Esta tese descreve estudos realizados na tentativa de purificar e caracterizar enzimas envolvidas na BL de fungos, além de trabalhos conduzidos a fim de investigar o mecanismo da bioluminescência de fungos. Inicialmente, tentou-se isolar as duas enzimas supostamente responsáveis pala reação bioluminescente em fungos. Parâmetros de atividade ótima (pH e temperatura) e comportamento cinético foram investigados. Todavia, com a descoberta de que a luciferina fúngica é o derivado hidroxilado da hispidina (3-hidróxihispidina), novas estratégias foram abordadas. Os esforços se concentraram na purificação da luciferase, visto que a hidroxilase não faz parte do sistema bioluminescente de fungos. Avaliação da interação da luciferase fúngica com a luciferina ou derivados dela sugeriram comportamento relativamente promíscuo da enzima. Os resultados indicaram que a reação luciferina-luciferase é favorecida em meio básico (pH ~8), a ~20 °C. Ensaios com 18O2 revelaram que a inserção de oxigênio na molécula de luciferina produz um intermediário cuja descarboxilação gera a oxiluciferina. Paralelamente, a síntese da hispidina in vitro a partir de ácido cafeico na presença de malonil-CoA e de extrato de micélios bioluminescentes resultou na emissão de luz, confirmando que a luciferina é reciclada no processo. / This work describes studies performed to purify and characterize enzymes responsible for the fungal bioluminescence. Also, it shows important data that contributes to understand the mechanism for bioluminescence reaction in fungi. First, we tried to isolate two enzymes suspected of being involved on fungal bioluminescence. Optimum activity parameters (pH and temperature) and kinetic behavior were investigated. However, the discovery that fungal luciferin is the hispidin derivative 3-hydroxyhispidin demanded adaptations in the project. First of all, concentrates efforts to luciferase purification was priority, since hydroxylase is not part of the bioluminescent system of fungi. Studies on the luciferase interaction with different substrates showed some promiscuity for the enzyme. The results indicated higher intensity of light from luciferin-luciferase reaction in alkaline solutions (pH ~ 8) at ~ 20 °C. The reaction in medium with 18O2 revealed that insertion of oxygen into the luciferin structure produces an intermediate whose decarboxylation generates oxyluciferin. In parallel, the in vitro synthesis of hispidin using caffeic acid and malonyl-CoA with the mycelium extract resulted in the emission of light, confirming that luciferin is recycled in the process.

Esta tese descreve estudos realizados na tentativa de purificar e caracterizar enzimas envolvidas na BL de fungos, além de trabalhos conduzidos a fim de investigar o mecanismo da bioluminescência de fungos. Inicialmente, tentou-se isolar as duas enzimas supostamente responsáveis pala reação bioluminescente em fungos. Parâmetros de atividade ótima (pH e temperatura) e comportamento cinético foram investigados. Todavia, com a descoberta de que a luciferina fúngica é o derivado hidroxilado da hispidina (3-hidróxihispidina), novas estratégias foram abordadas. Os esforços se concentraram na purificação da luciferase, visto que a hidroxilase não faz parte do sistema bioluminescente de fungos. Avaliação da interação da luciferase fúngica com a luciferina ou derivados dela sugeriram comportamento relativamente promíscuo da enzima. Os resultados indicaram que a reação luciferina-luciferase é favorecida em meio básico (pH ~8), a ~20 °C. Ensaios com 18O2 revelaram que a inserção de oxigênio na molécula de luciferina produz um intermediário cuja descarboxilação gera a oxiluciferina. Paralelamente, a síntese da hispidina in vitro a partir de ácido cafeico na presença de malonil-CoA e de extrato de micélios bioluminescentes resultou na emissão de luz, confirmando que a luciferina é reciclada no processo. / This work describes studies performed to purify and characterize enzymes responsible for the fungal bioluminescence. Also, it shows important data that contributes to understand the mechanism for bioluminescence reaction in fungi. First, we tried to isolate two enzymes suspected of being involved on fungal bioluminescence. Optimum activity parameters (pH and temperature) and kinetic behavior were investigated. However, the discovery that fungal luciferin is the hispidin derivative 3-hydroxyhispidin demanded adaptations in the project. First of all, concentrates efforts to luciferase purification was priority, since hydroxylase is not part of the bioluminescent system of fungi. Studies on the luciferase interaction with different substrates showed some promiscuity for the enzyme. The results indicated higher intensity of light from luciferin-luciferase reaction in alkaline solutions (pH ~ 8) at ~ 20 °C. The reaction in medium with 18O2 revealed that insertion of oxygen into the luciferin structure produces an intermediate whose decarboxylation generates oxyluciferin. In parallel, the in vitro synthesis of hispidin using caffeic acid and malonyl-CoA with the mycelium extract resulted in the emission of light, confirming that luciferin is recycled in the process.

