Esse trabalho teve como objetivo a obtenção e caracterização de uma cepa transformante de Aspergilus nidulans para produção de uma lipase de Beauveria bassiana (denominada Bbl1) por meio do vetor pExpyr, utilizando xarope de milho como fonte de carbono indutora. Para isso utilizou-se o gene sob referência XP_008602131.1 (denominado bbl1) do NCBI que foi introduzido em vetores de pGEM-T, para multiplicação, e no pExpyr, para expressão. Foi feita a modelagem molecular dessa enzima, revelando cavidades hidrofóbicas para interação com substrato, e a \"tampa\", considerada característica comum das lipases \"verdadeiras\". A produção de Bbl1 em cultivos contendo maltose foi aproximadamente o dobro em relação à cepa selvagem B. bassiana. Posteriormente, com o intuito de melhorar a produção e baratear os custos de fermentação desta cepa, a maltose e o tampão HEPES (insumos caros e utilizados em escala laboratorial, porém inviáveis em padrão industrial) foram substituídos respectivamente por xarope de milho e tampão fosfato de sódio; o resultado foi a obtenção de quase 40 U.mL-1 de atividade de lipases em Erlenmeyer de 125 mL, quadruplicando a produção em relação a cepa selvagem. A Bbl1 foi purificada em colunas de Octyl-Sepharose e DEAE-celulose. Essa enzima demonstrou-se estável em solução com 0,5% de tween-20 e tween-80, e hiper-ativada na presença destes dois detergentes e de Triton X-100. Além disso, os ácidos oleico e linoleico demonstraram-se como inibidores análogos a não-competitivos. O estudo de imobilização revelou que o suporte de Octyl-Sepharose é o mais ideal para ativação de Bbl1, sendo que a atividade relativa da mesma foi cerca de 123%, em relação a mesma enzima em solução aquosa. Quanto à estabilidade térmica e ao pH, a imobilização promoveu um ganho de estabilidade nas temperaturas de 30°C até 60°C nos derivados de Octyl, Phenyl, Butyl, DEAE-celulose, MANAE e PEI, e na faixa de pH de 3 até 9 nesses mesmos suportes estudados, em comparação à enzima em solução. Por meio de estudos cinéticos, observou-se que a velocidade máxima de Bbl1 imobilizada em Octyl foi 2,39 vezes maior e o respectivo valor de K0,5, 2,7 vezes menor em relação à Bbl1 livre. O padrão de inibição pelos ácidos oleico e linoleico sofreu alteração em Bbl1 imobilizada, sendo dependente da concentração destes inibidores. Os produtos hidrólise dos óleos de açaí e buriti foram fracionados em fases polares e apolares e aplicados em culturas de monocamada de linhagens celulares de glioblastoma LN-18. Observou-se os produtos de hidrólise do óleo de buriti provocaram redução na viabilidade respiratório das células de glioblastoma até 120 horas de exposição, enquanto que nos cultivos de células de fibroblasto observou-se um \"ganho\" de viabilidade neste mesmo período de cultivo. Por fim, esse trabalho permitiu a gratificação em obter uma cepa de A. nidulans transformante para expressão de lipase - uma enzima comercialmente onerosa e com poucos trabalhos envolvendo sua produção de forma heteróloga. Além disso, tornou-se a utilização destas enzimas na hidrólise de óleos brasileiros como um potencial agente à obtenção de insumos para o tratamento de glioblastoma. / The objective of this work was to obtain and characterize a transforming strain of Aspergilus nidulans to produce a Beauveria bassiana lipase (called Bbl1) using the pExpyr vector, having corn syrup as inducing carbon source. For this purpose, the NCBI reference gene XP_008602131.1 (designated bbl1) was used, which was introduced into pGEM-T vectors for storage, and pExpyr for expression. The molecular modeling of this enzyme was performed, revealing hydrophobic cavities for the interaction with substrate, and the \"lid\", considered a common characteristic of \"true\" lipases. Production of Bbl1 in cultures containing maltose was approximately double that of B. bassiana wild strain. Later, in order to improve the production and to reduce the costs of fermentation of this strain, maltose and HEPES buffer (expensive and laboratory-grade inputs, however, not viable in an industrial standard) were replaced by corn syrup and sodium phosphate buffer; the result was the obtaining of almost 40 U.mL-1 of lipase activity in Erlenmeyer of 125 mL, quadrupling the production in relation to the wild strain. Bbl1 was purified on Octyl-Sepharose and DEAE-cellulose columns. This enzyme showed to be stable in solution with 0.5% tween-20 and tween-80, and hyperactivated in the presence of these two detergents and Triton X-100. In addition, oleic and linoleic acids have shown to be non-competitive analogues. The immobilization study revealed that Octyl-Sepharose support is the most ideal for the activation of Bbl1, and the relative enzymatic activity was about 123% in relation to the same non-immobilized enzyme. As for thermal stability and pH, immobilization promoted a stability gain at temperatures of 30 ° C to 60 ° C in the Octyl, Phenyl, Butyl, DEAEcellulose, MANAE and PEI derivatives, and in the pH range of 3 up to 9 in these same supports, compared to the enzyme in solution. By means of kinetic studies, it was observed that the maximum rate of Bbl1 immobilized on Octyl was 2.39 higher and the respective value of K0.5, 2.7 lower than the free Bbl1. The inhibition pattern for oleic and linoleic acids was altered in immobilized Bbl1, being dependent on the concentration of these inhibitors. The hydrolysis products of açai and buriti oils were fractionated in polar and nonpolar phases and applied to monolayer cultures of LN-18 glioblastoma cell lines. It was observed that the buriti oil hydrolysis products were able to cause a reduction in the respiratory viability of glioblastoma cells up to 120 hours of exposure, whereas in the fibroblast cell cultures a viability \"gain\" was observed in the same culture period. Finally, this work allowed the gratification in obtaining a strain of transforming A. nidulans for lipase expression - a commercially expensive enzyme with few studies involving its production in a heterologous way. In addition, the use of these enzymes in the hydrolysis of Brazilian oils has become a potential agent to obtain inputs for the treatment of glioblastoma.

