Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2006. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 132-145).

A busca por substâncias benéficas à saúde humana tem impulsionado o desenvolvimento de pesquisas visando o estudo de enzimas e seus produtos através da otimização de bioprocessos. Um dos principais componentes utilizados como base para a indústria de alimentos funcionais são carboidratos denominados frutooligossacarídeos (FOS) derivados da sacarose. Estes são sintetizados por enzimas denominadas frutosiltransferases que podem ser encontradas em plantas, bactérias e fungos. Os FOS têm atraído grande interesse da indústria, devido às suas características fisiológicas e biomoduladoras. Por serem polissacarídeos prebióticos não-digeríveis, têm a capacidade de estimular seletivamente o crescimento de bifidobactérias e lactobacilos, auxiliando na prevenção da cárie dentária e câncer de cólon em humanos. Podem também contribuir na diminuição do colesterol total e triglicerídeos no sangue, promover a reabsorção de cálcio e magnésio e serem utilizados em dietas com restrições alimentares, por serem açúcares de baixo valor calórico e elevado valor nutricional. Tendo em vista a existência de diferentes formas de FOS sintetizados por diferentes mecanismos, o presente trabalho buscou realizar a caracterização estrutural e funcional de um conjunto de 13 frutosiltransferases de bactérias e fungos. Os genes alvo foram clonados e as enzimas expressas e purificadas. Ensaios estruturais e de atividade enzimática, incluindo de hidrólise e polimerização da sacarose, foram conduzidos para a melhor compreensão das bases moleculares envolvidas no reconhecimento do substrato. Oito enzimas, duas β-frutofuranosidases de B. adolescentis, três sucrose-6-phosphate hydrolase de B. licheniformis e L. gasseri e uma invertase de A.niger foram cristalizadas e as enzimas de B. adolescentis e de L. gasseri tiveram suas estruturas resolvidas e seus sítios catalíticos mapeados. Estas apresentam em sua estrutura uma região β-propeller, local identificado como sítio catalítico, conectada à um módulo β-sanduíche. Ambas as enzimas apresentaram atividade hidrolítica da sacarose e a enzima de L. gasseri apresentou a formação dos FOS nistose e 1-cestose com concentrações de 1 M de sacarose bem como em tempos de 8 e 12 horas de incubação. Estes estudos, somados às análises das outras enzimas, permitirão o melhoramento na produção em larga escala, além da otimização e o controle destes processos de obtenção de FOS. / The search for beneficial substances to human health has driven the development of researches on the study of enzymes and their products through bioprocess optimization. One of the main components used as a basis for functional food industry are carbohydrates called fructooligosaccharides (FOS) derived from sucrose. These are synthesized by enzymes called fructosyltransferases which can be found in plants, bacteria and fungi. The FOS has attracted great interest of the industry due to its physiological and biomodulator properties. Because it is non-digestible polysaccharides prebiotics, have the ability to selectively stimulate the growth of bifidobacteria and lactobacilli, assisting in the prevention of tooth decay and colon cancer in humans. They can also contribute to decrease total cholesterol and triglycerides in the blood, to promote the absorption of calcium and magnesium and can be used in diets with dietary restrictions, because they are low-calorie sugars presenting high nutritional value. Considering there are different forms of FOS synthesized by different mechanisms, the present work attempts to make structural and functional characterization of a set of 13 fructosyltransferases of bacteria and fungi. The target genes were cloned and the enzymes were expressed and purified. Structural testing of X-ray crystallography and enzymatic activity, including sucrose hydrolysis and polymerization were carried out for a better understanding of the molecular basis involved in substrate recognition. Eight enzymes, two β-frutofuranosidases B. adolescentis, three sucrose-6-phosphate hydrolase of B. licheniformis and L. gasseri and A. niger invertase, were crystallized and the enzymes from B. adolescentis and from L. gasseri had their structures determined and their catalytic site mapped. These are similar to each other and present in their structure one β-propeller region which was identified as catalytic site, connected to one β-sandwich module. Both enzymes showed hydrolytic activity of the sucrose and L. gasseri showed the formation of FOS, 1-kestose and nystose with 1 M sucrose concentrations and times of 8 and 12 hours of incubation. These studies together with the analysis of other enzymes will enable the improvement in large-scale production, besides the optimization and control of these processes for the production of FOS.

