Avaliação in silico de peptídeos antimicrobianos em plantas medicinais: uma abordagem por bioinformática

Antimicrobial peptides are found in a wide variety of living organisms, including medicinal plants. These are natural molecules and with activity against pathogenic and phytopathogenic bacteria. With growing microbial resistance heading into the post-antibiotic era, the exploration of these peptides by alternative methodologies using bioinformatics tools has become promising. The objective of this work was to prospect antimicrobial peptides from medicinal plants using bioinformatics tools for biotechnological applications. To verify the state of the art, searches were carried out for scientific articles in academic journals from 2018 to 2022. Bioinformatics analyzes were conducted in protein and peptide databases, NCBI, Uniprot/Swiss-Prot, CAMP and APD3 with the terms of the ten families of antimicrobial peptides. Predictions of physical-chemical and toxicity characteristics were performed using Expasy and ToxinPred software, respectively. Many scientific articles were obtained with the research theme, demonstrating the great relevance of the area. The peptides with the highest number of deposits in the databases of medicinal plants were defensins, heveins and knotins. One hevein stood out for its stability in its structure and did not show toxicity to mammalian cells. The study of these peptides can be useful in the design of synthetic molecules that can be exploited for biotechnological applications.Os peptídeos antimicrobianos são encontrados em uma grande diversidade de organismos vivos, incluindo as plantas medicinais. São moléculas naturais e com atividade contra bactérias patogênicas e fitopatogênicas. Com a crescente resistência microbiana rumo à era pós antibiótica, a exploração desses peptídeos por metodologias alternativas utilizando ferramentas de bioinformática se tornou promissora. O objetivo do trabalho foi prospectar peptídeos antimicrobianos de plantas medicinais utilizando ferramentas de bioinformática para aplicações biotecnológicas. Para a verificação do estado da arte foram realizadas buscas por artigos científicos em periódicos acadêmicos entre 2018 e 2022. Análises de bioinformática foram conduzidas em bancos de dados de proteínas e peptídeos, NCBI, Uniprot/Swiss-Prot, CAMP e APD3 com os termos das dez famílias de peptídeos antimicrobianos. As predições das características físico-químicas e toxicidade foram realizadas nos softwares Expasy e ToxinPred, respectivamente. Muitos artigos científicos foram obtidos com a temática da pesquisa, demonstrando grande relevância da área. Os peptídeos que apresentaram maior número de depósitos nos bancos de dados em plantas medicinais foram as defensinas, as heveínas e as knotinas. Uma heveína apresentou destaque quanto a estabilidade em sua estrutura e não apresentou toxicidade às células de mamíferos. O estudo desses peptídeos pode ser útil no design de moléculas sintéticas que possam ser exploradas para aplicações biotecnológicas

Enzimas marcadoras de indução de resistência diferencialmente reguladas em soja resistente e suscetível à ferrugem-asiática-da-soja

O objetivo deste trabalho foi avaliar, por meio de enzimas marcadoras, a indução de resistência à ferrugem-asiática-da-soja em genótipos de soja contrastantes quanto à suscetibilidade a Phakopsora pachyrhizi. Aproteína total e as atividades de cinco enzimas marcadoras da indução de resistência (lipoxigenases, peroxidases, fenilalanina amônia-liase, quitinases e β-1, 3-glucanases) foram avaliadas em extratos de folhas de plantas de soja dos genótipos Embrapa 48 (suscetível) e PI 561356 (resistente), submetidas à inoculação ou não com o patógeno. Foram observadas respostas de defesa discrepantes entre os dois genótipos e entre os tempos de coleta (12, 72 e 168 horas após inoculação). A resposta de indução dessas enzimas assemelha-se à defesa bifásica, para Embrapa 48, e é consistente com o observado para outros patossistemas. No entanto, o genótipo PI 561356 respondeu com diminuição da concentração de proteína total e das atividades enzimáticas, o que indica redução do metabolismo geral das plantas infectadas. Há um importante mecanismo de resistência do genótipo PI 561356, ainda não relatado, embasado em vias que envolvem essas enzimas marcadoras e em mecanismos que utilizam menor concentração de proteínas, como os de via metabólica de resposta em cascata.The objective of this work was to evaluate induced resistance to Asian soybean rust by means of enzyme activities in soybean genotypes contrasting as to their susceptibility to Phakopsora pachyrhizi. Total protein and the activities of five induced resistance marker enzymes (lipoxygenases, peroxidases, phenylalanine ammonia-lyase, chitinases and β-1, 3-glucanases) were evaluated in leaf extracts of soybean plants of the genotypes Embrapa 48 (susceptible) and PI 561356 (resistant), inoculated or not with the pathogen. Discrepant defense responses were obtained between the two genotypes and among the leaf harvest times (12, 72, and 168 hours after inoculation). The induction response of these enzymes resembles the biphasic defense in Embrapa 48 and is consistent with that observed in other pathological systems. However, the genotype PI 561356 responded with a decrease in total protein concentration and in enzymatic activities, indicating a general reduction in the metabolism of the infected plants. There is an important mechanism of resistance for the genotype PI 561356, not yet reported, which is grounded on the metabolic ways involving these induced resistance marker enzymes and on the mechanisms that use lower concentrations of total protein, such as the ones with metabolic pathways in response cascade