Espécies reativas de oxigênio (EROs) são produzidas normalmente durante o metabolismo de organismos aeróbios. Fungos degradadores de lignina geram estas espécies também no processo de degradação da lignina. As espécies de fungos bioluminescentes Gerronema viridilucens e Mycena lucentipes foram utilizadas para se estabelecer possível dependência entre intensidade de bioluminescência, viabilidade celular e atividades das enzimas de defesa antioxidante e ligninolíticas nos micélios e corpos de frutificação. Verificou-se o efeito de espécies causadoras de estresse químico (metais e fenóis) na emissão de luz, viabilidade celular, defesas antioxidantes e enzimas de respiração celular no fungo bioluminescente G. viridilucens, com o objetivo de conectar a inibição da bioluminescência com danos oxidativos ao organismo. Constatou-se que diferentes espécies de fungos bioluminescentes podem apresentar características diferentes quanto à emissão de luz e proteção antioxidante. Diferenças na intensidade e variação temporal da emissão de luz de diferentes espécies foram observadas nos corpos de frutificação e também no micélio. Isto foi revelado pela irregularidade do perfil de luz reprodutível para a espécie M. lucentipes, ao contrário do observado para G. viridilucens. A viabilidade celular de ambas as espécies varia com o tempo, sendo que no caso de G. viridilucens seu perfil é similar ao da bioluminescência. Os ensaios enzimáticos indicam maior atividade no micélio dos fungos do que nos corpos de frutificação, provavelmente pela função específica reprodutora do corpo de frutificação, enquanto a atividade metabólica do fungo está concentrada no micélio. As enzimas ligninolíticas também apresentam atividade baixa nas culturas estudadas, provavelmente por serem enzimas de degradação extracelulares. O fato de ambas viabilidade celular e bioluminescência do micélio serem reduzidas na presença dos metais (cobre e cádmio) e fenóis (fenol e 2,4,6-triclorofenol) testados atesta a interrelação entre atividade luminogênica e injúria oxidativa aos fungos. Os metais parecem afetar mais negativamente as defesas antioxidantes dos fungos do que os fenóis, os quais possivelmente são eliminados pela atividade da glutationa S-transferase (GST), sem também afetar as demais defesas antioxidantes. No conjunto, estes resultados possibilitam estabelecer uma relação metabólica entre abatimento da bioluminescência e as defesas antioxidantes do organismo. No caso dos metais, os sistemas de defesa antioxidante envolvendo a glutationa são bastante importantes, tanto para eliminar peróxidos produzidos na presença de cobre, como na quelação de cádmio pela glutationa. Sob condições normais, a bioluminescência, defesas antioxidantes e respiração celular do organismo estariam funcionando e o NAD(P)H seria mobilizado por todos estes sistemas. Quando o fungo é submetido ao estresse químico, o fluxo de NAD(P)H seria desviado da bioluminescência para sustentar prioritariamente as defesas antioxidantes e a respiração celular, essenciais para a proteção, manutenção e reprodução do organismo / Reactive Oxygen Species (ROS) are normally produced during the metabolism of aerobic organisms. Ligninolitic fungi also produce these oxidizing species also during the lignin degradation process. The bioluminescent species Gerronema viridilucens and Mycena lucentipes were studied aiming to establish a correlation between the temporal profiles of bioluminescence, cellular viability and antioxidant defense enzymes and ligninolitic enzymes in mycelium and fruiting bodies. Chemical toxicants such as metals and phenols were here found to affect light emission, cellular viability, antioxidant defenses and cellular respiration enzymes when administered to G. viridilucens, thereby attesting a metabolic connection between bioluminescence inhibition and fungal oxidative damage. Different species of fungi exhibit different characteristics