Esta tese de doutorado descreve os estudos realizados para elucidar a biologia molecular da bioluminescência fúngica e sua relevância ecológica na natureza. A recente descoberta de que a luciferina fúngica é a 3-hidroxihispidina permitiu a caracterização do metabolismo secundário da fenilalanina nos genomas recém-sequenciados e transcriptomas de micélios das espécies luminescentes Panellus stipticus e Neonothopanus gardneri. Adicionalmente os genomas e transcriptomas de variedades não luminescente de P. stipticus e Lentinula edodes serviram como respectivos controles. Em geral, os genes envolvidos no metabolismo secundário da fenilalanina em amostras luminescentes tinham expressão igual ou superior àquela de espécies não luminescentes. Um agrupamento de genes relacionados com a biossíntese de fenilalanina foi encontrado em ambos os genomas luminescentes e não luminescentes de P. stipticus. A abundância de genes transcritos neste agrupamento foi semelhante para as espécies luminescentes e não luminescentes de P. stipticus, mas a policetídeo sintase tipo I em P. stipticus não luminescentes foi significativamente sub-regulada. Não foi encontrado agrupamento semelhante nos genomas de N. gardneri e L. edodes, sendo que os correspondentes homólogos estavam espalhados em diferentes loci. Extratos de fungos podem ser preparados in vitro, com a adição de 3-hidroxihispidina para produzir luz verde em abundância. A preparação de extratos proteicos de luciferase foi melhorada e a estrutura da luciferase, parcialmente purificada, foi investigada por espectrometria de massas. A presença de luciferase nos géis de purificação foi revelada usando-se luciferina e molécula similares à luciferina advindas de extratos de plantas. O nicho ecológico nas vizinhas de cogumelos bioluminescentes foi investigado de duas maneiras, armadilhas adesivas com cogumelos artificiais de acrílico, iluminados com luz LED verde e através da observação direta de cogumelos bioluminescentes com fotografia no infravermelho com lapso de tempo. Os estudos ecológicos foram conduzidos nos biomas da Mata Atlântica e da Mata dos Cocais, no Brasil. Baratas, aranhas, tesourinhas, grilo e vagalumes tec-tecs foram os animais mais comuns que interagiram com os cogumelos. Todos estes animais podem agir como dispersores de propágulos e, em alguns casos, como defensores dos cogumelos. / This PhD thesis describes the studies performed to elucidate the molecular biology of fungal bioluminescence and the ecological significance of the trait in the wild. The recent discovery that the fungal luciferin is 3-hydroxyhispidin has allowed for the characterization of phenylalanine secondary metabolism in the newly sequenced genomes and mycelium transcriptomes of luminescent Panellus stipticus and Neonothopanus gardneri, additionally the genomes and transcriptomes of a non-luminescent variety of P. stipticus and Lentinula edodes served as respective controls. In general the genes involved in phenylalanine secondary metabolism had greater or equal expression in luminescent samples than non luminescent. A cluster of genes related to the secondary metabolism of phenylalanine was found in both luminescent and non luminescent P. stipticus genomes. Transcript abundance of genes in this cluster was similar in both luminescent and non-luminescent Panellus stipticus, but the type I polyketide synthase in non luminescent Panellus stipticus was significantly down regulated. A similar gene cluster in the N. gardneri and L. edodes genomes was absent with corresponding homologues scattered at different genomic loci. Cell free fungal extracts can be combined in vitro with the addition of 3-hydroxyhispidin to produce abundant green light. Preparation of proteinaceous luciferase extracts was improved and partially purified luciferase samples were investigated by mass spectrometry. The presence of luciferase in the separation gel was also evidenced by using luciferin and luciferin-like molecules from plant extracts. The ecological niche surrounding bioluminescent mushrooms was investigated through two main means, glue traps with acrylic mushroom facsimiles that were internally illuminated with green LED lights and direct observation of bioluminescent mushrooms with infrared time lapse photography. Ecological studies were performed in the Atlantic rainforest (Mata Atlântica) and transitional Coconut Palm forest (Mata dos Cocais) biomes of Brazil. Cockroaches, spiders, earwigs, crickets, and luminescent click beetles were the most common animal interacting with mushrooms. All of these animals may be acting as fungal propagule dispersers and in some cases defense of the mushroom.

