21587 research outputs found
Sort by
Contributions of physical activity and positive psychological functioning to flow and well-being
No full textStudies highlight the importance of physical activity (PA) in relation to positive psychological functioning (PPF) among adults. Physical inactivity is strongly associated with lower levels of PPF, supporting the idea that lifestyle choices can be identified as a public health concern. There is growing evidence of the health benefits of regular PA. This study aims to analyze the contribution of PA to flow, PPF, and well-being. The sample consisted of 226 adults aged between 18 and 65 years (M = 41.23; SD = 12.50), mostly female (70.35%), with 56% reporting regular PA. Results revealed significant differences favoring active individuals over sedentary participants in all dimensions of flow, except for loss of self-consciousness. Regular PA was associated with higher levels of flow and psychological well-being. Both regular and intensive PA, as well as environmental mastery (EM), were key contributors to flow experiences, while self-acceptance and EM were central contributors to the Live Well Index. These findings support the association between PA and lower likelihood of sedentary lifestyles, emphasize its benefits for well-being, and highlight the association between PPF and active lifestyle patterns.E-UAlg/2017/2022
Reproduction traits and strategies of two Sardinella species off the Southwest Coast of Africa
No full textSmall pelagic fishes such as Sardinella aurita (Valenciennes, 1847) and Sardinella maderensis (R. T. Lowe, 1838) are key intermediate-level components of the marine food web of the southwestern African coast. Their biomass off Angola has shown significant interannual variability, and information about their reproduction is insufficient in the region for adequate stock management. Thus, we aimed to unveil the reproduction period and reproductive traits of these two Sardinella species and establish a link with the prevailing ocean temperature conditions. Adult fish samples were obtained monthly from artisanal and semi-industrial fleets, and the ichthyoplankton samples were collected with a Hydro-Bios Multinet off southwest Angola by Instituto Nacional de Investigação Pesqueira (Angola). The macroscopic inspection of gonads showed that females of both species were more abundant than males. The gonadosomatic index and maturity stages indicate that S. aurita spawns during the Austral summer (December through March), while S. maderensis has a longer spawning period, from October to April. The spawning peak occurs in February for S. aurita and S. maderensis. The mean monthly condition factor of both species was high before and after spawning seasons. The females of S. aurita reach sexual maturity at a smaller size than males, and 50% of the population reaches sexual maturity at a total length of 31.3 cm. The males of S. maderensis reach sexual maturity at a smaller size than females, and 50% of the population reaches sexual maturity at a total length of 28.4 cm. We also found that both species use the southern coast of Angola as a spawning area during the Austral summer and avoid the area during periods of intense upwelling. Currently, these species are managed as a single unit, and the minimum capture size is set at 22 cm, well below the size at sexual maturity registered in the study area. Therefore, we strongly recommend increasing the minimum capture size to guarantee long-term stock viability.PRT/BD/154614/2022N/
Water management practices and antibiotic-resistant Pseudomonas aeruginosa contamination in Ethiopian tertiary hospitals: implications for waterborne healthcare-associated infections
No full textThe threat of healthcare-associated infections is significantly heightened when caused by drug-resistant pathogens. This study evaluates water management practices and prevalence of antibiotic-resistant Pseudomonas aeruginosa in water systems of two tertiary hospitals of Ethiopia. We employed a mixed-methods approach, combining the qualitative data thematic analysis with quantitative microbiological results from 120 potable water samples. P. aeruginosa isolates were identified and subjected to antimicrobial susceptibility testing. Data collection was conducted between December 2023 and January 2024. The findings indicate that neither hospital had a dedicated water management programme for preventive maintenance. Microbial analysis revealed a 16% prevalence of P. aeruginosa in the water samples, with 26.3% of isolates demonstrating resistant to at least one antibiotic class. Notably, two isolates from the maternity ward of Hospital A exhibited multidrug resistance (MDR) to ciprofloxacin, amikacin, and imipenem. Overall, the structural and operational standard of the water management programmes in both hospitals were found to be non-conformant to international standards. A higher rate of Pseudomonas positivity, including resistant and MDR strains, indicates persistent hospital water contamination and a tangible risk for HAIs. These results underscore the critical need for the formation of multidisciplinary water safety team to optimize water quality management in these hospitals
Origin and evolutionary trajectories of brown algal sex chromosomes.