Quimotripsinas (EC 3.4.21.1) são serina proteinases que possuem 245 resíduos de aminoácidos arranjados em dois domínios duplo β-barril, sendo que o sítio ativo está localizado entre esses dois domínios. O estudo da especificidade das endopeptidases foi facilitado pelo conceito de sítio de ligação do substrato, que corresponde ao sítio ativo daquelas enzimas. Porém, sobre as quimotripsinas de insetos, praticamente não existe informação a respeito da especificidade dos diferentes subsítios dessas enzimas. O estudo da especificidade dos subsítios das quimotripsinas dos insetos Periplaneta americana, Tenebrio molitor e Diatraea saccharalis apresentaram maior eficiência de hidrólise sobre substratos que apresentam um resíduo Tyr em P1, embora as razões Phe/Tyr para os diferentes insetos sejam bastante variadas. Estas diferenças indicam diferentes especificidades para as quimotripsinas de insetos em P1. No entanto, estas diferenças parecem não seguir a posição ocupada pelo inseto na escala evolutiva e são menos evidentes do que as verificadas para as tripsinas dos mesmos insetos, onde há troca de especificidade primária. A quimotripsina de Periplaneta americana como a de Diatraea saccharalis preferencialmente clivam substratos com Pro em P2. Porém, o mesmo não acontece com a quimotripsina de Tenebrio molitor, que apresentou maior kcat/Km para o peptídeo com Ala em P2, essa preferência pode estar relacionada à conformação da Pro que difere dos demais resíduos por ser um iminoácido. Porém, as três quimotripsinas estudadas apresentaram maior kcat/Km para o peptídeo Ile em P3 indicando que esse subsítio possui um papel fundamental na discriminação dessas enzimas por substratos com resíduos de aminoácidos específicos nessa posição. As quimotripsinas de Periplaneta americana e Diatraea saccharalis apresentaram maior kcat/Km pelo peptídeo com Ser em P1\', evidenciando que a presença de um grupo hidroxila na cadeia lateral da Ser e o baixo volume da cadeia lateral do resíduo, torna o subsítio dessas enzimas mais seletivo que a quimotripsina de Tenebrio molitor que apresentou maior kcat/Km pelo peptídeo com Ala. Dessa forma, esse estudo colabora para um melhor conhecimento da especificidade dos subsítios das endopeptidases digestivas de insetos pode dar diretrizes para a purificação ou síntese de inibidores mais eficazes com ação direta nas enzimas digestivas de insetos e serem utilizados na produção de plantas transgênicas ou utilizados como bioinseticidas. / Chymotrypsins (EC 3.4.21.1) are serine proteases with 245 amino acids disposed in two double ?-barrel domains, being the active site locate between these two domains. The specificity study of endopeptidases was facilitated by the substrate binding site concept that is the active site of these enzymes. However there is not much information about the subsites specificity of insect chymotrypsins. The specificity study of insects chymotrypsins subsites of Periplaneta americana, Tenebrio molitor and Diatraea saccharalis showed higher substrate hydrolysis efficiency with Tyr in P1, however the Phe/Tyr proportion for different insects are varied. These differences have shown different specificities for insect chymotrypsins in P1. Meanwhile, this difference does not follow the position occupied by insects in evolutive scale, and it is less clear than those showed by the same insect trypsins were there is primary specificity cross. Like Diatraea saccharalis, the Periplaneta americana chymotrypsin breaks the substrate with Pro in P2. Nevertheless the same does not happen to Tenebrio molitor chymotrypsin with the higher kcat/Km for the peptide with Ala in P2, this preference may be related to the different conformation of Pro. The three studied chymotrypsins showed higher kcat/Km for the peptide with Ile in P3, what indicates that this subsite has a key role on these enzymes discrimination for substrates with specific amino acids in this position. The Periplaneta americana and Diatraea saccharalis chymotrypsins presented higher kcat/Km for the peptide with Ser in P1` evidencing that the hydroxyl group side chain presence in Ser and low side chain volume made this subsite more selective than Tenebrio molitor chymotrypsin with higher kcat/Km by Ala peptide. This study collaborates to a best knowledge about the subsite specificities of the insect digestive endopeptidases and the best inhibitors for purification or synthesis with direct action in insect digestive enzymes and to be utilized for transgenic plants or bio-insecticides production.

