O celulossomo é um complexo multienzimático extracelular utilizado por bactérias anaeróbias para a degradação de biomassa vegetal. Ele é composto por escafoldinas, estruturas alongadas que abrigam diversos módulos cohesina, às quais se ligam dockerinas, seus parceiros de interação específica de alta afinidade, fusionados às enzimas celulolíticas. Os módulos cohesina e dockerina compõem o elemento central da interação entre todos os componentes que integram o celulossomo. Esses módulos são divididos em tipos, de acordo com sua sequência primária. Essa divisão reflete efeitos funcionais distintos, sendo o tipo I responsável pela ligação de enzimas às escafoldinas, enquanto o tipo II medeia a ligação de escafoldinas à célula. O celulossomo de Ruminococcus flavefaciens é o mais complexo conhecido, e na classificação por tipos, suas sequências divergem, formando o tipo III, que foi posteriormente subdividido em 6 grupos para significância funcional. Nesse sistema, o principal responsável pela integração de enzimas ao sistema é a escafoldina primária ScaA, a qual interage com escafoldina adaptadora ScaB. A especificidade dessa ligação - dockerina de ScaA (Rf-DocA) com cohesinas de ScaB (Rf-CohB1-7) - é classificada como único membro do grupo 5, na divisão de grupos que compõem o tipo III. Assim, essa interação é de suma importância para a organização do celulossomo desse organismo, tendo sido estudada por meio de experimentos biofísicos e bioquímicos. Porém a falta de uma estrutura cristalina resolvida desses componentes limita a compreensão que podemos ter sobre a interação. 1-2 Nesse trabalho, apresentamos as estruturas cristalográficas de Rf-DocA, em complexo com a Rf-CohB4, além da estrutura dessa cohesina isolada, e ainda, a Rf-CohB1, e alguns de seus mutantes pontuais. Com isso, esclarecemos aspectos estruturais desses módulos, como a presença de dois sítios funcionais de ligação a cálcio em Rf-DocA. Também é observável pelos modelos gerados, detalhes da ligação entre eles, como os resíduos participantes da interação. Estudos de afinidade entre esses módulos foram conduzidos para a elucidar algumas propriedades da ligação entre esses módulos, de forma que descobrimos que ela ocorre de uma única maneira, e que há um loop na cohesina cuja flexibilidade afeta a afinidade da ligação. Isso sugere um mecanismo de alteração conformacional que regula a ligação à dockerina. Adicionalmente, buscamos o emprego desses módulos em uma aplicação tecnológica, desenhando redes automontáveis de proteínas, visando a construção de um nanomaterial. Essas redes são formadas por características intrínsecas das proteínas que os compõem, sendo o principal fator considerado sua simetria rotacional.3 Nesse sentido, as dockerinas e cohesinas foram utilizadas para ligação entre proteínas de diferentes simetrias. Utilizamos proteínas de simetrias C3, C4 e C6 com fusão a dockerinas, que se conectam às cohesinas fusionadas a proteínas de simetria C2, as quais formam o elemento linear da ligação entre os diferentes módulos. Esse desenho experimental permite a expressão e purificação independentes dos componentes, o que facilita a obtenção das redes, a partir da mistura dos dois componentes. Através de análises preliminares por microscopia eletrônica de transmissão, observamos a formação de filmes bidimensionais extensos e nanotubos com a construção testada. / The cellulosome is an intricate multienzyme extracelular complexes evolved by anaerobic bacteria for degradation of cellulosic biomass. It is composed of scaffoldins, elongated structures, which bare numerous cohesin modules, which bind to dockerin modules, their high affinity and specificity partners, borne by cellulolytic enzymes. The cohesin and dockerina modules constitute the central element of the interaction between every component of the cellulosome. These modules are categorized in types, according to their primary sequence. That distribution reflects distinct functions, in which the type I is responsible for integration of enzymes to scaffoldins, while type II mediates anchoring of scaffoldins to the cell wall. The cellulosome of Ruminococcus flavefaciens is the most intricate known to date, which is categorized into a third type of cohesins and dockerins, due to sequence diversion. The type III was further divided into 6 groups to impart functional significance. In that system, the main enzyme integrating component is the primary scaffoldin ScaA, which interacts to the adaptor scaffoldin ScaB. The specificity of this interaction - dockerina of ScaA (Rf-DocA) to ScaB cohesins (Rf-CohB1-7) - is sorted as a single member of group 5, in the subtypes of type III. Thus, this interaction is essential for cellulosome organization, having been studied by biophysical and biochemical experiments. However, the lack of a solved crystalline structure of these components narrows our understanding on this interaction. In the present study, we present the structures of Rf-DocA, complexed to Rf-CohB4, besides the structure of this isolated cohesin, and also Rf-CohB1 and its point mutants. Due to these data, we clarify structural aspects of these modules, such as the occurrence of two functioning calcium binding sites in Rf-DocA. We also identified details of their binding, such as the interacting residues. Through binding affinity studies, we concluded that the interaction between these modules occurs in a single mode, and that there is a loop in the cohesin module whose flexibility has direct effects on the binding affinity to dockerin. Additionally, we sought to utilize these modules in a downstream application, by designing self-assembling arrays of proteins, aiming for the construction of a nanomaterial. These arrays are constructed from the intrinsic properties of its constituent proteins, in which the main factor is rotational symmetry. In this context, dockerina and cohesin modules were used of binding different symmetry proteins. We utilized C3, C4 and C6 point symmetry proteins fused to dockerin modules, which bind to the cohesin modules fused to C2 point symmetry proteins, which establish the linear connection between the distinct components. This experimental design allows for the independent expression and purification of the components, which facilitates the achievement of the arrays, by simple mixture of the two components. Through preliminary analysis by transmission election microscopy, we observed the construction of two-dimensional films and nanotubes.