No full textResearch on the biology and evolution of sex chromosomes has primarily focused on diploid XX/XY and ZW/ZZ systems. In contrast, the rise, evolution and demise of U/V systems has remained an enigma. Here we analyse genomes of nine brown algal species with different sexual systems to determine the history of their sex determination. U/V sex chromosomes emerged between 450 and 224 million years ago, when a region containing the pivotal male-determinant MIN ceased recombining. Seven ancestral genes within the sex-determining region show remarkable conservation over this vast evolutionary time, although nested inversions caused expansions of the sex locus, independently in each lineage. We evaluate whether these expansions are associated with increased morphological complexity and sexual differentiation, and show that taxonomically restricted genes evolve unexpectedly often in U and V chromosomes. We also investigate two situations in which U/V-linked regions have changed. First, we demonstrate that convergent evolution of two monoicous species occurred by ancestral males acquiring U-specific genes. Second, the Fucus dioecious system involves new sex-determining gene(s), acting upstream of formerly V-specific genes during development. Both situations have led to the demise of U and V chromosomes and erosion of their specific genomic characteristics
Impacto do tratamento cirúrgico da obesidade no cancro da mama
No full textIntrodução: A obesidade é uma doença crónica caracterizada pela acumulação anormal de gordura corporal, ocorrendo um desequilíbrio entre as calorias que são ingeridas e as que são gastas. A obesidade pode contribuir para o desenvolvimento de várias outras patologias, entre as quais o cancro da mama. Embora existam vários fármacos que podem ser utilizados para o tratamento da obesidade, o tratamento que tem demonstrado ser mais eficaz a longo prazo é a cirurgia bariátrica. Para além da perda de peso, o tratamento cirúrgico demonstrou melhorar vários dos problemas de saúde associados à obesidade. Objetivo: Compreender a influência que a cirurgia bariátrica tem no risco do desenvolvimento de cancro da mama. Métodos: Foi realizada uma pesquisa de revisões sistemáticas nas bases de dados PubMed e Web of Science, com o objetivo de avaliar a relação entre a cirurgia bariátrica e a incidência de cancro da mama. Foram considerados como critérios de inclusão os artigos serem revisões sistemáticas e/ou meta-análises e relacionarem a realização de cirurgia bariátrica com o cancro da mama. Foram excluídos artigos que reportem estudos originais ou ensaios clínicos, ou outros artigos que não são revisões sistemáticas e/ou meta-análises, artigos que refiram apenas outras cirurgias, e artigos que refiram outros cancros, mas não incluem o cancro da mama. Resultados: Após seleção, foram analisados 6 artigos que relacionam a cirurgia bariátrica com o risco de desenvolvimento de cancro da mama. Os resultados analisados indicam que houve uma redução de 44% a 51% na redução do risco de desenvolvimento de cancro da mama após o tratamento cirúrgico da obesidade. Conclusão: Com esta revisão do tipo umbrella, conclui-se que os pacientes com obesidade, depois de submetidos a cirurgia bariátrica, apresentam um menor risco de desenvolvimento de cancro da mama em relação aos pacientes que não fizeram a cirurgia.Introduction: Obesity is a chronic disease characterized by the abnormal accumulation of body fat, resulting from an imbalance between caloric intake and energy expenditure. Obesity can lead to the development of several comorbidities, including breast cancer. Although there are various drugs that can be used to treat this condition, bariatric surgery has demonstrated superior long-term efficacy. In addition to promoting weight loss, surgical intervention has been shown to improve multiple obesity-related health conditions. Objective: To evaluate the impact of bariatric surgery on the risk of developing breast cancer. Methods: A systematic literature search was conducted in the PubMed and Web of Science databases to identify systematic reviews and/or meta-analyses examining the association between bariatric surgery and breast cancer incidence. Inclusion criteria required that studies be systematic reviews and/or meta-analyses that specifically addressed the relationship between bariatric surgery and breast cancer. Exclusion criteria included original research articles, clinical trials, non-systematic reviews, reviews focusing exclusively on other surgical procedures, or studies addressing cancers other than breast cancer. Results: After the selection process, six articles were analyzed that examined the association between bariatric surgery and the risk of developing breast cancer. The findings consistently indicated a reduction in breast cancer risk ranging from 44% to 51% following bariatric surgery in individuals with obesity. Conclusion: This umbrella review concludes that patients with obesity who undergo bariatric surgery have a lower risk of developing breast cancer compared to those who do not undergo the surgery
Pretreatment tunes scCO2 extract composition and bioactivity in three microalgae: chemometric and molecular docking insights