Orientador: Anita Jocelyne Marsaioli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-06T15:53:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Chen_LuShi_D.pdf: 1749829 bytes, checksum: aa7f95ee1b7db09369cb88541ee02c93 (MD5) Previous issue date: 2006 / Doutorado / Quimica Organica / Doutor em Ciências

Orientador: Marcos Silveira Buckeridge / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-13T07:05:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cavalari_AlineAndreia_D.pdf: 2066715 bytes, checksum: 503395a4dfdc3832fc20cbf4193ea790 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: A parede celular é um componente particular dos tecidos vegetais e conhecer a composição dos polissacarídeos que a constituem e suas interações é essencial para compreender a textura dos alimentos e suas alterações pós-colheita, em especial em frutos climatérios, como é caso do mamão. A parede celular esta dividida por três domínios: o primeiro é formado por celulose e hemiceluloses, o segundo domínio é formado por pectinas e o terceiro um domínio composto por proteínas. As modificações dos polímeros e suas proporções nestes respectivos domínios são resultados de ações enzimáticas, que no caso dos frutos carnosos, leva ao amaciamento da polpa. Portanto, estudar as modificações nesses polímeros através da análise dos OXG obtidos por hidrolise com celulase, é um caminho importante para entender as alterações neste polissacarídeo ao longo do desenvolvimento de frutos. O presente trabalho teve como objetivo compreender as modificações da parede celular durante o desenvolvimento do fruto do mamoeiro. Foram utilizados frutos de Carica papaya L. cv. Sunrise solo, coletados diretamente do produtor (Caliman S/A- Unhares- ES). As amostras de frutos foram colhidas em intervalos de 30 dias, sendo os estádios analisados de 30 a 150 após a antese (dpa). Os resultados demonstram queda acentuada na proporção de parede celular em relação a outros compostos, como açúcares, por exemplo, o que é possivelmente uma indicação do processo de expansão celular e conseqüentemente uma alteração de textura da parede celular durante o desenvolvimento. Observou-se que o principal açúcar solúvel é a sacarose, sendo esta provavelmente a principal fonte energética para o desenvolvimento do fruto de mamão, uma vez que este não sintetiza amido. De maneira geral, a proporção de oligossacarídeos de xiloglucano menos ramificados diminuiu aos 120 dpa, enquanto que os de maior peso molecular e ou grau de ramificação (com fucose) aumentaram proporcionalmente. Estes resultados sugerem que xiloglucanos (ou parte das moléculas destes) pobremente ramificados com fucose, são retirados da parede celular, consequente enriquecimento de oligosasacarídeos fucosilados. Como estes últimos tornam o xiloglucano mais interativo com ele próprio e com a celulose, é possivel que estes sejam os principais efeitos que as transformações na parede promovam no fruto. As alterações na parede foram acompanhadas pelo aumento concomitante nas ativades de beta­galacosidase e beta-glucosidase, duas das principais hidrolases de xiloglucano. Concumitantemente, observou-se uma diminuição acentuada na proporção de celulose na parede. Com base nestas observações, sugere-se que as paredes celulares sofrem transformações importantes nos frutos do mamoeiro até os 120 dpa I sendo que a partir deste estádio a parede se torna mais acessível à hidrólise e denotando a preparação do fruto para o amadurecimento. / Abstract: The plant cell wall is a unique component of plant tissues and its polysaccharide composition essential to understand food texture and its changes during post-harvestingl especially of climateric fruits, as is the case of papaya. The plant cell wall is composed of three domains: the first is formed by cellulose and hemicelluloses, the second of pectins and the third of proteins. The changes in polymers and their proportions in these domains are a result of enzyme action, which in the case of fleshy fruits lead to the softening of the pulp. Hydrolysis of hemicelluloses such as xyloglucan can play important functions in cell expansion, cell growth and cell wall degradation. Therefore, studying the modifications in xyloglucan by looking at is fine structure (Le. oligosaccharide (OXG) pattern obtained after cellulase action) may be an important way to understand polysaccharide change during fruit