Orientador: Eleonora Cano Carmona / Banca: Aline Aparecida Pizzirani Kleiner / Banca: Helia Hamuri Sato / Banca: Rosa dos Prazeres M.F. Inocentes / Banca: Marcia Regina Brochetto Braga / Resumo: Enzimas degradadoras de xilana, principal componente da hemicelulose, têm sido utilizadas em várias aplicações biotecnológicas, sendo que em alguns processos é necessário o uso de enzimas purificadas. Aplicações comerciais para as enzimas xilanolíticas envolvem a hidrólise enzimática da xilana, que está presente nos resíduos agrícolas e agroindustriais, sendo convertido a xilose e outros açúcares, que podem ser utilizados como substratos em processos fermentativos para a obtenção de proteínas celulares, combustíveis líquidos e outras substâncias químicas. A utilização destas enzimas também diminui a liberação de agentes poluentes em determinados efluentes, como da indústria de polpa de celulose. Xilanases e β- xilosidases são produzidas principalmente por bactérias e fungos, sendo que em geral, os fungos as produzem em níveis mais elevados. O gênero Penicillium apresenta espécies já caracterizadas como boas produtoras destas enzimas. Uma linhagem deste gênero, isolada de solo brasileiro, na região da Mata Atlântica e identificada como Penicillium sclerotiorum destacou-se por produzir xilanase em níveis elevados. O objetivo deste trabalho consistiu na avaliação da influência das condições de cultivo sobre a produção do complexo xilanolítico produzido por P. sclerotiorum, na caracterização físico-química desse sistema, bem como purificação e caracterização bioquímica de seus principais componentes. Por meio da determinação das condições ótimas de produção e da caracterização deste complexo enzimático foi possível estabelecer metodologias eficientes de purificação de xilanases e uma β-xilosidase. Através da caracterização físico-química das enzimas purificadas, foi possível avaliar seu potencial biotecnológico, visando futuras aplicações em processos industriais. / Abstract: Xylan degrading enzymes, the main component of hemicellulose, have been used in various biotechnological applications, and in some cases the use of purified enzymes is necessary. Commercial applications of xylanolytic enzymes involve the enzymatic hydrolysis of xylan, which is present in agricultural and agro-industrial wastes, and can be converted to xylose and other sugars, which can be further used as substrates in fermentation processes to obtaining cellular protein, liquid fuels and other chemicals. The utilization of these enzymes also decreases the release of certain pollutants in wastewater, as in the pulp and paper industry. Xylanases and β-xilosidases are mainly produced by bacteria and fungi, and in general, the fungi produce them at higher levels. The genus Penicillium presents species already characterized as good producers of these enzymes. One strain of this genus isolated from Brazilian soil in the Mata Atlântica region and identified as Penicillium sclerotiorum attracted attention by producing xylanase in high levels. The objective of this study was to evaluate the influence of culture conditions on the production of the xylanolytic complex produced by P. sclerotiorum to characterize physical and chemical properties of this system as well to purify and biochemical characterize its main components. By determining optimal conditions for production and by characterizing this enzymatic complex it was possible to establish efficient methodologies for purification of xylanases and one β-xylosidase. Through their physical and chemical characterization, it was possible to evaluate their biotechnological potential for future applications in industrial processes. / Doutor

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:32:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-08-07Bitstream added on 2014-06-13T19:22:45Z : No. of bitstreams: 1 knob_a_dr_rcla.pdf: 1207813 bytes, checksum: 318e70abc84de2d440d3a9b60c7b7088 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Enzimas degradadoras de xilana, principal componente da hemicelulose, têm sido utilizadas em várias aplicações biotecnológicas, sendo que em alguns processos é necessário o uso de enzimas purificadas. Aplicações comerciais para as enzimas xilanolíticas envolvem a hidrólise enzimática da xilana, que está presente nos resíduos agrícolas e agroindustriais, sendo convertido a xilose e outros açúcares, que podem ser utilizados como substratos em processos fermentativos para a obtenção de proteínas celulares, combustíveis líquidos e outras substâncias químicas. A utilização destas enzimas também diminui a liberação de agentes poluentes em determinados efluentes, como da indústria de polpa de celulose. Xilanases e β- xilosidases são produzidas principalmente por bactérias e fungos, sendo que em geral, os fungos as produzem em níveis mais elevados. O gênero Penicillium apresenta espécies já caracterizadas como boas produtoras destas enzimas. Uma linhagem deste gênero, isolada de solo brasileiro, na região da Mata Atlântica e identificada como Penicillium sclerotiorum destacou-se por produzir xilanase em níveis elevados. O objetivo deste trabalho consistiu na avaliação da influência das condições de cultivo sobre a produção do complexo xilanolítico produzido por P. sclerotiorum, na caracterização físico-química desse sistema, bem como purificação e caracterização bioquímica de seus principais componentes. Por meio da determinação das condições ótimas de produção e da caracterização deste complexo enzimático foi possível estabelecer metodologias eficientes de purificação de xilanases e uma β-xilosidase. Através da caracterização físico-química das enzimas purificadas, foi possível avaliar seu potencial biotecnológico, visando futuras aplicações em processos industriais. / Xylan degrading enzymes, the main component of hemicellulose, have been used in various biotechnological applications, and in some cases the use of purified enzymes is necessary. Commercial applications of xylanolytic enzymes involve the enzymatic hydrolysis of xylan, which is present in agricultural and agro-industrial wastes, and can be converted to xylose and other sugars, which can be further used as substrates in fermentation processes to obtaining cellular protein, liquid fuels and other chemicals. The utilization of these enzymes also decreases the release of certain pollutants in wastewater, as in the pulp and paper industry. Xylanases and β-xilosidases are mainly produced by bacteria and fungi, and in general, the fungi produce them at higher levels. The genus Penicillium presents species already characterized as good producers of these enzymes. One strain of this genus isolated from Brazilian soil in the Mata Atlântica region and identified as Penicillium sclerotiorum attracted attention by producing xylanase in high levels. The objective of this study was to evaluate the influence of culture conditions on the production of the xylanolytic complex produced by P. sclerotiorum to characterize physical and chemical properties of this system as well to purify and biochemical characterize its main components. By determining optimal conditions for production and by characterizing this enzymatic complex it was possible to establish efficient methodologies for purification of xylanases and one β-xylosidase. Through their physical and chemical characterization, it was possible to evaluate their biotechnological potential for future applications in industrial processes.