O celulossomo é um complexo multienzimático extracelular utilizado por bactérias anaeróbias para a degradação de biomassa vegetal. Ele é composto por escafoldinas, estruturas alongadas que abrigam diversos módulos cohesina, às quais se ligam dockerinas, seus parceiros de interação específica de alta afinidade, fusionados às enzimas celulolíticas. Os módulos cohesina e dockerina compõem o elemento central da interação entre todos os componentes que integram o celulossomo. Esses módulos são divididos em tipos, de acordo com sua sequência primária. Essa divisão reflete efeitos funcionais distintos, sendo o tipo I responsável pela ligação de enzimas às escafoldinas, enquanto o tipo II medeia a ligação de escafoldinas à célula. O celulossomo de Ruminococcus flavefaciens é o mais complexo conhecido, e na classificação por tipos, suas sequências divergem, formando o tipo III, que foi posteriormente subdividido em 6 grupos para significância funcional. Nesse sistema, o principal responsável pela integração de enzimas ao sistema é a escafoldina primária ScaA, a qual interage com escafoldina adaptadora ScaB. A especificidade dessa ligação - dockerina de ScaA (Rf-DocA) com cohesinas de ScaB (Rf-CohB1-7) - é classificada como único membro do grupo 5, na divisão de grupos que compõem o tipo III. Assim, essa interação é de suma importância para a organização do celulossomo desse organismo, tendo sido estudada por meio de experimentos biofísicos e bioquímicos. Porém a falta de uma estrutura cristalina resolvida desses componentes limita a compreensão que podemos ter sobre a interação. 1-2 Nesse trabalho, apresentamos as estruturas cristalográficas de Rf-DocA, em complexo com a Rf-CohB4, além da estrutura dessa cohesina isolada, e ainda, a Rf-CohB1, e alguns de seus mutantes pontuais. Com isso, esclarecemos aspectos estruturais desses módulos, como a presença de dois sítios funcionais de ligação a cálcio em Rf-DocA. Também é observável pelos modelos gerados, detalhes da ligação entre eles, como os resíduos participantes da interação. Estudos de afinidade entre esses módulos foram conduzidos para a elucidar algumas propriedades da ligação entre esses módulos, de forma que descobrimos que ela ocorre de uma única maneira, e que há um loop na cohesina cuja flexibilidade afeta a afinidade da ligação. Isso sugere um mecanismo de alteração conformacional que regula a ligação à dockerina. Adicionalmente, buscamos o emprego desses módulos em uma aplicação tecnológica, desenhando redes automontáveis de proteínas, visando a construção de um nanomaterial. Essas redes são formadas por características intrínsecas das proteínas que os compõem, sendo o principal fator considerado sua simetria rotacional.3 Nesse sentido, as dockerinas e cohesinas foram utilizadas para ligação entre proteínas de diferentes simetrias. Utilizamos proteínas de simetrias C3, C4 e C6 com fusão a dockerinas, que se conectam às cohesinas fusionadas a proteínas de simetria C2, as quais formam o elemento linear da ligação entre os diferentes módulos. Esse desenho experimental permite a expressão e purificação independentes dos componentes, o que facilita a obtenção das redes, a partir da mistura dos dois componentes. Através de análises preliminares por microscopia eletrônica de transmissão, observamos a formação de filmes bidimensionais extensos e nanotubos com a construção testada. / The cellulosome is an intricate multienzyme extracelular complexes evolved by anaerobic bacteria for degradation of cellulosic biomass. It is composed of scaffoldins, elongated structures, which bare numerous cohesin modules, which bind to dockerin modules, their high affinity and specificity partners, borne by cellulolytic enzymes. The cohesin and dockerina modules constitute the central element of the interaction between every component of the cellulosome. These modules are categorized in types, according to their primary sequence. That distribution reflects distinct functions, in which the type I is responsible for integration of enzymes to scaffoldins, while type II mediates anchoring of scaffoldins to the cell wall. The cellulosome of Ruminococcus flavefaciens is the most intricate known to date, which is categorized into a third type of cohesins and dockerins, due to sequence diversion. The type III was further divided into 6 groups to impart functional significance. In that system, the main enzyme integrating component is the primary scaffoldin ScaA, which interacts to the adaptor scaffoldin ScaB. The specificity of this interaction - dockerina of ScaA (Rf-DocA) to ScaB cohesins (Rf-CohB1-7) - is sorted as a single member of group 5, in the subtypes of type III. Thus, this interaction is essential for cellulosome organization, having been studied by biophysical and biochemical experiments. However, the lack of a solved crystalline structure of these components narrows our understanding on this interaction. In