A L-Asparaginase (L-ASNase) é uma enzima tetramérica bacteriana, utilizada em sessões de quimioterapia. Essa enzima depleta os aminoácidos asparagina (Asn) e glutamina (Gln), transformando-os em aspartato (Asp) ou glutamato (Glu), respectivamente, e em amônia. Contudo, a L-ASNase pode induzir resposta imune, levando à produção de anticorpos antiasparaginase, uma causa importante de resistência ao medicamento. Uma L-ASNase ideal seria aquela com alta atividade e estabilidade e baixo potencial imunogênico, porém, as L-ASNases utilizadas na terapêutica não reúnem essas características simultaneamente. Por essa razão, o presente trabalho utilizou técnicas de mutagênese randômica, a fim de criar uma nova proteoforma de L-ASNase de E. chrysanthemi com uma melhor atividade e estabilidade. Além disso, foram estudadas condições de cultivo em agitador metabólico, visando à otimização de condições de produção. Foi criada uma biblioteca com 1.056 clones, e desses, 19 foram selecionados por apresentarem atividade superior ou igual à enzima selvagem quando dosada em extrato bruto. Dentre eles, dois mutantes se destacaram por apresentarem a atividade específica glutaminásica diferente da enzima selvagem. Análises in silico indicam que o mutante 9-6D apresentou diminuição de desordem estrutural e epítopos imunogênicos. O mutante 9-5F demonstrou uma diminuição da porcentagem da atividade glutaminásica quando comparada a enzima selvagem. O estudo de produção do mutante 9-5F indicou que a temperatura de indução, seguida da concentração do indutor, são os parâmetros mais relevantes para a otimização da produção de L-ASNase de E. chrysanthemi mutante. / L-Asparaginase (L-ASNase) is a bacterial tetrameric enzyme used in chemotherapy sessions that deplete asparagine (Asn) and glutamine (Gln), transforming them into Aspartate (Asp) or glutamate (Glu), respectively, and ammonia. However, L-ASNase can induce immune response leading to the production of anti-asparaginase antibody, an important cause of drug resistance. Ideally, L-ASNase would be one with high activity, high stability and low immunogenic potential, but the L-ASNases commercially available today do not present these characteristics simultaneously. For this reason, this study used techniques of random and site-directed mutagenesis in order to create a new proteoform of E. chrysanthemi L-ASNase with improved activity and stability. In addition, culture conditions were studied in a metabolic shaker, aiming at the optimization of production conditions. A library with 1,056 clones was created, and of these clones, 19 were selected because they had activity superior or equal to the wild-type enzyme in crude protein extract. Among them, 2 mutants stood out for having different glutaminase specific activity in relation to wild-type enzyme. The 9-6D mutant also showed decreased structural disorder and immunogenic epitopes. The 9-5F mutant demonstrated a decrease in percentage of glutaminase activity when compared to the wild-type enzyme. The production study of 9-5F mutant indicated that the induction temperature followed by the inductor concentration are the most relevant parameters for the production optimization of E. chrysanthemi mutant L-ASNase.

