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Título: Espectroscopia e cromatografia líquida com espectrometria de massa associadas à quimiometria na classificação e avaliação de perfil lipidômico de classes bacterianas
Título(s) alternativo(s): Spectroscopy and liquid chromatography with spectrometry of mass associated to chemometry in the classification and evaluation of lipidomic of bacterial classes
Autor(es): Marques, Aline de Sousa
Palavras-chave: Bioespectroscopia;SPA-LDA;GA-LDA;NIR;ATR-FTIR;ROI;MCR-ALS;LC-MS
Data do documento: 18-Ago-2017
Referência: MARQUES, Aline de Sousa. Espectroscopia e cromatografia líquida com espectrometria de massa associadas à quimiometria na classificação e avaliação de perfil lipidômico de classes bacterianas. 2017. 113f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
Abstract: This doctoral thesis is a theoretical-practical contribution for the development of studies that use bioanalytical, particularly biological materials from bacteria, which can be isolated, DNA, among others, in conjunction with chemistry analysis tools. For this, it was sought to identify bacterial differences when submitted to a source of stress from different analytical techniques. The first approach was based on biospectroscopy, using spectroscopic data obtained in the infrared region. Biospectroscopy in the infrared region is described as a non-invasive, high-throughput, low-cost (when compared with standard analytical techniques) and objective techniques, and has a huge potential in the analysis of bacteria, complementing or even replacing diagnostic methods of diseases conventionally conducted by skilled persons by standard methods of expensive analyzes and requiring specific reagents. The data obtained from biospectroscopy in bacterial samples are complex and have many overlapping bands and it is necessary to apply mathematical tools to overcome these difficulties. For this, some mathematical tools, such as variable selection methods, using Linear Discriminant Analysis with Successive Projection Algorithm (SPA-LDA) and Genetic Algorithm (GA-LDA), are generally used for the purpose of solving these data, facilitating the extraction of information. Infrared spectroscopy, in specific Near Infrared (NIR) and infrared spectroscopy with Fourier transform and Attenuated Total Reflectance (ATR- FTIR), in conjunction with variable selection methods (SPA-LDA and GA-LDA) was used in the discrimination of bacterial samples (Sthaphylococcus aureus, Klebsiella pneumoneae and Pseudomonas aeruginosa). Possible biomarkers such as lipids and proteins were identified at ~ 1550 cm -1 and 1400 cm -1 and DNA vibrations at ~ 1080 cm -1. Sensitivity values of 75% and 95% for SPA-LDA models and 100% and 93% for GA-LDA models were found. Based on these results, it can be concluded that the SPA-LDA and GA- LDA in conjunction with the infrared spectroscopy showed efficient tools improving the time and cost of diagnosis allowing the treatment faster than the standard methods of diagnosis, and consequently, it is possible to avoid the evolution of a possible infection. The second approach was to evaluate possible changes in the lipid profile of bacteria resulting from its exposure to an external stress source (Arsenic (III)), using the cyanobacteria Anabaena sp. and Planktothrix agardhii. The data were obtained from Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (LC-MS), which, in order to generate a very extensive data matrix, required the use of a recent selection strategy, defined as ROI (regions of interest), which significantly decreased the Size of the data matrix obtained by LC-MS. Multivariate Curve Resolution - Alternating Least Squares (MCR-ALS) was used as a method to solve variation sources, retrieving the information of its pure components that were mixed. The majority masses found, such as 766.54, 565.40 and 871.56 (m/z), determine that the studied cyanobacteria, when subjected to As (III), undergo changes related to structures that make up the photosynthetic processes of the same.
Resumo: Esta tese de doutorado é um aporte teórico-prática para o desenvolvimento de estudos que utilizem a bioanalítica, particulamente materiais biológicos provenientes de bactérias, podendo estes ser isolados, DNA, entre outros, em conjunto com ferramentas quimiométicas de análise. Para isso, buscou-se identificar diferenças bacterianas quando submetidas a uma fonte de estresse a partir de diferentes técnicas analíticas. A primeira abordagem foi realizada partindo da bioespectroscopia, utilizando-se de dados espectroscópicos obtidos na região do infravermelho. A bioespectroscopia na região do infravermelho é descrita como uma técnica não invasiva, de alto rendimento, baixo custo (quando comparado com técnica padrões de análise) e objetivas, e que possui um enorme potencial na análise de bactérias, complementando ou mesmo substituindo métodos de diagnóstico de doenças convencionalmente conduzidos por especialistas através de métodos padrões de análises de alto custo e que necessitam de reagentes específicos. Os dados obtidos a partir da bioespectroscopia em amostras bacterianas são complexos e apresentam muitas bandas de sobreposição sendo necessária a aplicação de ferramentas matemáticas para superar estas dificuldades. Para isso, algumas ferramentas matemáticas, como os métodos de seleção de variáveis, que utilizam a análise discriminante linear com Algoritmo de Projeção Sucessiva (SPA-LDA) e Algoritmo Genético (GA-LDA), geralmente são utilizadas com a finalidade de facilitando a extração de informações relevantes. A espectroscopia na região do infravermelho, em específico infravermelho próximo (NIR) e infravermelho com trasformata de Fourier e reflectância total atenuada (ATR-FTIR), em conjunto com métodos de seleção de variáveis (SPA-LDA e GA-LDA) foram utilizadas na discriminação de amostras de bactérias (Sthaphylococcus aureus, Klebsiella pneumoneae e Pseudomonas aeruginosa). Foram identificados prováveis biomarcadores como lipídeos e proteínas em ~1550 cm-1 e 1400 cm-1 e vibrações de DNA em ~1080 cm-1. Valores de sensibilidade de 75% e 95% para modelos de SPA-LDA e 100% e 93% para modelos GA-LDA foram encontrados. Com base nesses resultados, pode-se concluir que o SPA-LDA e GA-LDA em conjunto com a espectroscopia na região do infravermelho mostraram-se ferramentas eficientes melhorando o tempo e custo de diagnóstico possibilitando o tratamento mais rápido em relação aos métodos padrões de diagnóstico e, consequentemente, sendo possível evitar a evolução de uma possível infecção. A segunda abordagem foi avaliar possíveis mudanças no perfil lipidômico de bactérias resultante de sua exposição a uma fonte de estresse externa (Arsênio (III)), utilizando as cianobactérias Anabaena sp. e Planktothrix agardhii. Os dados foram obtidos a partir a Cromatografia Líquida- Espectrometria de Massas (LC-MS) que por gerar uma matriz de dados muito extensa foi necessária a utilização de uma estratégia de seleção proposta recentemente, definida como ROI (do inglês regions of interests) que diminui significativamente o tamanho da matriz de dados obtidas por LC-MS. Resolução Multivariada de Curvas com Mínimos Quadrados Alternantes (MCR-ALS) foi utilizado como método de resolução das fontes de variação, recuperando as informações de seus componentes puros que se encontravam misturadas. As massas majoritárias encontradas, sendo algumas delas 766.54, 565.40 e 871.56 (m/z), determinam que as cianobactérias estudadas, ao serem submetidas a As(III), sofrem mudanças relacionadas a estruturas que compõem os processos fotossintéticos das mesmas.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/24791
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