe Espeletiinae was reviewed and a data base, ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), was built including all secondary metabolite reports available in the literature as well as other chemical, botanical and geographical information. Finally, the extract dereplication allowed the identification of several compounds previously unreported in the genus Espeletia and/or the subtribe Espeletiinae, including a wide range of flavonoids and caffeoylquinic acids, along with other metabolites already reported in the genus by classic phytochemical methods. These results, besides of contributing to further knowledge about the secondary metabolite chemistry of the genus Espeletia, provided valuable information about the phylogenetic and biogeographic relationships in the genus based on chemical markers by means of modern analytical and computation techniques.

Os estudos de metabolômica ganham importância a cada dia, por ajudarem a explicar processos biológicos em situações normais (fisiológicas) ou patológicas. Oferecem uma nova visão sobre o impacto funcional da expressão gênica, complementando os estudos de sequenciamento gênico, que negligenciam o impacto da exposição ao meio ambiente na etiologia de doenças. A metabolômica tem sido aplicada na toxicologia, mostrando que o perfil metabólico comparativo de duas situações, controle e teste, pode desempenhar um papel importante na descoberta e validação de biomarcadores, além de contribuir para o entendimento e consequente interpretação dos mecanismos de ação tóxica de xenobióticos. Este projeto de pesquisa tem por objetivo utilizar uma abordagem metabolômica para avaliar o impacto de alterações metabólicas no cérebro da prole de camundongos, ocorridas após exposição (via inalação) à fumaça decorrente da queima de maconha (Cannabis sativa). Fêmeas gestantes foram expostas a doses diárias de Cannabis sativa ou ar filtrado durante todo o período gestacional. Após o nascimento, os filhotes machos ao atingirem a idade para o desmame, considerado como fase adolescente, foram separados de suas respectivas mães e expostos à Cannabis sativa ou ar filtrado por mais 60 dias. As amostras de cérebro da prole foram submetidas a análises por cromatografia em fase gasosa acoplada a espectrometria de massas (CG-MS) numa abordagem metabolômica global (untargeted metabolomics). Os perfis metabólicos dos cérebros dos animais expostos (grupo teste) foram comparados com os obtidos na análise do grupo controle (não expostos), sendo identificados os metabólitos discriminadores candidatos. Estavam alterados os metabólitos: isoleucina, uréia, leucina, GABA, ácido succínico, ácido fumárico, serina, treonina, creatinina, ácido glutâmico, ácido acetilaspártico, glicerol -1 -fosfato, ácido ascórbico, tirosina, ácido cítrico, adenina, hipoxantina, inosina e uracila. A partir dos resultados apresentados, pode-se observar, que tanto a exposição gestacional à Cannabis sativa, quanto a exposição da prole na fase adolescente, provocam alterações metabólicas importantes. Os metabólitos significativamente alterados estão envolvidos no ciclo do ácido tricarboxílico, responsável pela respiração mitocondrial, na produção de energia, atuam na biossíntese de aminoácidos, glicólise, estresse oxidativo, podendo alterar o desenvolvimento e maturação do cérebro. Os resultados são preliminares, mas contribuem para o melhor entendimento dos mecanismos toxicológicos envolvidos na exposição crônica causada por essa droga, contribuindo para a prevenção e diagnóstico de danos no desenvolvimento fetal e adolescente. / Metabolomics studies gain importance each day because they help explain biological processes in normal (physiological) or pathological situations. They provide a new insight into the functional impact of environmental gene expression, complementing gene sequencing studies that neglect the impact of environmental exposure on the etiology of diseases. Metabolomics has been applied in toxicology, showing that the comparative metabolic profile of two situations, control and test, can play an important role in the discovery and validation of biomarkers, in addition to contributing to the understanding and interpretation of the toxic action mechanisms of xenobiotics. This research project aims to use a metabolomic approach to evaluate the impact of metabolic changes in the brain of the offspring of mice, which occurred after exposure (via inhalation) to the smoke from the burning Cannabis sativa. Pregnant females were exposed to daily doses of Cannabis sativa or filtered air throughout the gestational period. After birth, male offspring were reached adolescents weaning age were separated from their respective mothers and exposed to Cannabis sativa or to the filtrate for another 60 days. Offspring brain samples were analyzed by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS) in a global metabolomic approach (non-target metabolomics). Metabolic profiles of the exposed animals brains (test group) were compared with those obtained in the control group (non-exposed), and the candidate discriminant metabolites were identified. The metabolites were altered: isoleucine, urea, leucine, GABA, succinic acid, fumaric acid, serine, threonine, creatine, glutamic acid, acetyl aspartic acid, glycerol-1-phosphate, ascorbic acid, tyrosine, citric acid, adenine, hypoxanthine, inosine and uracil were altered. From the results presented, it can be observed that both the gestational exposure in Cannabis sativa and the exposure of the adolescent phase exposure, induced important metabolic alterations. Significantly altered metabolites are involved in the tricarboxylic acid, which are responsible for mitochondrial respiration, in energy production, act at the amino acid biosynthesis, glycolysis, oxidative stress, which may alter the development and maturation of the brain. The results are preliminary but contribute to a better understanding of the mechanisms of toxicity and of fetal and adolescent infection.