A L-Asparaginase (L-ASNase) é uma enzima tetramérica bacteriana, utilizada em sessões de quimioterapia. Essa enzima depleta os aminoácidos asparagina (Asn) e glutamina (Gln), transformando-os em aspartato (Asp) ou glutamato (Glu), respectivamente, e em amônia. Contudo, a L-ASNase pode induzir resposta imune, levando à produção de anticorpos antiasparaginase, uma causa importante de resistência ao medicamento. Uma L-ASNase ideal seria aquela com alta atividade e estabilidade e baixo potencial imunogênico, porém, as L-ASNases utilizadas na terapêutica não reúnem essas características simultaneamente. Por essa razão, o presente trabalho utilizou técnicas de mutagênese randômica, a fim de criar uma nova proteoforma de L-ASNase de E. chrysanthemi com uma melhor atividade e estabilidade. Além disso, foram estudadas condições de cultivo em agitador metabólico, visando à otimização de condições de produção. Foi criada uma biblioteca com 1.056 clones, e desses, 19 foram selecionados por apresentarem atividade superior ou igual à enzima selvagem quando dosada em extrato bruto. Dentre eles, dois mutantes se destacaram por apresentarem a atividade específica glutaminásica diferente da enzima selvagem. Análises in silico indicam que o mutante 9-6D apresentou diminuição de desordem estrutural e epítopos imunogênicos. O mutante 9-5F demonstrou uma diminuição da porcentagem da atividade glutaminásica quando comparada a enzima selvagem. O estudo de produção do mutante 9-5F indicou que a temperatura de indução, seguida da concentração do indutor, são os parâmetros mais relevantes para a otimização da produção de L-ASNase de E. chrysanthemi mutante. / L-Asparaginase (L-ASNase) is a bacterial tetrameric enzyme used in chemotherapy sessions that deplete asparagine (Asn) and glutamine (Gln), transforming them into Aspartate (Asp) or glutamate (Glu), respectively, and ammonia. However, L-ASNase can induce immune response leading to the production of anti-asparaginase antibody, an important cause of drug resistance. Ideally, L-ASNase would be one with high activity, high stability and low immunogenic potential, but the L-ASNases commercially available today do not present these characteristics simultaneously. For this reason, this study used techniques of random and site-directed mutagenesis in order to create a new proteoform of E. chrysanthemi L-ASNase with improved activity and stability. In addition, culture conditions were studied in a metabolic shaker, aiming at the optimization of production conditions. A library with 1,056 clones was created, and of these clones, 19 were selected because they had activity superior or equal to the wild-type enzyme in crude protein extract. Among them, 2 mutants stood out for having different glutaminase specific activity in relation to wild-type enzyme. The 9-6D mutant also showed decreased structural disorder and immunogenic epitopes. The 9-5F mutant demonstrated a decrease in percentage of glutaminase activity when compared to the wild-type enzyme. The production study of 9-5F mutant indicated that the induction temperature followed by the inductor concentration are the most relevant parameters for the production optimization of E. chrysanthemi mutant L-ASNase.

A L-Asparaginase II de Escherichia coli (EcA II) é uma enzima amplamente utilizada no tratamento da Leucemia Linfoblástica Aguda (LLA), atuando na depleção do aminoácido L-asparagina, o qual é fundamental para a multiplicação das células cancerosas. Contudo, o tratamento com a EcA II está associado a altos índices de hipersensibilidade, devido à formação de anticorpos anti-L-asparaginase e à clivagem da enzima pelas proteases sanguíneas asparagina endopeptidase (AEP) e catepsina B (CTSB). Também ocorre neurotoxicidade associada ao efeito L-glutaminase da enzima. O principal objetivo do presente trabalho é a obtenção de mutantes da EcA II (gene ansB) com equivalente eficiência catalítica, maior resistência à clivagem proteolítica e menor atividade glutaminase. Para este propósito, através da reação em cadeia da polimerase propensa a erro (epPCR) do gene ansB, foi construída uma biblioteca de 1128 clones expressos no vetor pET15b em BL21(DE3). Nenhum mutante com atividade asparaginásica equivalente à EcA II selvagem apresentou atividade glutaminásica inferior à esta. Dentre os clones triados obtivemos um mutante (T161I) resistente à clivagem proteolítica pela CTSB e dois mutantes (Q190L e P40S/S206C) resistentes à clivagem proteolítica por ambas AEP e CTSB. Estes três mutantes apresentaram atividade asparaginásica e glutaminásica equivalentes a EcA II selvagem. Nossos resultados mostram promissoras possibilidades de EcA II mutantes com maior estabilidade frente às proteases sanguíneas humanas e possivelmente menos imunogênicas. / Escherichia coli L-asparaginase (EcA II) is an enzyme widely used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL), acting in the depletion of the amino acid L-asparagine, which is essential for cancer cells proliferation. However, treatment with L-asparaginase is associated with a high rate of hypersensitivity, due to formation of anti-L-asparaginase antibody and the enzyme cleavage by the serum proteases asparagine endopeptidase (AEP) and cathepsin B (CTSB). Furthermore, the neurotoxicity is associated with the effect of the enzyme L-glutaminase activity. The main aim of the current work is to obtain variants of EcA II (gene ansB) with an equivalent catalytic efficiency, greater resistance to proteolytic cleavage and a reduced glutaminase activity. For such purpose, through error-prone polymerase chain reaction (epPCR) of gene ansB, a library of 1128 clones was constructed in pET15b vector and expressed in BL21(DE3). None mutant with an asparaginase activity equivalent to EcA II wild type showed a reduced glutaminase activity. Among the screened clones, one mutant (T161I) was resistant to CTSB proteolytic cleavage and two mutants (Q190L e P40S/S206C) were resistant to both CTSB and AEP proteolytic cleavages. These three mutants were EcA II wild type equivalents in asparaginase and glutaminase activities. Our data show promising new possibilities of mutant EcA II presenting higher stability against human serum proteolytic cleavage and maybe lower immunogenicity.