Quimotripsinas (EC 3.4.21.1) são serina proteinases que possuem 245 resíduos de aminoácidos arranjados em dois domínios duplo β-barril, sendo que o sítio ativo está localizado entre esses dois domínios. O estudo da especificidade das endopeptidases foi facilitado pelo conceito de sítio de ligação do substrato, que corresponde ao sítio ativo daquelas enzimas. Porém, sobre as quimotripsinas de insetos, praticamente não existe informação a respeito da especificidade dos diferentes subsítios dessas enzimas. O estudo da especificidade dos subsítios das quimotripsinas dos insetos Periplaneta americana, Tenebrio molitor e Diatraea saccharalis apresentaram maior eficiência de hidrólise sobre substratos que apresentam um resíduo Tyr em P1, embora as razões Phe/Tyr para os diferentes insetos sejam bastante variadas. Estas diferenças indicam diferentes especificidades para as quimotripsinas de insetos em P1. No entanto, estas diferenças parecem não seguir a posição ocupada pelo inseto na escala evolutiva e são menos evidentes do que as verificadas para as tripsinas dos mesmos insetos, onde há troca de especificidade primária. A quimotripsina de Periplaneta americana como a de Diatraea saccharalis preferencialmente clivam substratos com Pro em P2. Porém, o mesmo não acontece com a quimotripsina de Tenebrio molitor, que apresentou maior kcat/Km para o peptídeo com Ala em P2, essa preferência pode estar relacionada à conformação da Pro que difere dos demais resíduos por ser um iminoácido. Porém, as três quimotripsinas estudadas apresentaram maior kcat/Km para o peptídeo Ile em P3 indicando que esse subsítio possui um papel fundamental na discriminação dessas enzimas por substratos com resíduos de aminoácidos específicos nessa posição. As quimotripsinas de Periplaneta americana e Diatraea saccharalis apresentaram maior kcat/Km pelo peptídeo com Ser em P1\', evidenciando que a presença de um grupo hidroxila na cadeia lateral da Ser e o baixo volume da cadeia lateral do resíduo, torna o subsítio dessas enzimas mais seletivo que a quimotripsina de Tenebrio molitor que apresentou maior kcat/Km pelo peptídeo com Ala. Dessa forma, esse estudo colabora para um melhor conhecimento da especificidade dos subsítios das endopeptidases digestivas de insetos pode dar diretrizes para a purificação ou síntese de inibidores mais eficazes com ação direta nas enzimas digestivas de insetos e serem utilizados na produção de plantas transgênicas ou utilizados como bioinseticidas. / Chymotrypsins (EC 3.4.21.1) are serine proteases with 245 amino acids disposed in two double ?-barrel domains, being the active site locate between these two domains. The specificity study of endopeptidases was facilitated by the substrate binding site concept that is the active site of these enzymes. However there is not much information about the subsites specificity of insect chymotrypsins. The specificity study of insects chymotrypsins subsites of Periplaneta americana, Tenebrio molitor and Diatraea saccharalis showed higher substrate hydrolysis efficiency with Tyr in P1, however the Phe/Tyr proportion for different insects are varied. These differences have shown different specificities for insect chymotrypsins in P1. Meanwhile, this difference does not follow the position occupied by insects in evolutive scale, and it is less clear than those showed by the same insect trypsins were there is primary specificity cross. Like Diatraea saccharalis, the Periplaneta americana chymotrypsin breaks the substrate with Pro in P2. Nevertheless the same does not happen to Tenebrio molitor chymotrypsin with the higher kcat/Km for the peptide with Ala in P2, this preference may be related to the different conformation of Pro. The three studied chymotrypsins showed higher kcat/Km for the peptide with Ile in P3, what indicates that this subsite has a key role on these enzymes discrimination for substrates with specific amino acids in this position. The Periplaneta americana and Diatraea saccharalis chymotrypsins presented higher kcat/Km for the peptide with Ser in P1` evidencing that the hydroxyl group side chain presence in Ser and low side chain volume made this subsite more selective than Tenebrio molitor chymotrypsin with higher kcat/Km by Ala peptide. This study collaborates to a best knowledge about the subsite specificities of the insect digestive endopeptidases and the best inhibitors for purification or synthesis with direct action in insect digestive enzymes and to be utilized for transgenic plants or bio-insecticides production.

Orientador: Eleni Gomes / Resumo: As leveduras são organismos quimiorganotróficos que utilizam principalmente glicose como fonte de energia e carbono. Além da glicose, outros açúcares fermentescíveis se encontram em abundância na natureza e têm sido subaproveitados na indústria, dos quais se destaca a xilose. Para algumas leveduras, como Saccharomyces cerevisiae, a utilização de pentoses é limitada pela carência de transportadores de membrana específicos e enzimas intracelulares para a metabolização deste açúcar. Entretanto, algumas leveduras são capazes de utilizar xilose como fonte de carbono e bioconverte-la em produtos como etanol, ácidos orgânicos ou peptídeos. Isso implica na existência de um sistema de transporte e enzimas intracelulares para metabolizala. Neste contexto, a prospecção de enzimas auxiliares despolimerizantes do material lignocelulósico, tais como β-glicosidases e α-L-arabinofuranosidases, também assume função importante para obtenção de açúcares fermentescíveis. Além disso, poucos estudos estão disponíveis a respeito da produção de peptídeos bioativos por leveduras, quais podem ser fontes promissoras de produção dos mesmos. Sendo assim, o presente trabalho buscou investigar o consumo de xilose, a produção de peptídeos com atividade biológica e a produção de βglicosidases pelas espécies Pichia ofunaensis e Trichosporon multisporon, assim como a produção de α-L-arabinofuranosidases por Aureobasidium pullulans e A. leucospermi. As enzimas foram prospectadas utilizando farelo de trigo como ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Yeasts are chemorganotrophic organisms that mainly use glucose as a source of energy and carbon. In addition to glucose, other fermentable sugars are found in abundance in nature and have been underutilized in the industry, of which xylose stands out. For some yeasts, such as Saccharomyces cerevisiae, the use of pentoses is limited by the lack of specific membrane transporters and intracellular enzymes for the metabolization of this sugar. However, some yeasts are able to use xylose as a carbon source and bioconvert it into products such as etanol, organic acids or peptides. This implies the existence of a transport system and intracellular enzymes to metabolize it. The fermentation of pentoses is an essential step to improve the yield in the production of ethanol and organic acids. In this context, the prospection of depolymerizing auxiliary enzymes of lignocellulosic material, such as β-glycosidases and α-Larabinofuranosidases, also plays an important role in obtaining fermentable sugars. In addition, few studies are available regarding the production of bioactive peptides by yeasts, which can be promising sources of their production. Thus, the present work sought to investigate the consumption of xylose, the production of peptides with biological activity and the production of β-glycosidases by the species Pichia ofunaensis and Trichosporon multisporon, as well as the production of α-L-arabinofuranosidases by Aureobasidium pullulans and A. leucospermi. The enzymes were pro... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

