Desenvolvimento de jogos didáticos para o ensino de Bioquímica / Development of educational games for biochemical education

A Pesquisa de Educação em Bioquímica investiga aspectos relacionados ao ensino-aprendizagem, principalmente no ensino superior. Dentre as alternativas às aulas expositivas, os jogos didáticos apresentam-se como recursos que promovem a elaboração de estratégias, a tomada de decisão, o intercâmbio de informações entre os pares, etc. Estas características configuram os jogos didáticos como ferramentas importantes para a aprendizagem ativa. O objetivo deste trabalho foi desenvolver jogos didáticos para o ensino de bioquímica. Para elaboração dos objetos de ensino, utilizou-se uma estratégia baseada em três etapas: definição das características educativas, elaboração do design conceitual e desenvolvimento do jogo e pré-avaliação. A partir da gravação e transcrição de áudio de algumas partidas dos jogos e, quando possível, por questionários, foram feitas avaliações preliminares a fim de inferir o potencial educacional dos recursos didáticos. Dois jogos didáticos foram desenvolvidos: "Pura Proteína! Uma Experiência no Laboratório de Bioquímica" e "Perfil Lipídico". O objetivo principal do primeiro jogo foi desenvolver competências de planejamento e teste de hipóteses cientificas a partir da simulação de experimentos de purificação de proteínas. A construção deste material foi fundamentada em preceitos teóricos do Ensino por Investigação. Pura Proteína é constituído por um tabuleiro e cerca de 4000 cartas e fichas. Os jogadores, ao início do jogo, recebem um desafio: obter uma determinada quantidade de uma proteína específica, purificada a partir de uma solução composta por uma mistura de proteínas. Para a consecução desse objetivo os estudantes recebem informações sobre alguns métodos de purificação de proteínas mais utilizados. Para vencer, os participantes devem combinar métodos de forma eficaz a obter, antes dos outros jogadores, a quantidade de proteína pura desejada. O jogo foi aplicado com estudantes de graduação em Biomedicina e foi feita uma análisedo processo investigativo que empregavam. Verificou-se que o jogo foi capaz de promover a elaboração de um plano de trabalho, tomada de decisão a partir de argumentações, teste e verificação de hipóteses, ao mesmo tempo em que promovia a diversão. O segundo jogo desenvolvido foi "Perfil Lipídico", por meio do qual pretendeu-se explorar a diversidade das estruturas de lipídeos e os grupos químicos que os compunham. O jogo dispõe de quinze lipídeos, distribuídos em ácidos graxos e lipídeos complexos e, para vencer, os jogadores devem descobrir a identidade de um lipídeo a partir de dicas e desenhar sua estrutura. A prática do jogo permitiu diagnosticar pequenos erros conceituais dos jogadores, revelados ao desenhar as estruturas. Ao responder um questionário, os participantes atestaram que este jogo era motivador, de fácil aplicação em sala de aula e que permitiu revisar a estrutura dos lipídeos. Os dois jogos, com objetivos educacionais muito diferentes, foram desenvolvidos a partir de uma estratégia rigorosa, que permitiu o equilíbrio entre as funções lúdicas e educativas, necessário para o sucesso desta estratégia em sala de aula. Em razão da pandemia da COVID-19, os jogos não puderam ser aplicados com o público apropriado, o que impediu uma avaliação mais robusta do potencial educacional. Os dados coletados, no entanto, forneceram indícios de que ambos os objetos de ensino são eficazes para promover o aprendizado de bioquímica, ao mesmo tempo que a diversão própria do jogo