A L-Asparaginase II de Escherichia coli (EcA II) é uma enzima amplamente utilizada no tratamento da Leucemia Linfoblástica Aguda (LLA), atuando na depleção do aminoácido L-asparagina, o qual é fundamental para a multiplicação das células cancerosas. Contudo, o tratamento com a EcA II está associado a altos índices de hipersensibilidade, devido à formação de anticorpos anti-L-asparaginase e à clivagem da enzima pelas proteases sanguíneas asparagina endopeptidase (AEP) e catepsina B (CTSB). Também ocorre neurotoxicidade associada ao efeito L-glutaminase da enzima. O principal objetivo do presente trabalho é a obtenção de mutantes da EcA II (gene ansB) com equivalente eficiência catalítica, maior resistência à clivagem proteolítica e menor atividade glutaminase. Para este propósito, através da reação em cadeia da polimerase propensa a erro (epPCR) do gene ansB, foi construída uma biblioteca de 1128 clones expressos no vetor pET15b em BL21(DE3). Nenhum mutante com atividade asparaginásica equivalente à EcA II selvagem apresentou atividade glutaminásica inferior à esta. Dentre os clones triados obtivemos um mutante (T161I) resistente à clivagem proteolítica pela CTSB e dois mutantes (Q190L e P40S/S206C) resistentes à clivagem proteolítica por ambas AEP e CTSB. Estes três mutantes apresentaram atividade asparaginásica e glutaminásica equivalentes a EcA II selvagem. Nossos resultados mostram promissoras possibilidades de EcA II mutantes com maior estabilidade frente às proteases sanguíneas humanas e possivelmente menos imunogênicas. / Escherichia coli L-asparaginase (EcA II) is an enzyme widely used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL), acting in the depletion of the amino acid L-asparagine, which is essential for cancer cells proliferation. However, treatment with L-asparaginase is associated with a high rate of hypersensitivity, due to formation of anti-L-asparaginase antibody and the enzyme cleavage by the serum proteases asparagine endopeptidase (AEP) and cathepsin B (CTSB). Furthermore, the neurotoxicity is associated with the effect of the enzyme L-glutaminase activity. The main aim of the current work is to obtain variants of EcA II (gene ansB) with an equivalent catalytic efficiency, greater resistance to proteolytic cleavage and a reduced glutaminase activity. For such purpose, through error-prone polymerase chain reaction (epPCR) of gene ansB, a library of 1128 clones was constructed in pET15b vector and expressed in BL21(DE3). None mutant with an asparaginase activity equivalent to EcA II wild type showed a reduced glutaminase activity. Among the screened clones, one mutant (T161I) was resistant to CTSB proteolytic cleavage and two mutants (Q190L e P40S/S206C) were resistant to both CTSB and AEP proteolytic cleavages. These three mutants were EcA II wild type equivalents in asparaginase and glutaminase activities. Our data show promising new possibilities of mutant EcA II presenting higher stability against human serum proteolytic cleavage and maybe lower immunogenicity.