O uso desenfreado dos recursos naturais durante as últimas décadas têm impactado drasticamente o meio ambiente, direcionando a humanidade a investir no desenvolvimento de tecnologias para produção sustentável e ecológica de novas fontes de energia renovável e de produtos verdes. Nesse âmbito, o uso de resíduos derivados da biomassa vegetal tem sido apresentado como uma promissora alternativa à substituição de combustíveis, componentes químicos e polímeros de origem fóssil. Esse material é barato, abundante e não compete direta ou indiretamente com a segurança alimentar. Hoje, mais de 200 compostos químicos e biopolímeros de valor agregado podem ser obtidos a partir do processamento de material lignocelulósico. Todavia, essa tecnologia ainda não é plenamente desenvolvida, afetando sua competitividade econômica, sendo que o maior custo atribui-se à despolimerização enzimática dos polissacarídeos que formam a parede celular vegetal (PCV). Essa etapa requer preparados enzimáticos compostos por diversas enzimas, que agem sinergicamente sobre a complexa estrutura da PCV. Dentre essas enzimas, as pectinases e xilanases desempenham um importante papel na desconstrução dos polímeros pécticos e da hemicelulose. O presente trabalho objetivou o estudo funcional e estrutural de diferentes classes de pectinases e xilanases com potencial biotecnológico, no intuito de contribuir para o desenvolvimento pleno da despolimerização enzimática da PCV. Dentro dessa perspectiva, foram estudadas: uma pectina metilesterase (Sl-PME) e uma endo-poligalacturonase (Sl-EndoPG) do inseto Sphenophorus levis; uma exo-poligalacturonase (Bl-ExoPG) de Bacillus licheniformis; uma xilanase GH10 (MT-Xyn10) e duas GH11 (MT-Xyn11a e MT-Xyn11b) identificadas no metatranscriptoma de um consórcio microbiótico derivado de compostagem de bagaço de cana-de-açúcar. A estrutura cristalográfica da Sl-PME evidenciou alta semelhança com outra PME de inseto. Também foi concluído que as PMEs de inseto são mais similares às bacterianas, quando comparadas às fúngicas e vegetais, principalmente em relação ao sulco catalítico. Além disso, PMEs de inseto, exclusivamente, apresentam uma permutação circular, possívelmente realcionada a um evento de transferência horizontal. A Bl-ExoPG apresentou-se monomérica em solução, com atividade ótima em pH neutro a 60°C, sendo estável em uma ampla faixa de pH (5-10) e com considerável termoestabilidade em elevadas temperaturas. Essa enzima, também, apresentou especificidade por pectina não-metilada, liberando unicamente monômeros de ácido galacturônico. As três xilanases estudadas apresentaram-se monoméricas em solução, com maior atividade entre 30 e 45°C e pHs de 6 a 9, retendo atividade acima de 50% nos pHs 5 e 10. Além disso, todas elas apresentam especificidade por xilano, sendo que a MT-Xyn10 apresentou, também, alta atividade sobre arabinoxilano. A MT-Xyn10 apresentou um conjunto de propriedades enzimáticas bastante atrativas às aplicações industriais, uma vez que é altamente estável em uma ampla faixa de pH (4-10), termoestável em temperaturas de até 50°C e sua ação catalítica produz diversos xilo-oligossacarídeos de alto valor agregado. A análise da estrutura cristalográfica da MT-Xyn11a revela três particularidades estruturais, compartilhadas com a MT-Xyn11b, mas não descritas para outras GH11. Dentre essas particularidades, um loop parece limitar o acesso do substrato ao sítio catalítico, contribuindo diretamente para a baixa afinidade ao substrato apresentada por essas duas enzimas. / Decades of unbridled use of natural resources have drastically affected the global environment, driving humanity to invest in the development of novel technologies for production of sustainable and ecofriendly renewable energy sources and green products. In this context, plant biomass residues have been presented as a promising alternative to fuels, chemicals and polymers derived from fossil reserves. This feedstock is abundant, cheap and does not compete directly or indirectly with food security. Today, more than 200 value-added chemicals and biopolymers can be generated by processing lignocellulosic material. However, this technology is not fully developed yet; its major costs stem from the enzymatic depolymerization of the polysaccharides that constitute the plant cell wall (PCW). This step requires enzymatic cocktails composed of several enzymes that synergistically deconstruct the complex PCW. Among these enzymes, pectinases and xylanases play an important role in the depolymerization of pectic polymers and hemicellulose. The present work is a functional and structural study of different classes of pectinase and xylanases with biotechnological potential. It intends to contribute to the full development of PCW enzymatic depolymerization. With this perspective, we studied a pectin methylesterase (Sl-PME) and an endo-polygalacturonase (Sl-EndoPG) from the insect Sphenophorus levis; an exo-polygalacturonase (Bl-ExoPG) from Bacillus licheniformis; a GH10 xylanase (MT-Xyn10); and two GH11 xylanases (MT-Xyn11a and MT-Xyn11b) from the metatranscriptome of sugarcane bagasse compost-derived microbial consortia. The Sl-PME crystallographic structure showed high similarity with other insect PME. It was also concluded that insect PMEs are more similar to bacterial PMEs than fungi or plant PMEs, especially in relation to the catalytic groove. Moreover, insect PMEs exclusively presented a circular permutation that is possibly related to an event of horizontal gene transfer. Bl-ExoPG is monomeric in solution, with optimal activity on neutral pH and 60°C, being stable in a wide pH range (5-10) and with considerable thermostability at high temperatures. This enzyme, also presented specificity for non-methylated pectin substrates, releasing only monomers of galacturonic acid as catalytic product. All three xylanases studied here are monomeric in solution, with optimal activity between 30°C and 45°C and between pHs 6 and 9, retaining more than 50% of original activity in the pHs 5 and 10. Besides, they all showed specificity for xylan, and MT-Xyn10 also showed high activity on arabinoxylan. MT-Xyn10 revealed a set of enzymatic properties attractive for industrial applications, such as high stability in a wide pH range (4-10), thermostability up to 50°C and released products that are high value-added xilo-oligosaccharides. The MT-Xyn11a crystallographic structure revealed three structural particularities shared with MT-Xyn11b, but not previously described in other GH11. Among these particularities, a loop seems to limit the substrate access to the catalytic site, contributing to the low enzyme affinity presented by both MT-Xyn11a and MT-Xyn11b.