Biochemical Education research focuses on aspects related to teaching and learning, mostly in higher education. Among several methodological alternatives to traditional classes, educational games are tools that promote the development of problem-solving strategies, decision-making, peer exchange of information, etc. These features make educational games valuable tools for active learning. The main goal of the work herein presented was to develop educational games for Biochemical Education. For this purpose, a three-step based strategy was designed: definition of educational features, conceptual game design and development and evaluation. To assess educational potential, qualitative data were obtained by recording and transcribing audio captured during plays, and, when possible, questionnaires were applied. Two educational games were developed: "Pure Protein! An Experiment in the Biochemistry Lab" and "Ten Questions - Lipids". The main learning purpose of the first game was to develop skills in planning and testing scientific hypotheses through a simulation of a protein purification experiment. The game development was based on an Inquirybased learning approach. Pure Protein is a board game set-up with ca. 4000 cards. Players are challenged to obtain an amount of a specific protein, purified from a protein solution. To achieve this goal, students receive general information about common methods used to purify proteins. To win, contestants should efficiently combine methods to obtain the needed protein before their adversaries. The game was applied to Biomedicine undergraduate students, and an analysis of the inquiry process they went through was done. It was verified that the game promotes elaboration of a working plan, decision-making supported by arguments, testing and verifying hypotheses while being a fun and enjoyable activity. The second game is called "Ten Questions - Lipids", by which we intended to explore the structural diversity of lipids and the chemical groups in their composition. The game is based on fifteen molecules, ranging from fattyacids to complex lipids. The goal is to figure out the identity and the structure of a given lipid, using clues given throughout the gameplay. The game application allowed us to assess players conceptual mistakes revealed by their drawings of chemical structures. In questionnaire answers, students stated that the game was motivating, suitable for the classroom and that it promoted the review of lipid structures. Both games, with different learning objectives, were developed using a rigorous strategy, which enables the balance between the ludic and educational functions needed to achieve educational game success. Due to the COVID-19 pandemic, the games werent properly evaluated with different, larger groups. Nevertheless, the collected data suggest that the teaching objects are efficient both in promoting biochemical learning and fun

Anticorpos recombinantes contra as toxinas Stx1 e Stx2 produzidas por Escherichia coli produtora da toxina de Shiga: obtenção e caracterização dessas ferramentas para o imunodiagnóstico e terapia / Recombinant antibodies against Stx1 and Stx2 toxins: obtainment and characterization of these tools for Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) immunodiagnosis and therapy

Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) causes hemorrhagic colitis and hemolytic uremic syndrome by producing Shiga toxin (Stx), a AB5 type toxin. The B subunit binds to ganglioside receptors, and the active A subunit is translocated into the cell, where it inhibits protein synthesis by acting on rRNA, leading to cell death. Diagnosis of these strains is not commonly done in the routine laboratory of low-income countries. Besides, therapy for intoxication is based on minimizing the symptoms, since no toxin antidote is available. Thus, the development of effective tools for toxin detection and therapy is highly relevant. Antibodies exhibit excellent high affinity for their specific antigens. To maintain the homogeneity and specificity of monoclonal antibodies, together with largescale production and low cost, genetic engineering has been used to develop recombinant antibodies. These include single chain variable fragments and antigenbinding fragments, which consist of antibody fragments that have antigen recognition regions. In the present study we obtained and characterized two different recombinant antibody fragments (Fab and scFv), produced in bacteria, against Stx toxins from STEC isolates. Furthermore, for the first time a human monovalent fragment was constructed (Fab), which was able to recognize and neutralize Stx toxins. These fragments obtained are promising tools for its use in the diagnosis and therapy of intoxication by STEC.