Differentially regulated induced resistance marker enzymes in soybean genotypes resistant and susceptible to Asian soybean rust

O objetivo deste trabalho foi avaliar, por meio de enzimas marcadoras, a indução de resistência à ferrugem‑asiática‑da‑soja em genótipos de soja contrastantes quanto à suscetibilidade a Phakopsora pachyrhizi. A proteína total e as atividades de cinco enzimas marcadoras da indução de resistência (lipoxigenases, peroxidases, fenilalanina amônia‑liase, quitinases e β‑1,3‑glucanases) foram avaliadas em extratos de folhas de plantas de soja dos genótipos Embrapa 48 (suscetível) e PI 561356 (resistente), submetidas à inoculação ou não com o patógeno. Foram observadas respostas de defesa discrepantes entre os dois genótipos e entre os tempos de coleta (12, 72 e 168 horas após inoculação). A resposta de indução dessas enzimas assemelha-se à defesa bifásica, para Embrapa 48, e é consistente com o observado para outros patossistemas. No entanto, o genótipo PI 561356 respondeu com diminuição da concentração de proteína total e das atividades enzimáticas, o que indica reduçãodo metabolismo geral das plantas infectadas. Há um importante mecanismo de resistência do genótipo PI 561356, ainda não relatado, embasado em vias que envolvem essas enzimas marcadoras e em mecanismos que utilizam menor concentração de proteínas, como os de via metabólica de resposta em cascata.The objective of this work was to evaluate induced resistance to Asian soybean rust by means of enzymeactivities in soybean genotypes contrasting as to their susceptibility to Phakopsora pachyrhizi. Total protein and the activities of five induced resistance marker enzymes (lipoxygenases, peroxidases, phenylalanine ammonia‑lyase, chitinases and β‑1,3‑glucanases) were evaluated in leaf extracts of soybean plants of the genotypes Embrapa 48 (susceptible) and PI 561356 (resistant), inoculated or not with the pathogen. Discrepant defense responses were obtained between the two genotypes and among the leaf harvest times (12, 72, and 168 hours after inoculation). The induction response of these enzymes resembles the biphasic defense in Embrapa 48 and is consistent with that observed in other pathological systems. However, the genotype PI 561356 responded with a decrease in total protein concentration and in enzymatic activities, indicating a general reduction in the metabolism of the infected plants. There is an important mechanism of resistance for the genotype PI 561356, not yet reported, which is grounded on the metabolic ways involving these induced resistance marker enzymes and on the mechanisms that use lower concentrations of total protein, such as the ones with metabolic pathways in response cascade

Detection and isolation of antimicrobial peptides from leaves of Capsicum annum L. (bell pepper Magali R )