Há fortes evidências dos efeitos negativos da exposição gestacional a poluentes atmosféricos. No entanto, mecanismos de atuação de poluentes não são bem compreendidos. Alterações fisiológicas anômalas na progenitora, durante o período de gravidez, podem causar mudanças permanentes na prole, que podem desencadear futuras doenças na vida adulta. Portanto, o estudo dessas alterações maternas é importante. A metabolômica é definida como a análise global do metaboloma de um organismo em experimentos comparativos, com o objetivo de observar mudanças relativas da abundância dos metabólitos, o aparecimento ou desaparecimento de metabólitos, e pode fornecer uma melhor compreensão dos mecanismos de funcionamento celular dos organismos a nível molecular. Nesse trabalho, um estudo experimental de exposição gestacional materna, ao material particulado fino (MP2,5), foi realizado, para avaliar os efeitos dessa exposição no metabolismo, por meio da análise metabolômica global da urina de camundongos fêmeas progenitoras expostas ao MP2,5 (grupo teste) ou a ar filtrado (grupo controle) durante a gestação. Um método cromatográfico e de preparo de amostra para metabolômica urinária por HILIC-MS foram otimizados. Para a otimização da condição cromatográfica, foram investigados a influência de aditivos, concentração de sal e pH da fase móvel, bem como, a rampa do gradiente. A melhor condição foi escolhida por meio da avaliação do formato de pico, da intensidade relativa e do CV do tempo de retenção para 15 m/z selecionados, assim como, pelo número total de molecular features e CV da intensidade desses molecular features. A melhor condição obtida apresenta 20 mmol/L de formiato de amônio em sua composição do solvente B da fase móvel e 95% acetonitrila e 5% solução aquosa 400 mmol/L de formiato de amônio na composição do solvente A. Para o preparo de amostra, foram examinados diferentes solventes orgânicos e suas misturas, para a precipitação de proteínas da urina. O isopropanol foi o solvente apresentou os melhores resultados para o preparo de amostra. Dessa forma, com o método analítico otimizado, as amostras de urina de camundongos fêmeas prenhas foram submetidas à analise metabolômica global por HILIC-MS. O metaboloma dos animais foi bastante alterado pela exposição gestacional ao material particulado. Observou-se alteração dos níveis de carnitinas, aminoácidos, peptídeos, entre outros. Há também indícios de que a poluição atmosférica alterou a microbiota intestinal dos animais, devido ao aumento de N-óxido de trimetilamina, um metabólito que também é relacionado ao processo de aterosclerose. Níveis de metabólitos relacionados ao metabolismo da histidina também foram alterados devido a exposição ao MP2,5. Níveis de carnitina e acilcarnitinas foram aumentados no teste, sugerindo alteração da produção de energia na mitocontria. / There are strong evidences regarding negative effects of gestational exposure to air pollution. However, the mechanisms of action of air pollutants are not well established. Maternal anomalous physiological changes during pregnancy may cause permanent changes in offsprings, that might initiate future diseases in adult life. Therefore, the study of those maternal changes during pregnancy is important. Metabolomics is defined as the global analysis of the metabolome of an organism in comparative studies, for the measurement of relative changes in the metabolite abundance, appearance or disappearance. Metabolomics might provide a better understanding of cellular functioning at the molecular level. In this work, an experimental study of maternal gestational exposure to fine particulate matter (PM2.5) was accomplished to evaluate the effects of this exposure to the metabolism, by an untargeted metabolomics analysis of urine from pregnant mice exposed to PM2.5 or to filtered air during pregnancy. A chromatographic and sample preparation methods for urinary untargeted metabolomics analysis by HILIC-MS were optimized. For the chromatography optimization, the influence of mobile phase additives, salt concentration and pH, as well as, the gradient ramp were investigated. The best condition was chosen by the evaluation of peak shape, relative intensity and retention time CV of 15 selected m/z, as well as, the total number of molecular features and the intensity CV of those molecular features. The best condition comprises of 20 mmol/L of ammonium formate as solvent B, and 95% acetonitrile and 5% 400 mmol/L of ammonium formate as solvent A, in the composition of the mobile phase. For the sample