Linhagens de Escherichia coli produtoras da toxina de Shiga (STEC) causam colite hemorrágica e síndrome hemolítica urêmica pela produção da citotoxina de Shiga (Stx), uma toxina do tipo AB5, a subunidade B se liga ao receptor, e transloca a subunidade A ativa que inibe a síntese proteica por agir no rRNA levando à morte celular. O diagnóstico dessas linhagens não é realizado na rotina laboratorial de países em desenvolvimento e a terapia da intoxicação se baseia em tratar os sintomas, pois não há antídoto para a toxina. A obtenção de ferramentas para a detecção e terapia destas toxinas são de grande importância. Os anticorpos tem se mostrado moléculas excelentes como reagentes ligantes de alta afinidade à proteínas. Com o intuito de manter a homogeneidade e a especificidade dos anticorpos monoclonais, aliados ainda à produção em larga escala com baixo custo, a engenharia genética tem sido utilizada para obtenção de anticorpos recombinantes como os fragmentos variáveis de cadeia única e os fragmentos de ligação ao antígeno, que são fragmentos de anticorpos que possuem as regiões de reconhecimento ao antígeno. No presente trabalho foram obtidos e caracterizados dois tipos diferentes de fragmentos de anticorpos recombinantes (scFv e Fab), produzidos em bactérias, contra as toxinas Stx produzidas por isolados de STEC. Além disso, pela primeira vez, foi construído um fragmento monovalente humano (Fab), capaz de reconhecer e neutralizar as toxinas Stx. Estes fragmentos obtidos são promissores para seu uso como ferramentas tanto no diagnóstico como na terapia das intoxicações por STEC.

Caracterização estrutural e funcional de uma proteína isolada do plasma de serpentes Bothrops jararaca, relacionada ao cininogênio de alta massa molecular de mamíferos / Structural and functional characterization of a protein isolated from Bothrops jararaca snake plasma, related to the mammalian high molecular weight kininogen

The Bothrops jararaca snake plasma is rich in protease inhibitors, some of which have inhibitory activity on toxins from its own venom. One of these, which has a molecular mass of 110 kDa, is a potent inhibitor of cysteine-peptidase and releases a peptide that induces contraction of homologous smooth musculature. For these characteristics this protein, named BjHK (Bothrops jararaca High Molecular Weight Kininogen) was correlated to mammalian high molecular weight kininogens. Moreover, it was found that this protein inhibits metalloproteases present in the B. jararaca venom. This effect was also observed in human high molecular weight kininogen and correlated to portions of the domain 5 of this protein. The aim of this project is to search for homologies between BjHK and the human kininogen, as well as a possible inhibitory activity of this protein on platelet aggregation and cells adhesion. These activities were also described in human high molecular weight kininogen. By mass spectrometry we identified the presence of homology to the protein BJ46a isolated from the same snake plasma, described with an antihemorrhagic factor. The BJ46a (BjHK) shows no homology with the human kininogen, but it has common characteristics to this protein. We identified probable regions responsible for the cysteine-peptidase and metalloproteinases inhibition and sequences described as hypotensive peptides from B jararaca plasma and a sequence possibly responsible for the inhibition of platelet aggregation. On platelets, the BjHK presented an inhibitory activity when thrombin was used as agonist. In addition, BjHK inhibited changes in leukocyte-endothelium interactions induced by the B. jararaca venom, probably due to its inhibitory activity on the venom metalloproteases. Our data have suggested that BjHK and BJ46a are the same protein, in different states of complex. The BjHK could be the dimerized or trimerized structure of BJ46a, being a protein belonging to the type 3 cystatins superfamily due to the fact that it has structural homology to the fetuins.