No full textThis study explores the impact of enzymatic (ENZ), microwave (MW), and ultrasound (US) pretreatments on supercritical CO2 (scCO2) extraction efficiency, chemical composition, and cytotoxic activity of Tetraselmis sp., Tetradesmus obliquus, and Chlorococcum sp. Pretreatments significantly enhanced extraction yields, with ENZ being most effective for Tetraselmis and Chlorococcum, and MW for T. obliquus. UPLC-HRMS profiling revealed species- and pretreatment-specific shifts: ENZ and US improved pigment recovery in Tetraselmis, while MW enriched carotenoids and chlorophyll derivatives. In Chlorococcum, MW boosted pigment diversity, whereas ENZ and US favored fatty acid derivatives in the extracts. Multivariate analysis confirmed significant compositional changes, particularly after ENZ and MW pretreatments. Tetraselmis extracts, especially those pretreated with MW, exhibited the strongest cytotoxic activity and highest selectivity indices against HeLa and MDA-MB-453 cancer cell lines. Correlation analysis identified compounds such as 2,3-dihydroxypropyl stearate, fucoxanthin, and (3β)-3-hydroxystigmast-5-en-7-one as strongly linked to cytotoxicity. Molecular docking further showed that abundant compounds in Tetraselmis extracts have high predicted affinities for cancer-related targets (e.g., BCL2, EGFR, PDK1). The results suggest that cytotoxic effects arise from both specific bioactive compounds and their synergistic interactions. These findings show that pretreatments can purposefully tune scCO2 extracts and provide a data-driven basis for designing more sustainable microalgal extraction workflows.10.54499/2022.04909.CEECIND/CP1725/CT0014; UID/50006/202
Maternal thyroid hormone is required to develop the hindbrain vasculature in zebrafish
No full textThyroid hormone (TH) signaling is important and necessary for proper neurodevelopment. Inadequate levels of maternally derived THs (MTH) supply affect target gene expression profiles, which are fundamental for the brain’s normal growth, maturation, and function. The monocarboxylate transporter 8 (SLC16A2, MCT8) is the main TH transporter present in the brain during embryonic development, and mutations in this transporter lead to a rare and debilitating human condition known as the Allan-Herndon-Dudley Syndrome (AHDS). This mutation affects the capacity for intracellular transport of the hormone, leading to impaired brain development that constitutes the main pathophysiological basis of AHDS. Like humans, zebrafish embryos express slc16a2 that transports exclusively T3 at zebrafish physiological temperature. Studies in zebrafish Mct8 knockdown (KD) models found impaired hindbrain vasculature development. Here, using zebrafish Mct8 KD and knockout (KO) models, we shed light on the maternal T3 (MT3)-dependent developmental mechanism behind hindbrain vasculature development. We first demonstrate that MT3-regulates hindbrain vegfaa expression. We provide evidence that hindbrain neurons are not the source of vegfaa, instead, restricted pax6a+ neuroprogenitor cells (NPCs) instruct central arteries (CtAs) ingression into the hindbrain. Therefore, MT3 acts as an integrator, providing the regulatory cues necessary for the timely ingression of the CtAs into the hindbrain.PTDC/EXPL/MAR-BIO/0430/2013; SFRH/BD/108842/201
Experimental anthropogenic food restrictions drive short-term foraging and immuno-haematological changes in sympatric breeding gulls
No full textFishery discards and landfills provide major subsidies to scavenging seabirds, shaping their foraging behaviour and population dynamics. However, few studies have compared the behaviour and health of individuals with and without access to such predictable anthropogenic food subsidies (PAFS). We assessed the foraging behaviour and immuno-haematological condition of incubating Audouin's (Ichthyaetus audouinii) and yellow-legged gulls (Larus michahellis) in response to an experimental restriction of access to fisheries and landfill food subsidies in southern Portugal. In response to food restrictions, gulls from both species increased their foraging distance from the colony, likely relying on alternative prey, and/or foraging in association with other fishing fleets in Portuguese or nearby Spanish waters. This was supported by a decrease in the number of yellow-legged gulls observed at both the landfill and the Culatra fishing harbour during the food restriction trials. These changes were followed by alterations in the leucocyte profiles of yellow-legged gulls, characterised by a predominance of heterophils over lymphocytes, i.e. an indicator of physiological stress. Our findings show that limited access to PAFS can influence gulls' foraging behaviour and physiological condition, highlighting their reliance/dependence on these predictable subsidies. These short-term responses suggest that PAFS may function as ecological traps for opportunistic seabirds during the breeding period. Understanding such responses is critical to predict long-term ecological consequences and to develop waste and fisheries management policies aligned with EU strategies.2022.07032.CEECIND/CP1714/CT0009; CEECIND/CP1656/CT0014; DL57/2016/CP1370/CT8
A wise destination in construction: the role of technology in a geo-destination
No full textOs Geoparques Mundiais da UNESCO são territórios que se distinguem por integrarem património geológico de importância internacional com estratégias de desenvolvimento sustentável e envolvimento das comunidades locais (UNESCO, 2025c). O seu modelo de gestão holístico, focado em três áreas fundamentais - geoconservação, geoeducação e geoturismo (UNESCO, 2024) - alinha estes territórios com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da UNESCO (Gabriel, Moreira, Alencoão, Faria, Silva & Sá, 2018; United Nations, 2024) e, neste contexto, o geoturismo, em particular, é visto como uma ferramenta para alavancar a sustentabilidade económica, social e ambiental do território (UNESCO, 2024).