development. The present work aimed at understanding the modifications in cell wall during the development of the papaya fruit. Fruits of Carica papaya L. Cv.Sunrise solol were collected directly by the producer (Calimanl SAI Unharesl Espirito Santol Brazil). Samples of fruits were harvested at intervals between 30 and 150 days after anthesis (daa). Our results showed that there were drastic changes in the cell wall of the mesocarp in relation to other compoundsl such as soluble sugars. This is probably an indication that cell expansion process is at least part of the cause of the changes in texture during development. We observed that the main soluble sugar found in fruits is sucrose, this being probably the principal source of energy for development of the organ, as no starch is synthesised in this fruit. In general, the proportion of less branched xyloglucan oligosaccharides decreased at 120 daa, whereas the OXG branched with fucose increased constantly during development up to the same stage. These results suggest that xyloglucans (or part of their molecules) that are poorely brached with fucose are retrieved from the cell wall. This seems to lead to enrichment of fucosylation of xyloglucan. As these OXG turn xyloglucan more interactive with itself and with cellulose, it is possible that these would be the principal effects that the cell walls provoke in the fruit. The changes in the wall were followed by a concomitant increase in activities of beta-galactosidase and betaglucosidase, both thought to be related to xyloglucan hydrolysis in vivo. At the same time, we observed a decrease in the proportion of cellulose in the walls during development. On the basis of these results, we suggest that the cell walls of papaya fruits undertake structural changes untill 120daa after which the wall becomes more accessible to hydrolases denoting the preparation of the papaya fruit for ripening. / Doutorado / Doutor em Biologia Vegetal

Orientador: João Alexandre Ribeiro Gonçalves Barbosa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-08T20:09:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valerio_AmandaAbdalla_D.pdf: 3553304 bytes, checksum: 97ba97062f1c23d4b29447c0b9a7316d (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Glicosídeo hidrolases (EC 3.2.1.-) são enzimas que hidrolisam ligações glicosídicas. Neste trabalho realizamos estudos funcionais e estruturais de duas glicosídeo hidrolases: a celulase XF0810 de Xylella fastidiosa e a lisozima digestiva 1 de Musca domestica (MdL1). A celulase XF0810 está anotada no genoma da X. fastidiosa como membro da família 5 das glicosídeo hidrolases (EC 3.2.1.4). Após a amplificação, clonagem, expressão e purificação da mesma; prosseguimos com os experimentos de filtração em gel analítica, dicroísmo circular, DLS, ensaio enzimático e cristalização desta proteína. Foi feito um estudo de modelagem onde ficou evidenciado que a XF0810 não pertenceria à família 5 pois quatro dos sete resíduos conservados que caracterizam esta família foram substituídos, incluindo os dois resíduos catalíticos de glutamato essenciais para o mecanismo de clivagem de retenção. Isto foi comprovado através da ausência de atividade nos ensaios feitos com a proteína purificada. A MdL1 pertence à família 22 das glicosídeo hidrolases (EC 3.2.1.17) e foi cristalizada com o ligante Nacetilquitotetraosídeo para a difração de raios X. A resolução da estrutura (2H5Z no PDB) foi realizada por meio do método de substituição molecular tendo como modelo a estrutura nativa. A análise comparativa da MdL1 com outras lisozimas de quatro classes diferentes de animais mostrou grande semelhança e pequenas diferenças apenas na região das voltas. Estas diferenças foram utilizadas para explicar as características especiais de uma lisozima com função digestiva. A volta na região definida pelos resíduos 98-100 apresenta uma deleção na MdL1, tornado-a menos exposta ao solvente, podendo justificar a resistência à proteólise. O resíduo Gln100 participa de uma interação com o ligante. Os resíduos Thr107 e Asn46 são apontados como responsáveis pelo decréscimo dos pKa dos grupos carboxilas dos resíduos catalíticos Glu32 e Asp50, respectivamente. A diminuição dos pKa explica o pH ótimo mais ácido característico de lisozimas digestivas / Abstract: Glycoside hydrolases (EC 3.2.1.