O plasma da serpente Bothrops jararaca é rico em inibidores de proteases, alguns dos quais com atividade inibitória sobre toxinas presentes no veneno de serpentes da mesma espécie. Um desses inibidores apresenta massa molecular de 110 kDa, é um potente inibidor de cisteíno-peptidase e libera um peptídeo que induz contração de musculatura lisa homóloga. Por estas características, essa proteína, denominada BjHK (Bothrops jararaca High Molecular Weight Kininogen), foi correlacionada ao cininogênio de alta massa molecular de mamíferos. Além dessas propriedades, verificou-se que essa proteína inibe metaloproteases presentes no veneno de B. jararaca. Esse efeito também foi observado no cininogênio de alta massa molecular humano e correlacionado a porções do domínio 5 dessa proteína. O objetivo do presente projeto é procurar possíveis homologias entre a BjHK e o cininogênio humano, além de possíveis atividades inibitórias sobre agregação plaquetária e adesão celular, atividades estas também descritas no cininogênio de alta massa molecular humano. Por espectrometria de massas identificamos homologia para a proteína BJ46a isolada do plasma da mesma serpente, descrita com um fator antihemorrágico. A BJ46a (BjHK) não apresenta homologia com o cininogênio humano, porém possui características comuns a essa proteína. Foram identificadas prováveis regiões responsáveis pela inibição de cisteíno-peptidase e metaloproteases, além de sequencias descritas como hipotensoras e inibidoras de agregação plaquetária. Quanto ao efeito sobre plaquetas, o BjHK apresentou uma atividade inibitória sobre plaquetas, quando foi utilizada a trombina como agonista. Além disso, o BjHK inibiu as alterações na interação leucócito-endotélio induzidas pelo veneno de B. jararaca, provavelmente devido a sua atividade inibitória sobre metaloproteases do veneno. Até o momento, nossos dados sugerem que a proteína BjHK e a BJ46a sejam a mesma proteína, encontradas em diferentes estados de complexação. A BjHK poderia ser a forma dimerizada ou trimerizada da BJ46a, sendo uma proteína pertencente a super família das cistatinas do tipo 3, devido ao fato de apresentar homologia estrutural as fetuínas.

Caracterização estrutural e funcional de uma proteína isolada do plasma de serpentes Bothrops jararaca, relacionada ao cininogênio de alta massa molecular de mamíferos / Structural and functional characterization of a protein isolated from Bothrops jararaca snake plasma, related to the mammalian high molecular weight kininogen

O plasma da serpente Bothrops jararaca é rico em inibidores de proteases, alguns dos quais com atividade inibitória sobre toxinas presentes no veneno de serpentes da mesma espécie. Um desses inibidores apresenta massa molecular de 110 kDa, é um potente inibidor de cisteíno-peptidase e libera um peptídeo que induz contração de musculatura lisa homóloga. Por estas características, essa proteína, denominada BjHK (Bothrops jararaca High Molecular Weight Kininogen), foi correlacionada ao cininogênio de alta massa molecular de mamíferos. Além dessas propriedades, verificou-se que essa proteína inibe metaloproteases presentes no veneno de B. jararaca. Esse efeito também foi observado no cininogênio de alta massa molecular humano e correlacionado a porções do domínio 5 dessa proteína. O objetivo do presente projeto é procurar possíveis homologias entre a BjHK e o cininogênio humano, além de possíveis atividades inibitórias sobre agregação plaquetária e adesão celular, atividades estas também descritas no cininogênio de alta massa molecular humano...

The Bothrops jararaca snake plasma is rich in protease inhibitors, some of which have inhibitory activity on toxins from its own venom. One of these, which has a molecular mass of 110 kDa, is a potent inhibitor of cysteine-peptidase and releases a peptide that induces contraction of homologous smooth musculature. For these characteristics this protein, named BjHK (Bothrops jararaca High Molecular Weight Kininogen) was correlated to mammalian high molecular weight kininogens. Moreover, it was found that this protein inhibits metalloproteases present in the B. jararaca venom. This effect was also observed in human high molecular weight kininogen and correlated to portions of the domain 5 of this protein. The aim of this project is to search for homologies between BjHK and the human kininogen, as well as a possible inhibitory activity of this protein on platelet aggregation and cells adhesion. These activities were also described in human high molecular weight kininogen...