linked to light emission and antioxidant defenses. Differences in light emission displayed by different species do not resume to fruiting bodies, but the light profile and intensity can also vary in the mycelia. This may explain the irreproducibility of the light profile from M. lucentipes, differently to that observed with G. viridilucens. The cellular viability of both species varies with time, G. viridilucens profile being similar to the time course of bioluminescence. The enzymatic data pointed to higher activities in mycelium than in fruiting bodies, probably due to a main reproductive function of the latter, whereas the metabolic activities are prevalent in the mycelium. Ligninolytic enzymes exhibit low activities in the extracts of fungus samples, probably because they are extracellular degradation enzymes. The inhibition effect of phenols and metals (copper and cadmium) on mycelium viability reinforces the notion that cellular oxidative damage hampers bioluminescence emission. Redox active (copper) and heavy metals (cadmium) were found to display higher impact on antioxidant defenses than phenols (phenol and 2,4,6-trichlorophenol), which are expected to be promptly metabolized and excluded by principally glutathione S-transferase (GST). Notably, a metabolic correlation between bioluminescence inhibition and antioxidant defenses was unveiled by the present work. Regarding the metals, glutathione was found to be a crucial antioxidant, both to eliminate peroxides when in the presence of copper, and to act as a cadmium chelating agent. Under normal conditions, the bioluminescence system, the antioxidant defenses and the cellular respiration sets cooperate through the common demand of reducing power of NAD(P)H. Under chemical stress, the NAD(P)H flux would be deviated from bioluminescence, to principally sustain the antioxidant defenses and cellular respiration, essential for the protection, maintenance and reproduction of the organism.

Espécies reativas de oxigênio (EROs) são produzidas normalmente durante o metabolismo de organismos aeróbios. Fungos degradadores de lignina geram estas espécies também no processo de degradação da lignina. As espécies de fungos bioluminescentes Gerronema viridilucens e Mycena lucentipes foram utilizadas para se estabelecer possível dependência entre intensidade de bioluminescência, viabilidade celular e atividades das enzimas de defesa antioxidante e ligninolíticas nos micélios e corpos de frutificação. Verificou-se o efeito de espécies causadoras de estresse químico (metais e fenóis) na emissão de luz, viabilidade celular, defesas antioxidantes e enzimas de respiração celular no fungo bioluminescente G. viridilucens, com o objetivo de conectar a inibição da bioluminescência com danos oxidativos ao organismo. Constatou-se que diferentes espécies de fungos bioluminescentes podem apresentar características diferentes quanto à emissão de luz e proteção antioxidante. Diferenças na intensidade e variação temporal da emissão de luz de diferentes espécies foram observadas nos corpos de frutificação e também no micélio. Isto foi revelado pela irregularidade do perfil de luz reprodutível para a espécie M. lucentipes, ao contrário do observado para G. viridilucens. A viabilidade celular de ambas as espécies varia com o tempo, sendo que no caso de G. viridilucens seu perfil é similar ao da bioluminescência. Os ensaios enzimáticos indicam maior atividade no micélio dos fungos do que nos corpos de frutificação, provavelmente pela função específica reprodutora do corpo de frutificação, enquanto a atividade metabólica do fungo está concentrada no micélio. As enzimas ligninolíticas também apresentam atividade baixa nas culturas estudadas, provavelmente por serem enzimas de degradação extracelulares. O fato de ambas viabilidade celular e bioluminescência do micélio serem reduzidas na presença dos metais (cobre e cádmio) e fenóis (fenol e 