-) are enzymes that hydrolyze glycoside bonds. In this work we studied functional and structural features of two glycoside hydrolases: the cellulase XF0810 of Xylella fastidiosa and the digestive lysozyme 1 of Musca domestica (MdL1). The cellulase XF0810 is annotated in the genome of X. fastidiosa as member of family 5 of glycoside hydrolases (EC 3.2.1.4). After the amplification, cloning, expression and purification of XF0810; we continued with the experiments of analytical gel filtration, circular dichroism, DLS, enzymatic assay and crystallization of this protein. A homology model was built which showed that XF0810 did not belong to family 5 because four of seven conserved residues that characterize the family were substituted, including the two catalytic residues of glutamate that are essential for the retention hydrolysis mechanism. This was further confirmed by the absence of activity in the assays (exocellulase with PNPc) performed with the purified protein. The MdL1 belongs to the family 22 of glycoside hydrolases (EC 3.2.1.17) and was crystallized with the ligand N-acetilchitotetraose for X-ray diffraction. The resolution of the structure (2H5Z in PDB) was accomplished by molecular replacement with the native structure as the searching model. The comparative analysis of MdL1 with other lysozymes of four different classes of animals showed a high similarity and few differences appeared only in the loops¿ regions. These differences were used to explain the special characteristics of the lysozyme with a digestive function. The loop in the region defined by residues 98-100 presents one deletion in the MdL1, becoming less exposed to the solvent, this might justify the proteolysis resistance. The residue Gln100 participates directly in an interaction with the ligand. The residues Thr107 and Asn46 are pointed out as responsible for a reduction in the pKa of the carboxyl groups of catalytic residues Glu32 e Asp50, respectively. The reduction in pKa explains the more acidic pH optimum that characterizes the digestive lysozymes / Doutorado / Bioquimica / Doutor em Biologia Funcional e Molecular

Orientador: Tomomasa Yano / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Médicas / Made available in DSpace on 2018-08-21T18:53:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nascimento_CatiaMariaGeraldadosSantos_M.pdf: 1717590 bytes, checksum: 6c341cf3cd058cf34bc633755af508d8 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste estudo foram analisadas oito isolados de Plesiomonas shigelloides, obtidos da bacterioteca do Laboratório de Fatores de Virulência em Bactérias, Instituto de Biologia -UNICAMP - Campinas/SP: sete isolados são provenientes de água doce do Rio Cambé na região de Londrina/PR e, um isolado de ATCC 14029. Os sobrenadantes de culturas de P. shigelloides foram capazes de induzir efeitos anticarcinogênicos in vitro (em células He-La e HEp-2), apesar de apresentarem efeitos citotóxicos em linhagens celulares não cancerígenas (em células CHO e Vero). A atividade hemolítica dos cultivos de P. shigelloides foi detectada em placas com ágar sangue (meio sólido) e em microplaca (meio líquido) contendo hemácias de carneiro. A atividade citotóxica e hemolítica de Plesiomonas shigelloides apresenta característica de termolabilidade. Os isolados de P. shigelloides aderiram em células HEp-2 e em superfícies inertes como o plástico (microplaca de poliestireno) e vidro (lamínula) e, ainda apresentaram a capacidade de formar biofilme in vitro, sendo possível a colonização e formação de biofilmes em células epiteliais e em dispositivos médicos implantáveis como cateteres, próteses e/ou sondas. A produção de exoenzimas hidrolíticas como lípase e proteases (caseinase e elastase) foi detectada nos isolados de P. shigelloides. No teste de sensibilidade antimicrobiana pelo método de difusão de discos, os isolados de P. shigelloides se mostraram sensíveis à maioria dos antibióticos utilizados. Entretanto, outros testes de sensibilidade antimicrobiana se tornam necessários de modo a assegurar uma terapia antibiótica eficiente em casos de confirmação de diagnóstico clínico microbiológico. Neste estudo, os isolados de P. shigelloides expressaram fatores de virulência in vitro como citotoxicidade, adesão, exoenzimas e resistência antimicrobiana que podem potencialmente estar envolvidos na sua patogenicidade, de modo especial às gastroenterites ou complicações extra-intestinais (septicemia) em indivíduos imunocomprometidos (HIV-soropositivo, câncer ou ainda doenças hepatobiliares) / Abstract: We analyzed eight isolates Plesiomonas shigelloides, obtained from the bacterial collection Laboratory of Virulence Factors in Bacteria, Biology Institute - UNICAMP - Campinas/SP: seven isolates are from freshwater in Cambé River, region of Londrina/PR and a isolate ATCC 14029. The culture supernatants P. shigelloides were able to induce anticarcinogenic effects in vitro (He-La and HEp-2 cells), although having cytotoxic effects on non-cancer cell lines (CHO and Vero cells). The hemolytic activity of cultures P. shigelloides was detected on blood agar plates (solid medium) and microplates (liquid medium) containing sheep erythrocytes. The hemolytic and cytotoxic activity P. shigelloides features characteristics of thermo ability. Isolates P. shigelloides joined in HEp-2 cells and inert surfaces such as plastic (polystyrene microplate) and glass (coverslips) and also had the ability to form biofilm in vitro, it being possible colonization and biofilm formation in epithelial cells and devices implantable medical devices such as catheters, implants and/or probes. The production of hydrolytic exoenzymes such as lipase and protease (caseinase and elastase) was detected in isolates P. shigelloides. In antimicrobial susceptibility testing by the disc diffusion method, isolates P. shigelloides were sensitive to most antibiotics. However, other antimicrobial susceptibility testing has become necessary to ensure efficient antibiotic therapy in cases of clinical diagnostic microbiological confirmation. In this study, isolates P. shigelloides expressed virulence factors in vitro as cytotoxicity, adhesion, exoenzymes and antimicrobial resistance that may potentially be involved in this pathogenicity, specially to gastroenteritis or extraintestinal complications (septicemia) in immunocompromised individuals (HIV-seropositive, cancer or diseases hepatobiliary) / Mestrado / Clinica Medica / Mestra em Clínica Médica

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Fatty acid amide hydrolase (FAAH) terminates the endocannabinoid signaling pathway that regulates numerous neurobehavioral processes in animals by hydrolyzing a class of lipid mediators, N-acylethanolamines (NAEs). Recent identification of an Arabidopsis FAAH homologue (AtFAAH) and several studies, especially those using AtFAAH overexpressing and knock-out lines suggest that a FAAH-mediated pathway exists in plants for the metabolism of endogenous NAEs. Here, I provide evidence to support this concept by identifying candidate FAAH cDNA sequences in diverse plant species. NAE amidohydrolase assays confirmed that several of the proteins encoded by these cDNAs indeed catalyzed the hydrolysis of NAEs in vitro. Kinetic parameters, inhibition properties, and substrate specificities of the plant FAAH enzymes were very similar to those of mammalian FAAH. Five amino acid residues determined to be important for catalysis by rat FAAH were absolutely conserved within the plant FAAH sequences. Site-directed mutation of each of the five putative catalytic residues in AtFAAH abolished its hydrolytic activity when expressed in Escherichia coli. Contrary to overexpression of native AtFAAH in Arabidopsis that results in enhanced seedling growth, and in seedlings that were insensitive to exogenous NAE, overexpression of the inactive AtFAAH mutants showed no growth enhancement and no NAE tolerance. However, both active and inactive AtFAAH overexpressors displayed hypersensitivity to ABA, suggesting a function of the enzyme independent of its catalytic activity toward NAE substrates. Yeast two-hybrid screening identified Arg/Ser-rich zinc knuckle-containing protein as a candidate protein that physically and domain-specifically interacts with AtFAAH and its T-DNA knock-out Arabidopsis was hypersensitive to ABA to a degree similar to AtFAAH overexpressors. Taken together, AtFAAH appears to have a bifurcating function, via NAE hydrolysis and protein-protein interaction, to control Arabidopsis growth and interaction with phytohormone signaling pathways. These studies help to functionally define the group of enzymes that metabolize NAEs in plants, and further will expand the knowledge-base of lipid metabolism and signaling for manipulation of various physiological processes important to plant growth and responses to environmental stress.