preparation, different solvents, along with, their mixtures were examined for the urine protein precipitation. Isopropanol was the solvent that presented the best results for sample preparation. Thus, after the analytical method optimized, urine samples from the progenitors were submitted to untargeted metabolomics analysis by HILIC-MS. The animals\' metabolome were significantly changed by the gestational exposure to particulate matter. It was observed changes in the levels of carnitines, amino acids, peptides, among others. There is some indication that the air pollution has altered the gut microbiota, due to the enhancement of trimethylamine N-oxide (TMAO), a metabolite that is also related to the atherosclerosis process. The level of metabolites related to histidine metabolism were also altered due to PM2.5 exposure. Carnitine and acylcarnitine levels were also increased in the test group, suggesting an altered energy production in the mitochondria.

Há fortes evidências dos efeitos negativos da exposição gestacional a poluentes atmosféricos. No entanto, mecanismos de atuação de poluentes não são bem compreendidos. Alterações fisiológicas anômalas na progenitora, durante o período de gravidez, podem causar mudanças permanentes na prole, que podem desencadear futuras doenças na vida adulta. Portanto, o estudo dessas alterações maternas é importante. A metabolômica é definida como a análise global do metaboloma de um organismo em experimentos comparativos, com o objetivo de observar mudanças relativas da abundância dos metabólitos, o aparecimento ou desaparecimento de metabólitos, e pode fornecer uma melhor compreensão dos mecanismos de funcionamento celular dos organismos a nível molecular. Nesse trabalho, um estudo experimental de exposição gestacional materna, ao material particulado fino (MP2,5), foi realizado, para avaliar os efeitos dessa exposição no metabolismo, por meio da análise metabolômica global da urina de camundongos fêmeas progenitoras expostas ao MP2,5 (grupo teste) ou a ar filtrado (grupo controle) durante a gestação. Um método cromatográfico e de preparo de amostra para metabolômica urinária por HILIC-MS foram otimizados. Para a otimização da condição cromatográfica, foram investigados a influência de aditivos, concentração de sal e pH da fase móvel, bem como, a rampa do gradiente. A melhor condição foi escolhida por meio da avaliação do formato de pico, da intensidade relativa e do CV do tempo de retenção para 15 m/z selecionados, assim como, pelo número total de molecular features e CV da intensidade desses molecular features. A melhor condição obtida apresenta 20 mmol/L de formiato de amônio em sua composição do solvente B da fase móvel e 95% acetonitrila e 5% solução aquosa 400 mmol/L de formiato de amônio na composição do solvente A. Para o preparo de amostra, foram examinados diferentes solventes orgânicos e suas misturas, para a precipitação de proteínas da urina. O isopropanol foi o solvente apresentou os melhores resultados para o preparo de amostra. Dessa forma, com o método analítico otimizado, as amostras de urina de camundongos fêmeas prenhas foram submetidas à analise metabolômica global por HILIC-MS. O metaboloma dos animais foi bastante alterado pela exposição gestacional ao material particulado. Observou-se alteração dos níveis de carnitinas, aminoácidos, peptídeos, entre outros. Há também indícios de que a poluição atmosférica alterou a microbiota intestinal dos animais, devido ao aumento de N-óxido de trimetilamina, um metabólito que também é relacionado ao processo de aterosclerose. Níveis de metabólitos relacionados ao metabolismo da histidina também foram alterados devido a exposição ao MP2,5. Níveis de carnitina e acilcarnitinas foram aumentados no teste, sugerindo alteração da produção de energia na mitocontria. / There are strong evidences regarding negative effects of gestational exposure to air pollution. However, the mechanisms of action of air pollutants are not well established. Maternal anomalous physiological changes during pregnancy may cause permanent changes in offsprings, that might initiate future diseases in adult life. Therefore, the study of those maternal changes during pregnancy is important. Metabolomics is defined as the global analysis of the metabolome of an organism in comparative studies, for the measurement of relative changes in the metabolite abundance, appearance or disappearance. Metabolomics might provide a better understanding of cellular functioning at the molecular level. In this work, an experimental study of maternal