Contudo, o geoturismo enfrenta novos desafios que refletem problemáticas globais no setor turístico, como o turismo de massas, que já afeta negativamente alguns geoparques (Drápela, Pánek, Boháč & Böhm, 2025). Embora o turismo possa ser um aliado vital na gestão de áreas protegias (Fernandes, Castro & Tracana, 2020; Gordon, 2018) é igualmente reconhecido como uma das indústrias com maior pegada ecológica (Dolnicar, 2020) Importa, no entanto, clarificar que os Geoparques Mundiais da UNESCO não são áreas protegidas, embora partilhem objetivos comuns relacionados com a conservação, a educação e o desenvolvimento sustentável. Neste contexto, o papel das tecnologias torna-se particularmente relevante, uma vez que podem apoiar a monitorização, a conservação do património e a gestão sustentável dos visitantes em territórios que não dispõem de um estatuto formal de proteção. Além disso, a complexidade de conceitos geológicos dificulta a sua comunicação de forma simples e eficaz, o que reforça a pertinência de estratégias de marketing alinhadas com perfis de públicos e facilitadoras de ações de interpretação mais eficazes, assim como potenciadoras de experiências turísticas apelativas para públicos não especializados (Dowling, 2011). A Declaração de Arouca, assinada em 2011, no âmbito do Congresso Internacional de Geoturismo realizado no geoparque Arouca, Portugal, é um documento orientador que estabelece os princípios do geoturismo, defendendo a inovação na valorização do património geológico e encorajando o recurso a novas tecnologias, em substituição de métodos tradicionais (Arouca Declaration, 2011).
A literatura em gestão e marketing aplicada ao turismo e aos territórios, incluindo geoparques, tem vindo a explorar diversos conceitos para responder a estes desafios. Neste contexto, por exemplo, o slow tourism surge como uma alternativa ao turismo de massas que propõe a desaceleração do visitante em contexto de viagem através da sua imersão em experiências únicas (Mavric, Öğretmenoğlu & Akova, 2021; Valls, Mota, Vieira & Santos, 2019). A filosofia slow em geoparques da UNESCO não é inédita, embora escassa (Fusté-Forné, 2023). Trata-se de uma filosofia cujo modelo de desenvolvimento turístico de valorização do território converge com os princípios orientadores dos Geoparques da UNESCO (Fusté-Forné, 2023) e potencia abordagens inspiradas no turismo regenerativo que, além de mitigar eventuais efeitos negativos, procura enfatizar os impactos positivos através de ações regenerativas e transforadoras nos territórios, comunidades e visitantes através da experiência turística (Duarte, Cousins, Ficociello, Williams & Khowala, 2024).