Orientador: Fabio Marcio Squina, Roberto Ruller / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-22T02:46:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hoffmam_ZairaBruna_M.pdf: 4922807 bytes, checksum: df6edae9e54a10424f07783fcf889151 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O etanol de segunda geração, produzido a partir dos polissacarídeos da biomassa lignocelulósica, apresenta-se como uma alternativa promissora para tornar a matriz energética brasileira sólida e, em grande parte, renovável. A biomassa é composta basicamente por celulose, hemicelulose e lignina. Celulose e hemicelulose devem ser hidrolisadas a açúcares monoméricos fermentescíveis para produzir etanol. Entretanto, a tarefa de propor um processo enzimático de hidrólise eficiente e de baixo custo com a finalidade de sacarificar a biomassa é desafiadora, pois os polissacarídeos que a compõem são complexos e recalcitrantes. Embora as hemiceluloses representem cerca de 30% dos açúcares do bagaço da cana-de-açúcar, uma das biomassas mais promissoras para a produção de etanol de segunda geração no Brasil, ainda poucos estudos são direcionados ao estudo da sacarificação dessa fração de polissacarídeos. Hemicelulases são glicosídeo hidrolases que catalisam a hidrólise dos polissacarídeos hemicelulósicos, e que em atuação sinérgica com celulases promove a hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar de maneira mais eficiente que as classes de enzimas isoladamente. A primeira parte dessa dissertação apresenta a caracterização bioquímica e biofísica de uma arabinofuranosidase GH51 do micro-organismo Bacillus subtilis 168. ?-L-arabinofuranosidases são hemicelulases que hidrolisam terminais não redutores de polissacarídeos contendo arabinose. A AbfA mostrou-se robusta, atuando numa ampla faixa de temperatura, e capaz de liberar monômeros de arabinose hidrolisando 1,5-?-L-arabinoheptaose a partir da extremidade não-redutora. A análise dos dados de SAXS combinada com simulações de dinâmica molecular mostrou que a AbfA em solução é hexamérica, com cada subunidade contendo uma molécula com domínio catalítico em enovelado na forma de barril (?/?)8 seguido por um domínio acessório ?-sandwich. Esses dados evidenciam que a estrutura quaternária pode ser importante para o desempenho de atividade das arabinofuranosidases da família 51. A segunda parte da dissertação aborda uma avaliação da influência dos domínios de ligação a carboidratos na atividade de xilanases mesofílicas e termofílicas. Xilanases são hemicelulases que catalisam a hidrólise de ligações endo-1,4-?-D-xilosídicas na molécula de xilano. Fusões gênicas uniram end-to-end um CBM6 de Clostridium thermocellum aos domínios catatalíticos xilanásicos das enzimas GH10 termofílica (de Thermotoga petrophila) e GH11 mesofílica (de Bacillus subtilis 168). O CBM6 alterou o padrão de hidrólise das quimeras termofílicas e aumentou a constante de eficiência da quimera mesofílica, quando comparadas as enzimas nativas respectivas. Além disso, na hidrólise da biomassa da cana-de-açúcar a xilanase quimérica mesofílica suplementou o coquetel comercial Accellerase 1500, liberando mais açúcares redutores. Dessa forma a fusão ao CBM6 mostrou-se uma alternativa para construir enzimas com melhor desempenho cinético / Abstract: The second generation ethanol, produced from lignocellulosic biomass polysaccharides, presents itself as a promising alternative to make the Brazilian energy matrix solid and largely renewable. Biomass is composed mainly of cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose and hemicellulose must be hydrolyzed in fermentable monomeric sugars to produce ethanol. However, the task of proposing a process for enzymatic hydrolysis efficient and low cost in order to saccharify the biomass is challenging because its polysaccharides are complex and recalcitrant, so it requires the presence of several different catalytic activities for hydrolysis. Although hemicelluloses represent about 30% of sugars from sugarcane bagasse, one of the most promising biomass for the production of second generation ethanol in Brazil, few studies are directed to the saccharification study of this polysaccharidic fraction. Hemicellulases are glycoside hydrolases that catalyze the hydrolysis of hemicellulosic polysaccharides and works synergistically with cellulases promoting the hydrolysis of sugarcane bagasse more efficiently than each one class of enzymes alone. The first part of this dissertation presents the biochemistry and biophysics characterization of a GH51 arabinofuranosidase from microorganism Bacillus subtilis 168. ?-Larabinofuranosidases are hemicellulases that hydrolyze linkages in terminal nonreducing ends of polysaccharides containing arabinose. The AbfA showed itself robust, working in a wide temperature range, and able to release arabinose monomers hydrolyzing 1,5-?