2,4,6-triclorofenol) testados atesta a interrelação entre atividade luminogênica e injúria oxidativa aos fungos. Os metais parecem afetar mais negativamente as defesas antioxidantes dos fungos do que os fenóis, os quais possivelmente são eliminados pela atividade da glutationa S-transferase (GST), sem também afetar as demais defesas antioxidantes. No conjunto, estes resultados possibilitam estabelecer uma relação metabólica entre abatimento da bioluminescência e as defesas antioxidantes do organismo. No caso dos metais, os sistemas de defesa antioxidante envolvendo a glutationa são bastante importantes, tanto para eliminar peróxidos produzidos na presença de cobre, como na quelação de cádmio pela glutationa. Sob condições normais, a bioluminescência, defesas antioxidantes e respiração celular do organismo estariam funcionando e o NAD(P)H seria mobilizado por todos estes sistemas. Quando o fungo é submetido ao estresse químico, o fluxo de NAD(P)H seria desviado da bioluminescência para sustentar prioritariamente as defesas antioxidantes e a respiração celular, essenciais para a proteção, manutenção e reprodução do organismo / Reactive Oxygen Species (ROS) are normally produced during the metabolism of aerobic organisms. Ligninolitic fungi also produce these oxidizing species also during the lignin degradation process. The bioluminescent species Gerronema viridilucens and Mycena lucentipes were studied aiming to establish a correlation between the temporal profiles of bioluminescence, cellular viability and antioxidant defense enzymes and ligninolitic enzymes in mycelium and fruiting bodies. Chemical toxicants such as metals and phenols were here found to affect light emission, cellular viability, antioxidant defenses and cellular respiration enzymes when administered to G. viridilucens, thereby attesting a metabolic connection between bioluminescence inhibition and fungal oxidative damage. Different species of fungi exhibit different characteristics linked to light emission and antioxidant defenses. Differences in light emission displayed by different species do not resume to fruiting bodies, but the light profile and intensity can also vary in the mycelia. This may explain the irreproducibility of the light profile from M. lucentipes, differently to that observed with G. viridilucens. The cellular viability of both species varies with time, G. viridilucens profile being similar to the time course of bioluminescence. The enzymatic data pointed to higher activities in mycelium than in fruiting bodies, probably due to a main reproductive function of the latter, whereas the metabolic activities are prevalent in the mycelium. Ligninolytic enzymes exhibit low activities in the extracts of fungus samples, probably because they are extracellular degradation enzymes. The inhibition effect of phenols and metals (copper and cadmium) on mycelium viability reinforces the notion that cellular oxidative damage hampers bioluminescence emission. Redox active (copper) and heavy metals (cadmium) were found to display higher impact on antioxidant defenses than phenols (phenol and 2,4,6-trichlorophenol), which are expected to be promptly metabolized and excluded by principally glutathione S-transferase (GST). Notably, a metabolic correlation between bioluminescence inhibition and antioxidant defenses was unveiled by the present work. Regarding the metals, glutathione was found to be a crucial antioxidant, both to eliminate peroxides when in the presence of copper, and to act as a cadmium chelating agent. Under normal conditions, the bioluminescence system, the antioxidant defenses and the cellular respiration sets cooperate through the common demand of reducing power of NAD(P)H. Under chemical stress, the NAD(P)H flux would be deviated from bioluminescence, to principally sustain the antioxidant defenses and cellular respiration, essential for the protection, maintenance and reproduction of the organism.