Remoção de endotoxina presente em meio fermentado contendo biomoléculas utilizando sistemas micelares de duas fases aquosas / Endotoxin removal from fermentation broth containing biomolecules using two-phase micellar system

Foi investigada a utilização de Sistema Micelar de Duas Fases Aquosas (SMDFA) para remoção de lipolissacarídeos (LPS) de preparações contendo proteínas recombinantes de interesse farmacêutico, como a proteína verde fluorescente (GFPuv). Os SMDFA são constituídos por soluções de tensoativos contendo micelas e oferecem ambientes hidrofóbico e hidrofílico, que possibilitam seletividade na partição de biomoléculas de acordo com sua hidrofobicidade, permitindo a remoção de LPS contaminante. Neste trabalho, foi realizada a implementação do método para a quantificação de LPS em amostras contaminadas e a obtenção de LPS e GFPuv puros a partir de cultivo de E. coli recombinante. Além disso, foi estudada a influência do Triton X-114 na metodologia de quantificação de LPS, e a adição de MgSO4, CaCl2, KI e (NH4)2SO4 na partição de GFPuv e LPS puros em SMDFA. E ainda, realizou-se um planejamento experimental (22) para avaliar os maiores KGFPuv e porcentoRECGFPuv. O homogeneizado celular de E. coli foi testado nas melhores condições obtidas com o planejamento experimental. E finalmente, o processo por cromatografia de afinidade por íons metálicos (IMAC) foi empregado para investigar a adsorção de LPS em matriz IDA-Ca2+. Conforme os resultados obtidos, o TX-114 causou elevada interferência no método cinético cromogênico, em função da similaridade desta molécula com os LPS. Os LPS apresentaram partição preferencial para a fase concentrada em micelas, com altos valores de remoção, por centoREMLPS>98,0 por cento. Ao contrário, a GFPuv foi recuperada preferencialmente na fase diluída, na qual existe maior volume disponível, resultando em valores de KGFPuv>1. A adição de sais ocasionou diminuição nos valores KGFPuv, provavelmente por causa da carga negativa que GFPuv adquiriu nas condições avaliadas. Os resultados do planejamento experimental mostraram que a melhor condição de partição obtida foi na região do ponto central, 4,0 por cento (p/p) a 60,0°C, com KGFPuv>10. O processo por IMAC apresentou as maiores...

The Aqueous Two-Phase Micellar System (ATPMS) was investigated for endotoxin (LPS) removal from preparations containing recombinant proteins of pharmaceutical interest, such as the green fluorescent protein (GFPuv). These systems usually consist of micellar surfactants solutions and offer both hydrophobic and hydrophilic environments, providing selectivity to the biomolecules partitioning according to its hydrophobicity. In this work, the implementation of the method for LPS quantification in contaminated samples was accomplished, as well as the obtaining of pure LPS and GFPuv from recombinant E. coli. Furthermore, the influence of Triton X-114 in the methodology for LPS quantification was studied, as the addition of MgSO4, CaCl2, KI, and (NH4)2SO4 into the partition of pure GFPuv and LPS in ATPMS. In addition, a statistical design (22) was carried out to evaluate the highest KGFPuv and percentRECGFPuv. The E. coli cell lysate was tested under optimum conditions obtained with the statistical design. And, finally, the process by ionmetal affinity chromatography (IMAC) was used to investigate the adsorption of LPS in IDA-Ca2+ matrix. The results showed that the TX-114 caused high interference in the kinetic chromogenic method, according to the similarity of this molecule to LPS. The LPS showed preferential partitioning to the micellerich phase, with high values of removal, percentREMLPS>98.0 percent. In the other hand, the GFPuv was preferentially recovered in the micelle-poor phase, in which there is greater volume available resulting in values of KGFPuv>1. The addition of salts caused a reduction in the values KGFPuv, probably because of the negative charge that the GFPuv acquired at the conditions evaluated. The results of the statistical design showed that the best partitioning condition obtained was in the central point region, 4.0 percent (wt/wt) at 60.0°C, with KGFPuv>10. The process by IMAC showed the highest adsorption of LPS-IDA-Ca+2 capacities at the conditions of lower pH...