-L-arabinoheptaose from the non-reducing end. The analysis of SAXS data in combination with molecular dynamics simulations showed that AbfA solution is hexameric, with each subunit containing a molecule with catalytic domain coiled in the form of barrel (?/?)8 followed by a ?-sandwich domain accessory. These results evidence and corroborate data that the quaternary structure may be important for the activity of GH51 arabinofuranosidases family. The second part of the thesis adresses an evaluation of the influence of carbohydratebinding modules, non-catalytic domains of polysaccharides recognition, in the activity of mesophilic and thermophilic xylanases. Xylanases are hemicellulases that catalyze the hydrolysis of endo-1 ,4-?-D-xylosidic linkages in xylan molecule. Gene fusions joined end-to-end a CBM6 from Clostridium thermocellum to catalytic xylanasic domains of enzymes thermophilic GH10 (from Thermotoga petrophila) and mesophilic GH11 (from Bacillus subtilis 168). The CBM6 changed the hydrolysis pattern of thermophilic chimeras increased the efficiency constant of mesophilic chimera, when compared to the respective native enzymes. Furthermore, in the sugarcane biomass hydrolysis mesophilic chimeric xylanase supplemented the commercial cocktail Accellerase 1500, releasing more reducing sugars. In conclusion, the CBM6 fusion proved itself an alternative to construct enzymes with better kinetic performance / Mestrado / Bioquimica / Mestra em Biologia Funcional e Molecular

Orientadores: Glaucia Maria Pastore, Fábio Márcio Squina / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-22T10:16:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_JunioCota_D.pdf: 6755717 bytes, checksum: 8ce3ba1fb6b01179b70462bf26349499 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Atualmente há uma crescente demanda para o desenvolvimento de combustíveis não-fósseis alternativos. Assim, como a biomassa lignocelulósica é uma das fontes de energia mais abundantes na natureza, pode ser estabelecida uma economia verde e sustentável, com o objetivo de processar a grande quantidade de energia estocada nessas matérias-primas. O etanol de cana-de-açúcar é uma das melhores opções em biocombustíveis e sua produção pode mais que dobrar, se os açúcares constituintes da parede celular vegetal forem utililizados. No entanto, o alto custo de produção das enzimas para hidrolisar e processar os materiais lignocelulósicos é um fator altamente limitante para o uso de tecnologias verdes. Este trabalho se propôs a avaliar novos biocatalisadores e construir uma enzima quimérica na tentativa de obter glicosidases com melhor desempenho que as já relatadas. Enzimas despolimerizadoras de ß-1,3-glucanos têm consideráveis aplicações biotecnológicas, incluindo produção de biocombustíveis, insumos químicos e farmacêuticos. No segundo capítulo, mostramos a caracterização funcional e a estrutura de baixa resolução da laminarase hipertermofílica de Thermotoga petrophila (TpLam), além de seu modo de operação por eletroforese capilar de zona, mostrando que ela cliva especificamente ligações ß-1,3-glucosídicas internas. O dicroismo circular (CD) UV-distante demonstrou que TpLam é formada principalmente por elementos estruturais do tipo beta, e a estrutura secundária é preservada após incubação por 16 horas a 90 º C. A forma determinada pelo pequeno espalhamento de raios-X a baixo ângulo revelou uma arquitetura de multi-domínio da enzima, com um arranjo de envelope em forma de V, no qual os dois módulos de ligação de carboidrato estão ligados ao domínio catalítico. A engenharia de enzimas multifuncionais pode melhorar coquetéis enzimáticos para tecnologias emergentes de biocombustíveis. Dinâmica molecular através de modelos baseados em estrutura (SB) é uma ferramenta eficaz para avaliar a disposição tridimensional das enzimas quiméricas, bem como para inferir a viabilidade funcional antes da validação experimental. No terceiro capítulo, descrevemos a montagem computacional de uma quimera bifuncional xilanase-liquenase (XylLich), usando os genes xynA e bglS de Bacillus subtilis. As análises in silico da área de superfície acessível ao solvente (SAS) e da raiz quadrada média das flutuações (RMSF) previram uma quimera completamente funcional, ou seja, uma enzima cujo substrato tem acesso ao seu sítio catalítico com pequenas flutuações e variações ao longo das cadeias polipeptídicas. A quimera preservou as características bioquímicas das enzimas parentais, com exceção de uma pequena variação na temperatura de operação e na eficiência catalítica (kcat / Km). Também foi verificado ausência de mudanças significativas no modo de operação catalítico. Além disso, a produção de enzimas quiméricas pode ser mais rentável do que a produção de uma única enzima separadamente, comparando-se o rendimento da produção de proteína