Esta tese de doutorado descreve os estudos realizados para elucidar a biologia molecular da bioluminescência fúngica e sua relevância ecológica na natureza. A recente descoberta de que a luciferina fúngica é a 3-hidroxihispidina permitiu a caracterização do metabolismo secundário da fenilalanina nos genomas recém-sequenciados e transcriptomas de micélios das espécies luminescentes Panellus stipticus e Neonothopanus gardneri. Adicionalmente os genomas e transcriptomas de variedades não luminescente de P. stipticus e Lentinula edodes serviram como respectivos controles. Em geral, os genes envolvidos no metabolismo secundário da fenilalanina em amostras luminescentes tinham expressão igual ou superior àquela de espécies não luminescentes. Um agrupamento de genes relacionados com a biossíntese de fenilalanina foi encontrado em ambos os genomas luminescentes e não luminescentes de P. stipticus. A abundância de genes transcritos neste agrupamento foi semelhante para as espécies luminescentes e não luminescentes de P. stipticus, mas a policetídeo sintase tipo I em P. stipticus não luminescentes foi significativamente sub-regulada. Não foi encontrado agrupamento semelhante nos genomas de N. gardneri e L. edodes, sendo que os correspondentes homólogos estavam espalhados em diferentes loci. Extratos de fungos podem ser preparados in vitro, com a adição de 3-hidroxihispidina para produzir luz verde em abundância. A preparação de extratos proteicos de luciferase foi melhorada e a estrutura da luciferase, parcialmente purificada, foi investigada por espectrometria de massas. A presença de luciferase nos géis de purificação foi revelada usando-se luciferina e molécula similares à luciferina advindas de extratos de plantas. O nicho ecológico nas vizinhas de cogumelos bioluminescentes foi investigado de duas maneiras, armadilhas adesivas com cogumelos artificiais de acrílico, iluminados com luz LED verde e através da observação direta de cogumelos bioluminescentes com fotografia no infravermelho com lapso de tempo. Os estudos ecológicos foram conduzidos nos biomas da Mata Atlântica e da Mata dos Cocais, no Brasil. Baratas, aranhas, tesourinhas, grilo e vagalumes tec-tecs foram os animais mais comuns que interagiram com os cogumelos. Todos estes animais podem agir como dispersores de propágulos e, em alguns casos, como defensores dos cogumelos. / This PhD thesis describes the studies performed to elucidate the molecular biology of fungal bioluminescence and the ecological significance of the trait in the wild. The recent discovery that the fungal luciferin is 3-hydroxyhispidin has allowed for the characterization of phenylalanine secondary metabolism in the newly sequenced genomes and mycelium transcriptomes of luminescent Panellus stipticus and Neonothopanus gardneri, additionally the genomes and transcriptomes of a non-luminescent variety of P. stipticus and Lentinula edodes served as respective controls. In general the genes involved in phenylalanine secondary metabolism had greater or equal expression in luminescent samples than non luminescent. A cluster of genes related to the secondary metabolism of phenylalanine was found in both luminescent and non luminescent P. stipticus genomes. Transcript abundance of genes in this cluster was similar in both luminescent and non-luminescent Panellus stipticus, but the type I polyketide synthase in non luminescent Panellus stipticus was significantly down regulated. A similar gene cluster in the N. gardneri and L. edodes genomes was absent with corresponding homologues scattered at different genomic loci. Cell free fungal extracts can be combined in vitro with the addition of 3-hydroxyhispidin to produce abundant green light. Preparation of proteinaceous luciferase extracts was improved and partially purified luciferase samples were investigated by mass spectrometry. The presence of luciferase in the separation gel was also evidenced by using luciferin and luciferin-like molecules from plant extracts. The ecological niche surrounding bioluminescent mushrooms was investigated through two main means, glue traps with acrylic mushroom facsimiles that were internally illuminated with green LED lights and direct observation of bioluminescent mushrooms with infrared time lapse photography. Ecological studies were performed in the Atlantic rainforest (Mata Atlântica) and transitional Coconut Palm forest (Mata dos Cocais) biomes of Brazil. Cockroaches, spiders, earwigs, crickets, and luminescent click beetles were the most common animal interacting with mushrooms. All of these animals may be acting as fungal propagule dispersers and in some cases defense of the mushroom.

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.