Neste contexto, a Arouca Declaration (2011) reconhece o papel das novas tecnologias no centro da construção de um destino smart. A literatura explora o conceito de smart destinations e esclarece que o seu foco é a utilização da tecnologia para otimizar a gestão do destino, melhorar a qualidade de vida dos residentes e aumentar a qualidade das experiências turísticas (Gretzel, Werthner, Koo & Lamsfus, 2015). As tecnologias têm sido vistas como ferramentas versáteis e adaptáveis, acessíveis e de fácil aceitação, especialmente por gerações mais jovens, com potencial para influenciar atitudes dos visitantes (Fassoulas, Nikolakakis & Staridas, 2022; Alyahya & McLean, 2022; Tussyadiah, Wang & Jia, 2017; Pradhan, Malik & Vishwakarma, 2023), melhorar a acessibilidade (Ozdemir, 2021; Beck, Rainoldi & Egger, 2019) e fomentar a co-criação (Jovicic, 2019).
É neste cruzamento entre a necessidade de responder a desafios de longo prazo, integrar a sustentabilidade e inovar ao nível tecnológico que surge o conceito de wise destination. Definido como uma evolução das smart destinations, é uma estratégia de gestão do destino que integra as tecnologias de forma mais humana tirando partido dos benefícios do uso tecnologia, mas tendo em consideração a sustentabilidade, o envolvimento das comunidades, o bem-estar e a necessidade de criar equilíbrio oferecendo oportunidades para a desconexão (Coca-Stefaniak, 2020).
Tendo como base uma extensa revisão de literatura, em particular, em torno dos conceitos de smart destination, slow tourism, turismo sustentável e regenerativo, é proposta uma framework conceptual que relaciona, no contexto de geoparques e geoturismo, conceitos como o wise destination e o papel de novas tecnologias na melhoria da experiência do visitante e na promoção de práticas de turismo sustentável, regenerativo e inclusivo. Apesar de reconhecido o seu potencial no contexto turístico contemporâneo, o conhecimento teórico e empírico sobre o conceito é escasso. Por exemplo, desde a conceptualização do conceito wise destination, foram desenvolvidos modelos conceptuais para um post-smart destination, na Indonésia (Kusumastuti, Pranita, Viendyasari, Rasul & Sarjana 2024; Pranita, 2023), mas ainda não foi explorado em geoparques e geoturismo. Assim, o objetivo deste estudo é explorar caminhos para desenhar uma estratégia de wise destination no contexto dos Geoparques Mundiais da UNESCO, com foco no Geoparque Algarvensis, localizado no Algarve, sul de Portugal, é um território que apresenta uma combinação de zonas costeiras, que, no verão são afetadas pelo turismo de massas, com áreas do interior de baixa densidade populacional, enfrentando desafios de coesão territorial e desenvolvimento sustentável. A nível económico, o turismo constitui uma das principais atividades, sendo o geoturismo uma oportunidade para diversificar a oferta, valorizar os recursos endógenos e promover uma maior ligação entre visitantes e comunidades locais.
A investigação adotou uma abordagem qualitativa, dada a natureza exploratória do tema. Os dados foram recolhidos através de cinco focus groups com stakeholders do território do Geoparque Algarvensis: residentes, associações locais, entidades regionais de turismo e meio ambiente, operadores turísticos e os técnicos da equipa do geoparque.
A análise temática permitiu organizar os resultados em seis dimensões: Geo-smart destination; Comunicação da marca; Sustentabilidade; Barreiras à implementação; Impactos do uso da tecnologia e Geo-wise destination. Os resultados deste estudo indicam um forte consenso entre os stakeholders sobre o potencial da tecnologia para transformar o Geoparque Algarvensis numa wise destination. Os participantes identificaram uma ampla gama de soluções tecnológicas, incluindo realidade virtual e aumentada, gamificação, redes sociais, entre outras, para criar smart experiences, imersivas e educativas, e promover um smart business ecosystem colaborativo entre os parceiros locais. Foi identificado o potencial da tecnologia para comunicar a marca Algarvensis, tornando conceitos geológicos complexos mais acessíveis e contribuindo para uma estratégia integrada de comunicação. Além disso, a tecnologia foi considerada uma ferramenta fundamental para promover a sustentabilidade através da monitorização dos visitantes, da conservação do património, por exemplo a proteção de locais vulneráveis ou inacessíveis através de alternativas virtuais e da melhoria da acessibilidade. Apesar desta perspetiva positiva, foram identificadas barreiras significativas, incluindo custos de implementação elevados, desafios operacionais como a falta de conhecimento técnico e fatores sociais relacionados com a literacia digital dos visitantes ou o desejo desconexão em períodos de lazer. Fundamentalmente, as conclusões reforçam o papel central das novas tecnologias no desenho de um destino smart mas, simultaneamente, identificam pistas que podem alavancar uma abordagem wise que envolve reinterpretar estrategicamente as fraquezas do território, como áreas sem internet, e transformá-las oportunidades para criar zonas de detox digital, num equilíbrio entre a inovação tecnológica e a promoção do bem-estar e a conexão autêntica com o território.