O uso desenfreado dos recursos naturais durante as últimas décadas têm impactado drasticamente o meio ambiente, direcionando a humanidade a investir no desenvolvimento de tecnologias para produção sustentável e ecológica de novas fontes de energia renovável e de produtos verdes. Nesse âmbito, o uso de resíduos derivados da biomassa vegetal tem sido apresentado como uma promissora alternativa à substituição de combustíveis, componentes químicos e polímeros de origem fóssil. Esse material é barato, abundante e não compete direta ou indiretamente com a segurança alimentar. Hoje, mais de 200 compostos químicos e biopolímeros de valor agregado podem ser obtidos a partir do processamento de material lignocelulósico. Todavia, essa tecnologia ainda não é plenamente desenvolvida, afetando sua competitividade econômica, sendo que o maior custo atribui-se à despolimerização enzimática dos polissacarídeos que formam a parede celular vegetal (PCV). Essa etapa requer preparados enzimáticos compostos por diversas enzimas, que agem sinergicamente sobre a complexa estrutura da PCV. Dentre essas enzimas, as pectinases e xilanases desempenham um importante papel na desconstrução dos polímeros pécticos e da hemicelulose. O presente trabalho objetivou o estudo funcional e estrutural de diferentes classes de pectinases e xilanases com potencial biotecnológico, no intuito de contribuir para o desenvolvimento pleno da despolimerização enzimática da PCV. Dentro dessa perspectiva, foram estudadas: uma pectina metilesterase (Sl-PME) e uma endo-poligalacturonase (Sl-EndoPG) do inseto Sphenophorus levis; uma exo-poligalacturonase (Bl-ExoPG) de Bacillus licheniformis; uma xilanase GH10 (MT-Xyn10) e duas GH11 (MT-Xyn11a e MT-Xyn11b) identificadas no metatranscriptoma de um consórcio microbiótico derivado de compostagem de bagaço de cana-de-açúcar. A estrutura cristalográfica da Sl-PME evidenciou alta semelhança com outra PME de inseto. Também foi concluído que as PMEs de inseto são mais similares às bacterianas, quando comparadas às fúngicas e vegetais, principalmente em relação ao sulco catalítico. Além disso, PMEs de inseto, exclusivamente, apresentam uma permutação circular, possívelmente realcionada a um evento de transferência horizontal. A Bl-ExoPG apresentou-se monomérica em solução, com atividade ótima em pH neutro a 60°C, sendo estável em uma ampla faixa de pH (5-10) e com considerável termoestabilidade em elevadas temperaturas. Essa enzima, também, apresentou especificidade por pectina não-metilada, liberando unicamente monômeros de ácido galacturônico. As três xilanases estudadas apresentaram-se monoméricas em solução, com maior atividade entre 30 e 45°C e pHs de 6 a 9, retendo atividade acima de 50% nos pHs 5 e 10. Além disso, todas elas apresentam especificidade por xilano, sendo que a MT-Xyn10 apresentou, também, alta atividade sobre arabinoxilano. A MT-Xyn10 apresentou um conjunto de propriedades enzimáticas bastante atrativas às aplicações industriais, uma vez que é altamente estável em uma ampla faixa de pH (4-10), termoestável em temperaturas de até 50°C e sua ação catalítica produz diversos xilo-oligossacarídeos de alto valor agregado. A análise da estrutura cristalográfica da MT-Xyn11a revela três particularidades estruturais, compartilhadas com a MT-Xyn11b, mas não descritas para outras GH11. Dentre essas particularidades, um loop parece limitar o acesso do substrato ao sítio catalítico, contribuindo diretamente para a baixa afinidade ao substrato apresentada por essas duas enzimas. / Decades of unbridled use of natural resources have drastically affected the global environment, driving humanity to invest in the development of novel technologies for production of sustainable and ecofriendly renewable energy sources and green products. In this context, plant biomass residues have been presented as a promising alternative to fuels, chemicals and polymers derived from fossil reserves. This feedstock is abundant, cheap and does not compete directly or indirectly with food security. Today, more than 200 value-added chemicals and biopolymers can be generated by processing lignocellulosic material. However, this technology is not fully developed yet; its major costs stem from the enzymatic depolymerization of the polysaccharides that constitute the plant cell wall (PCW). This step requires enzymatic cocktails composed of several enzymes that synergistically deconstruct the complex PCW. Among these enzymes, pectinases and xylanases play an important role in the depolymerization of pectic polymers and hemicellulose. The present work is a functional and structural study of different classes of pectinase and xylanases with biotechnological potential. It intends to contribute to the full development of PCW enzymatic depolymerization. With this perspective, we studied a pectin methylesterase (Sl-PME) and an endo-polygalacturonase (Sl-EndoPG) from the insect Sphenophorus levis; an exo-polygalacturonase (Bl-ExoPG) from Bacillus licheniformis; a GH10 xylanase (MT-Xyn10); and two GH11 xylanases (MT-Xyn11a and MT-Xyn11b) from the metatranscriptome of sugarcane bagasse compost-derived microbial consortia. The Sl-PME crystallographic structure showed high similarity with other insect PME. It was also concluded that insect PMEs are more similar to bacterial PMEs than fungi or plant PMEs, especially in relation to the catalytic groove. Moreover, insect PMEs exclusively presented a circular permutation that is possibly related to an event of horizontal gene transfer. Bl-ExoPG is monomeric in solution, with optimal activity on neutral pH and 60°C, being stable in a wide pH range (5-10) and with considerable thermostability at high temperatures. This enzyme, also presented specificity for non-methylated pectin substrates, releasing only monomers of galacturonic acid as catalytic product. All three xylanases studied here are monomeric in solution, with optimal activity between 30°C and 45°C and between pHs 6 and 9, retaining more than 50% of original activity in the pHs 5 and 10. Besides, they all showed specificity for xylan, and MT-Xyn10 also showed high activity on arabinoxylan. MT-Xyn10 revealed a set of enzymatic properties attractive for industrial applications, such as high stability in a wide pH range (4-10), thermostability up to 50°C and released products that are high value-added xilo-oligosaccharides. The MT-Xyn11a crystallographic structure revealed three structural particularities shared with MT-Xyn11b, but not previously described in other GH11. Among these particularities, a loop seems to limit the substrate access to the catalytic site, contributing to the low enzyme affinity presented by both MT-Xyn11a and MT-Xyn11b.