Peptídeos antimicrobianos (AMPs) têm atraído a atenção de pesquisadores como pontenciais compostos de defesa para serem usados no agronegócio. Eles apresentam mecanismos de ação diferentes dos compostos disponíveis comercialmente. O objetivo deste trabalho foi, por técnicas proteômicas, bioprospectar o potencial antimicrobiano de frações enriquecidas em peptídeos de folhas de pimentão (Capsicum annum Magali R ) contra fitopatógenos de importância comercial, objetivando aplicação biotecnológica. Folhas de pimentão foram maceradas com tampão Tris acrescido de inibidores de proteases, o homogenato foi centrifugado, e o sobrenadante foi nomeado extrato solúvel (ES). O precipitado foi ressuspendido em solução de LiCl contendo inibidores de proteases, o homogenato foi centrifugado e o sobrenadante foi denominado extrato de parede celular (EP). Com o objetivo inicial de confirmar a presença de AMPs, os extratos de pimentão foram fracionados com sal (Sulfato de Amônio) e por cromatografias de exclusão molecular (CEM) e hidrofóbica (CH). P2-ES1 e P2-EP1 obtidas após a CEM, deram origem respectivamente a nove (H1 a H9) e oito (H1 a H8) picos promissores à avaliação antimicrobiana quando separados por CH, observando-se que P2-EP1 corresponde a uma fração menos complexa enriquecida em peptídeos. As frações H3 e H4 de P2-EP1 apresentaram alta atividade inibitória para duas bactérias-teste avaliadas, Ralstonia solanacearum (Gram-negativa) e Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis (Gram-positiva). Com o objetivo de simplificar o processo para futuras aplicações comerciais, procedimentos de ultrafiltração (1-10 kDa) substituíram os passos cromatográficos. Além das bactérias mencionadas acima, as frações recuperadas após ultrafiltração (ES1-10 e EP1-10) foram também capazes de inibir o crescimento da bactéria Erwinia carotovora subsp. carotovora e do fungo Alternaria solani. O crescimento das bactérias Pseudomonas syringae pv. tomato e Xanthomonas axonopodis pv. phaseoli, e dos fungos Fusarium solani, Alternaria brassicicola, Pyricularia grisea e Rhizoctonia solani não foi inibido pelo extratos peptídicos. O procedimento de ultrafiltração foi essencial para a recuperação de grande quantidade de amostra parcialmente fracionada enriquecida em peptídeos. A etapa de ultrafiltração corresponde a um procedimento fácil, rápido e de baixo custo. E especialmente permite a recuperação de amostras nativas para ensaios biológicos. Para estudos analíticos das amostras, ES1-10 e EP1-10 foram submetidos à cromatografia de fase reversa em HPLC usando resinas C18 e C4 para purificação dos extratos. Para ES1-10 foram encontrados 13 picos promissores, e para EP1-10, 2 picos após C18-RPHPLC. Foi verificada a presença de bandas peptídicas após RP-C18- HPLC, principalmente no pico 3 de ES1-10, quando este foi ressubmetido à RP-C4-HPLC, originando o pico 3.1, que foi então submetido ao sequenciamento de aminoácidos. Por espectrometria de massa (MALDI/TOF-TOF), foram encontradas massas moleculares inferiores a 10 kDa para diversos picos provenientes da C18-RP-HPLC, e as seqüências aminoacídicas encontradas até então não apresentaram similaridade a peptídeos antimicrobianos relatados na literatura. Estes extratos antimicrobianos podem ser biotecnologicamente explorados para aplicação comercial como compostos de defesa.Antimicrobial peptides (AMPs) have being considered by researchers as potential defense compounds to be used in agribusiness. They present action mechanisms different from that of the available commercial compounds. The objective of this work was, by using proteomic tools, bioprospect the antimicrobial potential of peptide- enriched fractions from bell pepper (Capsicum annum `Magali R´) leaves against plant pathogens of commercial importance, aiming biotechnological application. Leaves of bell pepper were macerated with Tris buffer added of protease inhibitors, the homogenate was centrifuged, and the supernatant was named soluble extract (SE). The precipitate was resuspended in LiCl solution containing protease inhibitors, centrifuged and the supernatant was named cell wall extract (CWE). With the initial aim of assessing the presence of AMPs, the extracts of bell pepper were fractionated with salt, and by molecular exclusion (MEC) and hydrophobic (HC) chromatographies. P2-ES1 and P2-EP1 were obtained after MEC and produced respectively nine (H1-H9) and eight (H1-H8) promising antimicrobial peaks from HC. It could be observed that P2-EP1 is a lesscomplex peptide-enriched fraction. H3 and H4 fractions obtained from CWE1-P2 presented high inhibitory activity of two test-bacteria evaluated, Ralstonia solanacearum (Gram-negative) and Clavibacter michiganensis ssp. michiganensis (Gram-positive). With the aim also to simplify the process for further commercial application, ultra-filtration procedures (1-10 kDa) replaced the chromatographic steps. Besides the above mentioned bacteria, the recovered fractions after ultra-filtration (SE1-10 and CWE1-10) were also able to inhibit the bacterium Erwinia carotovora ssp. carotovora and the fungus Alternaria solani. The growth of the bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato and Xanthomonas axonopodis pv. phaseoli, and of the fungi Fusarium solani, Alternaria brassicicola, Pyricularia grisea and Rhizoctonia solani was not inhibited by the peptide extracts. The ultra-filtration procedure was essential for recovering great amounts of partially purified samples, that were enriched in peptides. The step of ultra- filtration corresponds to a easy, fast, and low cost procedure, and allows especially the recovering of native samples for biological assays. For analytical studies of these samples, SE1-10 and CWE1-10 were submitted to reversed-phase chromatographies on C18 and C4-column. When a C18-RP-HPLC column was used, 13 promising peaks were recovered from ES1-10, and 2 peaks from EP1-10. Peptide bands was detected mainly in the peak 3 from ES1-10. This peak was resubmitted to a RP-HPLC in a C4 column, the produced peak 3.1 was recovered and analyzed for the amino acid sequence. By mass spectrometry (MALDI / TOF-TOF), we found molecular weights smaller than 10 kDa to several peaks from the C18-RP-HPLC, and the amino acid sequences found so far showed no similarity to antimicrobial peptides reported in the literature. These antimicrobial extracts can be biotechnologically exploited for commercial application as defense compounds.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio

Química dos carboidratos: atividade investigativa e experimental realizada em um clube de ciências durante o ensino remoto

Os Clubes de Ciências são espaços não formais de aprendizagem que ajudam na construção de conhecimento científico. O presente trabalho é um relato do desenvolvimento de uma atividade sobre química realizada no Clube de Ciências BIOTEC durante o período do ensino remoto. A atividade desenvolvida foi baseada nos interesses dos clubistas, e foi desenvolvida através de uma proposta experimental e investigativa. Foram três encontros que aconteceram de forma síncrona pela plataforma Google meet. No primeiro encontro iniciou-se a discussão apresentando uma aula expositiva e uma roda de conversa, voltada para a apresentação de conteúdos teóricos, definições acerca do tema e exemplos. Em seguida, a mediadora apresentou uma questão problema relacionada aos diferentes tipos de carboidratos e sua digestão após consumi-los. O segundo encontro envolveu a parte prática do conteúdo, foi realizado um experimento com alimentos consumidos no dia a dia dos alunos, quando foi analisada a presença ou ausência do carboidrato amido. No último encontro, foi proposta uma experimentação prática e dessa vez, relacionando os carboidratos e os processos de digestão. Para finalizar e concretizar o conteúdo sobre carboidratos, foi utilizado o Instagram do Clube de Ciências - BIOTEC com elaboração e publicação do post “Podemos parar de consumir os carboidratos?”. Com base nas atividades desenvolvidas, foi possível evidenciar o interesse dos estudantes e ainda demonstrar que atividades diferenciadas contribuem para os processos de ensino e aprendizagem e devem ser favorecidas no ambiente escolar e em Clubes de Ciências

Plantas de pimentão submetidas à injúria mecânica modificam a expressão de proteínas em plantas vizinhas não injuriadas