Os resultados deste estudo contribuem para o avanço do conhecimento em torno do conceito wise destination, em articulação com tecnologias smart, num território onde o turismo slow e regenerativo definem uma estratégia alinhada com critérios da Arouca Declaration, (2011) para o geoturismo e os objetivos de desenvolvimento sustentável da United Nations (2024). As implicações para a gestão são também discutidas, nomeadamente em Geoparques Mundiais da UNESCO.UNESCO Global Geoparks are territories that integrate the geological heritage of international relevance with strategies for sustainable development and participatory governance. It encompasses geoconservation, geoeducation, and geotourism, positioning them as laboratories for the articulation of natural and cultural values with socioeconomic advancement. Nevertheless, geotourism faces new challenges, including mass tourism, the ecological footprint associated with tourism mobilities, and the inherent complexity of translating geological knowledge into accessible and meaningful narratives. In response, the Arouca Declaration underscores the imperative of innovation and technological incorporation as vectors of resilience and transformation. Parallel discourses in the tourism literature have addressed such challenges through the paradigms of slow tourism, regenerative tourism, and smart destinations.
Against this backdrop, the present study advances a conceptual framework that links these paradigms to the emergent construct of a wise destination considered a strategy in which technological infrastructures are integrated in a human-centred manner, privileging sustainability, community participation, well-being, and the facilitation of disconnection. Despite its potential, the corpus of theoretical and empirical research on wise destinations remains embryonic. Post-smart destination models have begun to emerge, however, their application within geopark contexts remains unexamined.
Therefore, the objective of this investigation is to delineate potential pathways for a wise destination construction within UNESCO Global Geoparks, focusing on the Algarvensis Geopark, located in the Algarve region, Portugal. In Algarvensis, the tensions between coastal zones, subjected to the pressures of intensive mass tourism, and inland territories, characterised by structural challenges of cohesion and development asymmetry, are daily challenges to deal with.
Methodologically, the study adopts a qualitative design, comprising five focus groups with key stakeholders. The empirical evidence reveals a strong consensus regarding the transformative role of technology in reconfiguring Algarvensis as a geo-wise destination. Stakeholders emphasised the capacity of digital innovation to enable immersive and educational visitor experiences, foster a smart business ecosystem, strengthen territorial branding, advance sustainability imperatives, enhance heritage conservation, and improve accessibility. Although barriers to implementation persist, findings indicate that such challenges may be reframed as opportunities for the strategic valorisation of territorial weaknesses.
This research contributes to the theoretical consolidation of the wise destination construct by demonstrating its applicability to UNESCO Global Geoparks. It further highlights the potential of integrating smart technologies with slow and regenerative tourism strategies, thereby reinforcing the normative orientations established in the Arouca Declaration and United Nations sustainable development agenda. Management implications are also articulated, particularly within UNESCO Global Geoparks as multifunctional territories at the interface of (geo)heritage, community, and tourism
Label free profiling of biomolecular Interactions with coupled acoustic wave biosensor and heat conduction calorimetry
No full textUnderstanding the thermodynamics of molecular interactions can give insights for rational
drug design in modern pharmacology. Although a number of methods are available to evaluate
the binding of biomolecules, only calorimetry can afford the complete thermodynamic
characterization of these interactions, by being able to quantify their binding affinity, enthalpy
and entropy.
The recent field of biosensor technology provides the approach to meet the specificity and
volume requirements that the conventional calorimetric techniques cannot afford. In this thesis
we developed an acoustic wave biosensor coupled with a heat conduction calorimeter (HCC),
the Microbalance/Calorimeter Flow Sensor (MCFS). The Quartz Cristal Microbalance (QCM)
is combined with HCC in order to create a biosensing system able to simultaneous detect the
immobilized biological compounds and the heat produced/consumed by the reaction between
them. The direct measurement of heat and mass change provides thermodynamic and kinetic
information fundamental to understand molecular interactions.