the present study, we present the structures of Rf-DocA, complexed to Rf-CohB4, besides the structure of this isolated cohesin, and also Rf-CohB1 and its point mutants. Due to these data, we clarify structural aspects of these modules, such as the occurrence of two functioning calcium binding sites in Rf-DocA. We also identified details of their binding, such as the interacting residues. Through binding affinity studies, we concluded that the interaction between these modules occurs in a single mode, and that there is a loop in the cohesin module whose flexibility has direct effects on the binding affinity to dockerin. Additionally, we sought to utilize these modules in a downstream application, by designing self-assembling arrays of proteins, aiming for the construction of a nanomaterial. These arrays are constructed from the intrinsic properties of its constituent proteins, in which the main factor is rotational symmetry. In this context, dockerina and cohesin modules were used of binding different symmetry proteins. We utilized C3, C4 and C6 point symmetry proteins fused to dockerin modules, which bind to the cohesin modules fused to C2 point symmetry proteins, which establish the linear connection between the distinct components. This experimental design allows for the independent expression and purification of the components, which facilitates the achievement of the arrays, by simple mixture of the two components. Through preliminary analysis by transmission election microscopy, we observed the construction of two-dimensional films and nanotubes.

Lignocellulosic biomass is an abundant renewable resource targeted for biofuel production. Cellulose and hemicellulose from biomass both contain fermentable sugars and other moieties that can be converted to biofuels or other commodity chemicals. Enzymatic hydrolysis of these biopolymers is a critical step in the liberation of sugars for fermentation into desired products. In nature, anaerobic microbes produce protein nanostructures called cellulosomes that efficiently degrade cellulose substrates by combining multiple enzyme activities onto a scaffolding protein. However, current enzyme cocktails used in industry contain secretomes of aerobic microbes and are not efficient enough to be highly economical. Furthermore, most bio-processes focus on cellulose, rendering hemicellulose under-utilized. The three main objectives of this dissertation are to 1) develop multi-functional, self-assembling protein nanostructures for hemicellulose degradation using the architecture provided by cellulosomes, 2) understand the self-assembly mechanism at conditions for consolidated bioprocessing applications, and 3) compare the effectiveness of structured to non-structured hemicellulases in the hydrolysis of biomass. Xylan is a major type of hemicellulose in biomass feedstocks targeted for biofuel production. Six different xylanosomes were designed for hydrolysis of xylan within multiple biomass substrates using the cohesin-dockerin domain systems from Clostridium thermocellum, Clostridium cellulovorans, and Clostridium cellulolyticum. Each two-unit structure contained a xylanase for internal cleavage of the xylan backbone and one side-chain acting enzyme, either a ferulic acid esterase or bi-functional arabinofuranosidase/xylosidase. Expansion to three-unit xylanosomes included a family 10 or 11 xylanase, a bi-functional arabinofuranosidase/xylosidase, and bi-functional ferulic acid esterase/acetylxylan esterase. These multi-functional biocatalysts were used to degrade hemicellulose-rich wheat arabinoxylan and cellulose-containing destarched corn bran. Synergistic release of soluble sugars and ferulic acid was observed with select xylanosomes and in some cases required addition of an endoglucanase and cellobiohydrolase for enhanced hydrolysis. Furthermore, a putative ferulic acid esterase gene from the soil bacterium Cellvibrio japonicus was characterized and its role in xylan hydrolysis investigated. Information for the development of stable and functional cellulosome-like biocatalysts in metabolically-engineered microbes was collected using surface plasmon resonance. The protein-protein interaction of cohesin and dockerin domains for xylanosome self-assembly was examined at various temperatures and in the presence of ethanol to mimic different hydrolysis and fermentation processes and found to retain high affinities at the selected conditions. Moreover, the high-affinity interaction of cohesin and dockerin domains in the presence of non-specific proteins eliminated the need for protein purification for xylanosome construction. In addition to development of the first cellulosome-like biocatalysts targeted for hemicellulose degradation, this dissertation provides insight on possible improvements for the enzymatic hydrolysis of biomass, as well as the applicability of xylanosomes in consolidated bioprocessing.