DOI: não consta, por isso foi disponibilizado o link de acesso.A proteômica avalia eventos biológicos por análise das proteínas expressas em células ou tecidos em situações fisiológicas diferentes. Na proteômica de plantas, visando manter padrões de cultivo, plantas tratadas e não tratadas são muitas vezes cultivadas no mesmo ambiente, sem considerar alterações por plantas tratadas sobre a expressão de proteínas de plantas não tratadas. O objetivo desse trabalho foi, por proteômica, avaliar a expressão diferencial de proteínas em folhas de plantas de pimentão (Capsicum annuum L. ́Magali R‘) não-feridas (não-tratadas) e feridas (tratadas) por injúria mecânica, quando cultivadas ou não próximas fisicamente. Aos 40 dias após o plantio, parte das plantas foi submetida à injúria por ferimentos nas folhas totalmente expandidas (feridas, F), e parte foi reservada como plantas não-feridas, ou cultivadas perto das plantas F (NFP, a 0,15 m) ou cultivadas longe das plantas F (NFL, a 10 m). As folhas das plantas NFP e NFL foram coletadas às 12, 48 e 168 h após ferimentos das plantas F, e os extratos NFL e NFP foram analisados por eletroforese bidimensional (2-DE). Os perfis proteicos foram comparados por Image Master, e as proteínas identificadas usando espectrometria de massas. Houve menor concentração de proteína em extratos de NFP 12 h; em 48 h e 168 h, a proteína foi semelhante entre NFL e NFP. Por 2-DE, não houve diferenças significativas entre NFP e NFL 12 h, porém para NFP 48 h foi observada maior expressão de proteínas envolvidas na defesa de plantas. Para NFP 168 h, houve aumento da expressão de proteínas envolvidas no metabolismo normal. Esses resultados indicam ter havido respostas de defesa das plantas NFP, decorrentes da proximidade do cultivo dessas plantas com as plantas F, possivelmente por ação de voláteis. Coloca-se assim a importância da escolha das condições de cultivo dos tratamentos-controle, não apenas para análises proteômicas.Proteomics evaluates biological events by analysis of the expression of proteins in cells or tissues under different physiological situations. For plant proteomics, in order to maintain similar cultivation conditions, treated and non-treated plants are generally cultivated under the same environment without considering changes by the treated plants in protein expression of non-treated neighboring plants. The aim of this work was, by proteomics, assess the differential expression of proteins in non-wounded (non-treated) and wounded (treated) leaves of bell pepper (Capsicum annuum L. ‘Magali R’) by mechanical injury, when plants were grown physically nearby or not. At 40 days of cultivation, some plants were wounded by mechanical injury in all expanded leaves (wounds, F), some plants were maintained as non-injured plants, or being grown near to F plants (NFP, 0.15 m ) or being grown away from F (NFL, 10 m). NFP and NFL plant leaves were harvested at 12, 48, and 168 h after injury of F plants, and the NFL and NFP extracts were analyzed by two-dimensional electrophoresis (2-DE). The protein profiles were compared using Image Master and the proteins were identified using mass spectrometry. NFP 12 h extract presented a lower protein concentration; for 48 h and 168 h, the protein was similar for NFL and NFP. For 2-DE, no significant difference was observed between NFP 12 h and NFL 12 h. However, NFP 48 h showed a higher expression of proteins involved in plant defense. For NFP 168 h, an increased expression of proteins involved in normal metabolism was detected. These results indicated that defense responses were developed by NFP plants considering the proximity of non-wounded plants from wounded plants during cultivation, with volatile compounds involvement. In this sense, it should be emphasized the importance of the choice of the growth conditions for the control-treatments, not only for proteomics

Insights into the proteome of the spermatheca of the leaf- cutting ant Atta sexdens rubropilosa (Hymenoptera: Formicidae)

Fifteen of the 22 differentially expressed proteins in the spermathecae of virgin and inseminated females of the leaf cutting ant Atta sexdens rubropilosa were tentatively identified. The profile of expressed proteins of the spermatheca differed significantly between virgin and fertilized females. Data from this study should contribute to the elucidation of the roles of these various proteins in prolonged storage and maintenance of viable spermatozoa within the female.No presente estudo foram identificadas proteínas expressas na espermateca de rainhas virgens e fertilizadas da formiga cortadeira Atta sexdens rubropilosa. O perfil das proteínas expressas nas espermatecas é diferente em fêmeas virgens e fertilizadas. Os dados aqui apresentados contribuem para o entendimento do papel das proteínas produzidas pelas espermatecas para o armazenamento e manutenção da viabilidade dos espermatozoides pelas rainhas

Computer aided identification of a Hevein-like antimicrobial peptide of bell pepper leaves for biotechnological use