During this dissertation, protocol strategies were developed for independent QCM and
HCC measurements. The MCFS was built and evaluated through baseline assays, electrical
calibration and test reactions. The system proved to be responsive and robust: baseline noises
are 0.23 Hz, 30 nV and 4 mΩ, with a temperature control of 0.003 K. Electrical calibration
revealed a 10 mV/W sensitivity and 3 μV detection limit of the calorimeter.
In a later stage, (1) biotin-streptavidin binding; (2) glucose oxidase-glucose enzymatic
reaction; (3) human serum albumin-warfarin interaction; (4) and single stranded DNA
hybridization were tested to validate the experimental methodology. Although none of these
reactions reveal a measurable calorimetric signal, streptavidin assays confirm the possibility of
differential studies with a 4 ng/cm2 QCM sensitivity and a 3 ng precision.
MCFS proved to be a potential asset for molecular interactions energetic studies, although
its sensitivity needs to be improved. The current MCFS can be placed in the 4th level of
technology demonstration, highlighting its potential as platform for innovative early drug
discovery.O estudo das interações moleculares é um tema central em química e em biologia
molecular. Existem vários métodos experimentais que permitem a caracterização
termodinâmica completa destas reações, mas apenas a calorimetria pode ser universalmente
aplicada. No entanto, a sua utilização em biologia molecular apresenta duas limitações
importantes: por um lado as experiências de calorimetria são tipicamente morosas e, por outro,
o facto de o calor não ser uma propriedade específica torna difícil a interpretação de resultados
calorimétricos em sistemas complexos.
A tecnologia de biossensores permite colmatar as questões acima, que as atuais técnicas de
calorimetria não são capazes. Nomeadamente, a recente técnica da Microbalança de Cristal de
Quartzo (QCM) com Calorimetria de Condução de Calor (HCC) permite ultrapassar estas
limitações ao combinar um microcalorímetro com um biossensor. O biossensor confere ao
calorímetro as propriedades de deteção dos seus componentes biológicos imobilizados
(permitindo atribuir o calor medido especificamente à reação de interesse), assim como um
rápido modo de operação (as experiências podem ser realizadas em fluxo e os resultados
analisados em tempo real).
O objetivo principal desta dissertação passou pelo desenvolvimento da técnica e
instrumentação do protótipo Microbalance/Calorimeter Flow Sensor (MCFS), assim como a
sua validação para aplicações biológicas. Neste sentido, a primeira parte do trabalho focou o
desenvolvimento de metodologias experimentais para obtenção de medidas de precisão em
reações complexas em solução, tanto em QCM como em HCC, de forma independente.
A aplicação da técnica de QCM a soluções biológicas está sujeita a erros provocados pela
viscosidade das mesmas e pela presença de eletrólitos. Estes problemas poderão ser
ultrapassados recorrendo a técnicas avançadas de análise, nomeadamente análise de
impedância. Neste sentido, foram realizados ensaios preliminares em QCM com proteínas
marinhas (nomeadamente a Cartilage Acidic, CRTAC). Concluiu-se haver aplicabilidade do
instrumento para estudar interações moleculares no contexto das aplicações marinhas, ainda
que mais testes sejam necessários para aferir conclusões acerca do papel funcional específico
destas proteínas nos processos em que participam. A técnica de HCC, como qualquer técnica calorimétrica, é propensa a erros sistemáticos,
visto que praticamente qualquer processo é acompanhado por evolução de calor. Desta forma,
soluções lipídicas foram alvo de um estudo sistemático por Calorimetria Diferencial de
Varrimento, permitindo desenvolver um protocolo experimental específico para este aparelho
e aferir as melhores condições experimentais. Embora este protocolo não seja totalmente
transversal ao aplicado no MCFS, foram obtidas ferramentas práticas úteis (por exemplo,
metodologias de aferição de performance e de interpretação de resultados) para serem aplicadas
ao protótipo desenvolvido.
Para eliminar as várias fontes de erro, foram propostas técnicas para contabilizar o calor
envolvido em processos competitivos. Foram realizados testes de estabilidade ao aparelho, quer
em ar, quer em meio líquido. Sem fluxo de soluções, o sistema apresenta grande estabilidade,
com um controlo de temperatura de cerca de 0.5 μK e linhas de base com ruído inferior a 0.02
Hz e 10 nV, para os sinais de frequência e voltagem, respetivamente. Fazendo circular água
pelo sistema a 250 μL/min, os ruídos das linhas de base passam a ser de 0.23 Hz, 30 nV e 4 mΩ
para a frequência, voltagem e resistência, respetivamente (medida de resistência posteriormente
instalada). O controlo de temperatura passou por sua vez a ser c.a. 3 mK.