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:36:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Retido.pdf: 19733 bytes, checksum: 6aad255badc436a06364517de2344ab6 (MD5) Previous issue date: 2013-08-30 / Universidade Federal de Minas Gerais / Xylanases are enzymes which randomly cleave the main chain of xylan, the most abundant non-cellulosic polysaccharide of plants cell wall. Xylanases are commonly produced by a wide range of organisms including bacteria, algae, fungi, protozoa, and certain herbivorous insects and crustaceans also produce xylanases. Leucoagaricus gongylophorus, a mutualistic fungus of leafcutting ant Atta sexdens, secretes enzymes with xylanolytic activity and the gene encoding a xylanase was recently identified. In this work the xylanolytic profile of L. gongylophorus was studied and two enzymes with xylanolytic activity (XyLg1 and XyLg2) were isolated, purified and characterized. XyLg1 has a molecular mass of about 38kDa and pI greater than 4.8. For beechwood xylan substrate XyLg1 showed optimum temperature of 40 °C, optimum pH between 8.5 to 10.5 and Km =14, 7 ± 7.6 mg.ml-1. Due to these features XyLg1 may be used in processes such as bio-bleaching pulp. XyLg1 was also analyzed by mass spectrometry technique being associated with a polygalacturonase of the same fungus. Kinetic studies of the XyLg1 using polygalacturonic acid as substrate were developed (optimum pH= 5.5, optimum temperature between 50 and 60 ° C and Km= 2.2 ± 0.5 mg.ml-1). XyLg2 has molecular weight of about 24kDa and pI less than 4.8, and thus it is an acid protein. Parameter such as optimum temperature (70 °C) and pH (4.0) as well as the kinetic parameters (Km 7.4 ± 2.0 mg.ml-1) using beechwood xylan as substrate were determined for XyLg2. This enzyme exhibits desirable characteristics for improving animal feed, for example. LgXyn2 shows no activity with polygalacturonic acid. For the purpose of producing larger amount of xylanase from the L. gongylophorus the gene sequence encoding a xylanase (LgXyn1, GenBank: EF208066.1) was used to synthesize forward and reverse primers and was possible to amplify a different gene (xyl) that encodes the synthesis of a new xylanase called here LgXyn2. The gene was cloned into pETSUMO vector and the recombinant expressed in E.coli has no activity even when histidine tail (fusion) is removed with Sumo protease. These results suggest that the glycosylation is an important factor for xylanolitic activity. Then the xyl gene was cloned into pPICZalphaA vector and LgXyn2 was expressed in P. pastoris, secreted into the extracellular medium and the enzyme has xylanolitic activity. This result showed that the new gene (xyl) encodes a functional enzyme and that P. pastoris is a efficient system to obtain the active enzyme. / Xilanases são enzimas que, randomicamente, clivam a cadeia principal da xilana, o polissacarídeo não celulósico mais abundante da parede celular de plantas. As xilanases são comumente produzidas por uma grande gama de organismo incluindo bactérias, algas, fungos, protozoários, sendo que alguns insetos herbívoros e crustáceos também produzem xilanases. Leucoagaricus gongylophorus, é um fungo mutualístico da formiga saúva Atta sexdens, que secreta enzimas com atividade xilanolítica e o gene que codifica para uma xilanase foi recentemente identificado. Neste trabalho o perfil xilanolítico do fungo L. gongylophorus foi estudado e duas enzimas nativas com atividade xilanolítica (XyLg1 e XyLg2) foram isoladas, purificadas e caracterizadas. XyLg1 apresenta massa molecular aproximado de 38kDa e pI maior do que 4,8. Para o substrato xilana de faia a enzima apresentou temperatura ótima de 40°C, pH ótimo entre 8,5 a 10,5 e Km14,7 ± 7,6 mg.ml- 1. Devido a essas características a XyLg1 poderá ser utilizada em processos como o biobranqueamento da celulose. XyLg1 também foi analisada por espectrometria de massas sendo relacionada com uma poligalacturonase do mesmo fungo. Estudos cinéticos da XyLg1 utilizando ácido poligalacturônico como substrato foram realizados (pHótimo= 5,5, temperatura ótima entre 50 e 60°C, Km 2,2 ± 0,5 mg.ml-1). A XyLg2 apresenta massa molecular aproximada de 24kDa e pI menor que 4,8, sendo assim uma proteína ácida. Parâmetros ótimos de temperatura (70°C) e pH (4,0), assim como o parâmetro cinético (Km 7,4 ± 2,0 mg.ml-1) utilizando xilana de faia como substrato foram determinados para a XyLg2. Esta enzima apresenta características desejáveis para melhoramento da alimentação animal, por exemplo. A LgXyn2 não apresenta atividade frente ao ácido poligalacturônico. Com o propósito de produzir elevados níveis de xilanases do L. gongylophorus, a sequência que codifica para a xilanase (LgXyn1, GenBank: EF208066.1) foi utilizada para a síntese de oligonucleotídeos foward e reverse e foi possível amplificar um gene diferente (xyl) que codifica a síntese de uma nova xilanase denominada aqui LgXyn2. O gene foi clonado no vetor pETSUMO e a enzima recombinante expressa em E. coli não apresenta atividade mesmo quando a cauda de histidina (fusão) é removida com Sumo protease. Então o gene xyl foi clonado no vetor pPICZα-A e a LgXyn2 foi expressa em P. pastoris, secretada para o meio extracelular e a enzima apresenta atividade xilanolítica. Este resultado mostra que o gene (xyl) codifica para uma enzima funcional e que a P. pastoris é um sistema eficiente para obter esta xilanase.