gestational exposure to fine particulate matter (PM2.5) was accomplished to evaluate the effects of this exposure to the metabolism, by an untargeted metabolomics analysis of urine from pregnant mice exposed to PM2.5 or to filtered air during pregnancy. A chromatographic and sample preparation methods for urinary untargeted metabolomics analysis by HILIC-MS were optimized. For the chromatography optimization, the influence of mobile phase additives, salt concentration and pH, as well as, the gradient ramp were investigated. The best condition was chosen by the evaluation of peak shape, relative intensity and retention time CV of 15 selected m/z, as well as, the total number of molecular features and the intensity CV of those molecular features. The best condition comprises of 20 mmol/L of ammonium formate as solvent B, and 95% acetonitrile and 5% 400 mmol/L of ammonium formate as solvent A, in the composition of the mobile phase. For the sample preparation, different solvents, along with, their mixtures were examined for the urine protein precipitation. Isopropanol was the solvent that presented the best results for sample preparation. Thus, after the analytical method optimized, urine samples from the progenitors were submitted to untargeted metabolomics analysis by HILIC-MS. The animals\' metabolome were significantly changed by the gestational exposure to particulate matter. It was observed changes in the levels of carnitines, amino acids, peptides, among others. There is some indication that the air pollution has altered the gut microbiota, due to the enhancement of trimethylamine N-oxide (TMAO), a metabolite that is also related to the atherosclerosis process. The level of metabolites related to histidine metabolism were also altered due to PM2.5 exposure. Carnitine and acylcarnitine levels were also increased in the test group, suggesting an altered energy production in the mitochondria.

The stream of new technological advancements and their integration into the field of microbiology have contributed significantly towards our understanding of life in the micro-scale world, making the fields of microbiology and biotechnology shine like never before. Since 1980, the recombinant protein-based therapeutics industry has become one of the fastest growing sectors in the biopharmaceutical market. Nearly 30% of commercially available recombinant proteins are produced in Escherichia coli, making this species one of the most commonly used bacterial expression systems for the production of recombinant biotherapeutics. However, when it comes to the production of enzymes and bioactive secondary metabolites (antibiotic, antifungal, antiviral and immunosuppressant), Streptomyces species remain the major producer within this sector. Meeting the high demand for such products requires a clear and in-depth understanding of the bioprocesses involved to achieve high yield and quality products, whilst keeping the process industrially attractive. It is generally accepted that the metabolome, as a down-stream process to the genome and proteome, may provide a clearer picture of a biological system. Thus, in this thesis a series of metabolomics approaches were adopted to obtain a deeper insight into the metabolic effects of recombinant protein production in E. coli and Streptomyces lividans. Furthermore, a Geobacter-based biomagnetite nanoparticle production system which displayed a prolonged lag phase upon scale-up was investigated by employing metabolic profiling and fingerprinting approaches combined with multivariate analysis strategies, to identify growth-limiting metabolites. The results of this analysis identified nicotinamide as the growth limiting metabolite. Nicotinamide-feeding experiments confirmed the above findings, leading to improved biomass yield whilst restoring the lag phase to bench-scale level. Raman and Fourier transform infrared spectroscopies combined with stable isotopic probing strategies were also employed to demonstrate the application of metabolic fingerprinting in providing detailed biochemical information for quantitative characterisation and differentiation of E. coli cells at community and single-cell levels. The single-cell approach proved promising, offering detailed biochemical information and perhaps accompanying other cultivation-free approaches such as metagenomics for further future investigations. It is hoped that the advances made in these studies have proved the potential applications of metabolomics strategies to aid the optimisation of microbially-driven bioprocesses.