Foram efetuadas calibrações elétricas para aferir a sensibilidade do sistema de medição de
calor. Utilizando a vibração do próprio cristal do QCM como fonte de dissipação de potência,
obteve-se uma sensibilidade de 10 mV/W e um limite de deteção de 3 μV. Outras estratégias
de calibração foram desenvolvidas ao longo do decorrer do trabalho, nomeadamente uma célula
de fluxo com resistência de aquecimento, cuja potência dissipada pudesse ser alterada em
função do estudo em curso. Este sistema foi utilizado para perceber qual o fluxo de trabalho
ideal, tendo-se concluído que um fluxo de 150 μL/min é preferível para uma maior
sensibilidade.
Várias reações teste para avaliar o desempenho do instrumento foram propostas,
nomeadamente (1) ligação biotina-streptavidina; (2) reação enzimática glucose oxidaseglucose;
(3) interação albumina do soro humano-varfarina; (4) e hibridização de duas cadeias
de DNA de cadeia simples. Embora não tenha sido possível observar conjuntamente os sinais
de frequência e voltagem para os sistemas estudados, é de notar que a reação (1) permitiu
determinar uma sensibilidade de 4 ng/cm2 para o QCM com uma precisão de 3 ng. Além disso,
provou-se com este sistema a capacidade de medida diferencial do sensor QCM, uma estratégia
inovadora no estudo cinético utilizando sensores piezoelétricos. Foi possível efetuar o estudo cinético da interação biotina-streptavidina, tendo-se obtido um ka de 4.0 × 10-05 M-1.s-1 e um kd
de 2.9 × 10-03 s-1, valores comparáveis com resultados publicados na literatura.
Relativamente à barreira encontrada na validação do protótipo utilizando sistemas
biológicos, concluiu-se que está relacionada com a diferença de sensibilidades entre os dois
tipos de sensores em questão. Como o cristal QCM permite a imobilização de um número de
moléculas limitado, a extensão da reação não produz ou consome calor suficiente para
ultrapassar o limite deteção do calorímetro. Uma vez determinado o problema, foram efetuadas
melhorias no sentido de diminuir eventuais perdas de calor no percurso da solução ao longo do
aparelho. Outras estratégias como o aumento da área sensível do cristal têm já vindo a ser
testadas, utilizando-se para o efeito nano partículas de ouro. Acredita-se que, um aumento
substancial do número de moléculas em jogo, possa permitir a obtenção de sinal correspondente
ao calor pelo HCC.
Vários sistemas biológicos têm sido selecionados com base na entalpia de reação (a qual
se deseja ser o maior possível) e no peso das moléculas (o qual deve ser suficiente para ser
detetado pela balança de cristal de quartzo) para validação do MCFS. Alguns dos sistemas a
serem testados são a simples fermentação de E. coli e a complexação do bário com o éter
18-coroa (um teste comum para calorímetros).
Outra estratégia para a validação do MCFS passa pelo aumento da sensibilidade do
calorímetro. Prevê-se a construção de um sistema em múltiplas etapas, no qual o calorímetro a
uso seja substituído por três em série, tendo cada um deles a sensibilidade equivalente à do
primeiro. Para além da sensibilidade ser aumentada, a progressão do calor pode ser extrapolada
para n calorímetros, permitindo assim estimar o calor libertado, mesmo que abaixo do limite de
deteção do sistema calorimétrico.
Embora tenham sido encontrados alguns constrangimentos ao longo do desenvolvimento
deste protótipo, o MCFS prova ser um sistema rápido e aplicável aos mais diversos estudos.
Embora a sensibilidade dos sensores tenha necessariamente que ser melhorada, este sistema
mostra grande potencial no estudo da energética de interações moleculares. O desenvolvimento
do aparelho atingiu o 4º nível de Technology Readiness Levels (validação em laboratório).
Tendo em conta o progresso realizado nestes 4 anos de desenvolvimento do aparelho,
considera-se que o sistema demonstra suficiente potencial para atingir a curto prazo o próximo
nível de validação da tecnologia em ambiente relevante. Espera-se ainda que, com as adequadas
alterações ao protótipo atual, seja possível efetuar a medição completa do perfil energético de
moléculas candidatas a fármacos