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:16:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 YamaraASM_DISSERT_Parcial.pdf: 1235608 bytes, checksum: 64be8e29311055ebff593313fa2f1681 (MD5) Previous issue date: 2013-07-04 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The extraction, chemical and structural characterization of a wide variety of compounds derived from plants has been a major source of bioactive molecules. Several proteases have been isolated in the plant kingdom, with numerous pharmacological and biotechnological applications. Among the proteases isolated from plants, are the fibrinogenolytic, with relevant application in the treatment of disorders in the coagulation cascade, in addition to potential use as a tool in clinical laboratories. In this study, in addition to evaluating the effects of the protein extract of Cnidoscolus urens (L.) Arthur (Euphorbiaceae) in the coagulation cascade also investigates the presence of antimicrobial activity and characterizes the proteolytic activity detected in this extract, aiming to determine their potential pharmacological and biotechnological application. In this way, crude protein extracts obtained from the leaves of C. urens in Tris-HCl 0.05M, NaCl 0.15M, pH 7.5, were precipitated in different concentrations of acetone, and assessed for the presence of proteolytic activity in azocase?na and fibrinogen. The most active fraction (F1.0) in these tests was chosen for assessment of biological activity and biochemical characterization. The A? chain and B? of fibrinogen were completely cleaved at a concentration of 0.18 ?g/?L of protein fraction in 4 minutes. Fibrinogenolytic activity presented total inhibition in the presence of E-64 and partial in the presence of EDTA. The fraction demonstrated coagulant activity in plasm and reduced the APTT, demonstrating acting on the factors coagulation of the intrinsic pathway and common, not exerting effects on the PT. Fibrinolytic activity on plasma clot was detected only in SDS-PAGE in high concentrations of fraction, and there were no defibrinating. Although several proteases isolated from plants and venomous animals are classically toxic, the fraction F1.0 of C. urens not expressed hemorrhagic nor hemolytic activities. Fraction F1.0 also showed no antimicrobial activity. In proteolytic activity on the azocasein, the optimal pH was 5.0 and optimum temperature of 60?C. The enzyme activity has been shown to be sensitive to the presence of salts tested, with inhibition for all compounds. The surfactant triton did not influence the enzyme activity, but the tween-20 and SDS inhibited the activity. In the presence of reducing agents increase in enzyme activity occurred, a typical feature of enzymes belonging to the class of cysteine proteases. Several bands with proteolytic activity were detected in zymogram, in the region of high-molecular-weight, which were inhibited by E-64. In this study, we found that C. urens presents in its constitution cysteine proteases with fibrinogenolytic and procoagulant activity, which may be isolated, with potential application in treatment of bleeding disorders, thrombolytic and clinical laboratory / A extra??o, caracteriza??o qu?mica e estrutural de uma grande diversidade de compostos derivados de plantas tem sido uma fonte importante de mol?culas bioativas. Diversas proteases t?m sido isoladas no reino vegetal, com in?meras aplica??es farmacol?gicas e biotecnol?gicas. Dentre as proteases isoladas de plantas, est?o as fibrinogenol?ticas, com relevante aplica??o no tratamento de dist?rbios na cascata da coagula??o, al?m do uso em potencial como ferramenta em laborat?rios cl?nicos. Neste trabalho, al?m de avaliar os efeitos do extrato prot?ico de Cnidoscolus urens (L.) Arthur, pertencente ? fam?lia Euphorbiaceae, na cascata de coagula??o, tamb?m se investigou a presen?a de atividade antimicrobiana e caracterizou a atividade proteol?tica detectada neste extrato, tendo como objetivo determinar sua potencial aplica??o farmacol?gica e biotecnol?gica. Desse modo, extratos prot?icos brutos obtidos das folhas de C. urens em tamp?o Tris-HCl 0,05M, NaCl 0,15M, pH 7,5, foram precipitados em diferentes concentra??es de acetona, e avaliados quanto a presen?a de atividade proteol?tica em azocase?na e fibrinog?nio. A fra??o mais ativa (F1.0) nestes testes foi escolhida para realiza??o de avalia??o de atividade biol?gica e caracteriza??o bioqu?mica. As cadeias A? e B? do fibrinog?nio foram completamente clivadas na concentra??o de 0.18 ?g/?L de prote?na da fra??o em 4 minutos. A atividade fibrinogenol?tica apresentou inibi??o total em presen?a de E-64 e parcial em presen?a de EDTA. A fra??o demonstrou atividade coagulante sobre o plasma e reduziu o tempo de tromboplastina parcial ativada, indicando atuar sobre os fatores da via intr?nseca e comum da coagula??o, n?o exercendo efeitos sobre o tempo de protrombina. A atividade fibrinol?tica sobre o co?gulo de plasma foi detectado apenas em SDS-PAGE em concentra??es elevadas da fra??o, e apesar da atividade fibrin(ogen)ol?tica, n?o foi observada atividade defibrinogenante in vivo. Apesar de v?rias proteases de plantas e animais pe?onhentos serem classicamente t?xicas, a frac??o F1.0 n?o expressou atividade hemorr?gica nem hemol?tica. A fra??o F1.0 tamb?m n?o demonstrou atividade antimicrobiana. Na avalia??o da atividade proteol?tica sobre a azocase?na, o pH ?timo de rea??o foi 5.0, e a temperatura ?tima igual a 60?C. A atividade enzim?tica demonstrou ser sens?vel ? presen?a dos sais testados, com inibi??o para todos os compostos. O tensoativo triton n?o influenciou a atividade enzim?tica, por?m o tween-20 e SDS inibiram tal atividade. Em presen?a de agentes redutores ocorreu aumento da atividade enzim?tica, caracter?stica t?pica de enzimas pertencentes ? classe das ciste?no proteases. Diversas bandas prot?icas com atividade proteol?tica foram detectadas em zimograma, na regi?o de elevada massa molecular, que foram inibidas por E-64. Neste trabalho, foi revelado que C. urens apresenta fra??o enriquecida com ciste?no-proteases que apresentam atividade fibrinogenol?tica e procoagulante, que podem ser isoladas, com potencial aplica??o no tratamento de dist?rbios hemorr?gicos, como trombol?tico e em laborat?rio cl?nico / 2020-01-01