Antimicrobial peptides from plants present mechanisms of action that are different from those of conventional defense agents. They are under-explored but have a potential as commercial antimicrobials. Bell pepper leaves (‘Magali R’) are discarded after harvesting the fruit and are sources of bioactive peptides. This work reports the isolation by peptidomics tools, and the identification and partially characterization by computational tools of an antimicrobial peptide from bell pepper leaves, and evidences the usefulness of records and the in silico analysis for the study of plant peptides aiming biotechnological uses. Aqueous extracts from leaves were enriched in peptide by salt fractionation and ultrafiltration. An antimicrobial peptide was isolated by tandem chromatographic procedures. Mass spectrometry, automated peptide sequencing and bioinformatics tools were used alternately for identification and partial characterization of the Hevein-like peptide, named HEV-CANN. The computational tools that assisted to the identification of the peptide included BlastP, PSI-Blast, ClustalOmega, PeptideCutter, and ProtParam; conventional protein databases (DB) as Mascot, Protein-DB, GenBank-DB, RefSeq, Swiss-Prot, and UniProtKB; specific for peptides DB as Amper, APD2, CAMP, LAMPs, and PhytAMP; other tools included in ExPASy for Proteomics; The Bioactive Peptide Databases, and The Pepper Genome Database. The HEV-CANN sequence presented 40 amino acid residues, 4258.8 Da, theoretical pI-value of 8.78, and four disulfide bonds. It was stable, and it has inhibited the growth of phytopathogenic bacteria and a fungus. HEV-CANN presented a chitin-binding domain in their sequence. There was a high identity and a positive alignment of HEV-CANN sequence in various databases, but there was not a complete identity, suggesting that HEV-CANN may be produced by ribosomal synthesis, which is in accordance with its constitutive nature. Computational tools for proteomics and databases are not adjusted for short sequences, which hampered HEV-CANN identification. The adjustment of statistical tests in large databases for proteins is an alternative to promote the significant identification of peptides. The development of specific DB for plant antimicrobial peptides, with information about peptide sequences, functional genomic data, structural motifs and domains of molecules, functional domains, and peptide-biomolecule interactions are valuable and necessar

Computer aided identification of a Hevein-like antimicrobial peptide of bell pepper leaves for biotechnological use

Antimicrobial peptides from plants present mechanisms of action that are different from those of conventional defense agents. They are under-explored but have a potential as commercial antimicrobials. Bell pepper leaves (‘Magali R’) are discarded after harvesting the fruit and are sources of bioactive peptides. This work reports the isolation by peptidomics tools, and the identification and partially characterization by computational tools of an antimicrobial peptide from bell pepper leaves, and evidences the usefulness of records and the in silico analysis for the study of plant peptides aiming biotechnological uses. Aqueous extracts from leaves were enriched in peptide by salt fractionation and ultrafiltration. An antimicrobial peptide was isolated by tandem chromatographic procedures. Mass spectrometry, automated peptide sequencing and bioinformatics tools were used alternately for identification and partial characterization of the Hevein-like peptide, named HEV-CANN. The computational tools that assisted to the identification of the peptide included BlastP, PSI-Blast, ClustalOmega, PeptideCutter, and ProtParam; conventional protein databases (DB) as Mascot, Protein-DB, GenBank-DB, RefSeq, Swiss-Prot, and UniProtKB; specific for peptides DB as Amper, APD2, CAMP, LAMPs, and PhytAMP; other tools included in ExPASy for Proteomics; The Bioactive Peptide Databases, and The Pepper Genome Database. The HEV-CANN sequence presented 40 amino acid residues, 4258.8 Da, theoretical pI-value of 8.78, and four disulfide bonds. It was stable, and it has inhibited the growth of phytopathogenic bacteria and a fungus. HEV-CANN presented a chitin-binding domain in their sequence. There was a high identity and a positive alignment of HEV-CANN sequence in various databases, but there was not a complete identity, suggesting that HEV-CANN may be produced by ribosomal synthesis, which is in accordance with its constitutive nature. Computational tools for proteomics and databases are not adjusted for short sequences, which hampered HEV-CANN identification. The adjustment of statistical tests in large databases for proteins is an alternative to promote the significant identification of peptides. The development of specific DB for plant antimicrobial peptides, with information about peptide sequences, functional genomic data, structural motifs and domains of molecules, functional domains, and peptide-biomolecule interactions are valuable and necessar