recombinante e a atividade hidrolítica da enzima quimérica com as enzimas parentais. ß-Glicosidases (BGLs) são enzimas muito úteis e com grande potencial para serem empregadas em diversos processos industriais. Entretanto, algumas características são essenciais para tornar viáveis as aplicações, como por exemplo estabilidade à temperatura e ao pH, bem como baixa inibição por íons e outros compostos químicos. Assim, no quarto capítulo buscamos estudar três BGLs dos organismos extremófilos Pyrococcus furiosus e Thermotoga petrophila. Os genes PfBgl1, TpBgl1 and TpBgl3 foram clonados no vetor pET28a e as proteínas expressadas em Escherichia coli e posteriormente purificadas em duas etapas cromatográficas. As enzimas purificadas foram avaliadas quanto ao pH e temperatura de atividade, sendo que as BGLs da família GH1 (PfBgl1 e TpBgl1) apresentaram faixas mais largas de pH e temperatura de operação do que a família GH3 (TpBgl3). As BGLs mostraram grande estabilidade ao pH e o maior tempo de meia-vida (a 99 ° C) foi verificado no pH 6, e além disso, não foram significativamente afetadas pela presença de EDTA ou de íons, exceto a TpBgl1 que foi inibida por Hg2+ e Fe2+. As atividades específicas para um conjunto de diferentes substratos sugeriram que TpBgl3 é mais específica que as BGLs GH1. O kcat e kcat / Km em 4-nitrofenol-ß-D-glicopiranosídeo (pNPG) indicam que TpBgl3 é a mais eficiente para hidrólise do substrato, embora seja a enzima que foi inibida com a menor concentração de glicose (30.1 mM). Além disso, as BGLs foram analisadas quanto à influência de seis monossacarídeos na catálise, e demonstraram serem fracamente inibidas pela maioria dos açúcares testados. Os ensaios de CD UV-distante revelaram que a estrutura secundária das BGLs não é afetada pelas variações de pH, e os estudos de desnaturação térmica evidenciaram que as BGLs são proteínas hipertermofílicas / Abstract: There is an increasing demand for the development of alternative non-fossil fuels. Thus, since the lignocellulosic biomass is the most abundant source in nature, it may be settled a green and sustainable economy, aiming to process the great amount of energy stocked in these raw materials. The ethanol from sugarcane is one of the best options concerning biofuels and its productivity could be raised more than double if the use of sugars constituents of plant cell wall is considered. However the high production cost of the enzymes to hydrolyze and process lignocellulose is a great limiting factor for green technologies. In this way, this work proposed to evaluate new enzymes and engineer a chimeric enzyme in the attempt to prospect glycosyl hydrolases with better performance than those reported up to date. 1,3-ß-Glucan depolymerizing enzymes have considerable biotechnological applications including the production of biofuels, feedstock-chemicals and pharmaceuticals. In the first chapter we showed the comprehensive functional characterization and low-resolution structure of hyperthermophilic laminarase from Thermotoga petrophila (TpLam), besides its mode of operation through capillary zone electrophoresis, which specifically cleaves internal ß-1,3-glucosidic bonds. Far-UV circular dichroism demonstrated that LamA is formed mainly by beta structural elements, and the secondary structure is maintained after incubation up to 16 hours at 90ºC. The structure determined by small angle X-ray scattering revealed a multi-domain structural architecture of the enzyme with a V-shape envelope arrangement of the two carbohydrate binding modules in relation to the catalytic domain. Multifunctional enzyme engineering can improve enzyme cocktails for emerging biofuel technology. Molecular dynamics through structure-based models (SB) is an effective tool for assessing the tridimensional disposal of chimeric enzymes as well as for inferring the functional practicability before experimental validation. In the second chapter we describe the computational design of a bifunctional xylanase-lichenase chimera (XylLich) using the xynA and bglS genes from Bacillus subtilis. In silico analysis of the average surface accessible area (SAS) and the root mean square fluctuation (RMSF) predicted a fully functional chimera, i.e. the substrate has access to the catalytic pocket with minor fluctuations and variations along the polypeptide chains. The chimera preserved the biochemical characteristics of the parental enzymes, with the exception of a slight variation in the temperature of operation and the catalytic efficiency (kcat/Km). The absence of substantial shifts in the catalytic mode of operation was also verified. Furthermore, the production of chimeric enzymes could be more profitable than producing a single enzyme separately, based on comparing the recombinant protein production yield and the hydrolytic activity achieved for XylLich with that of the parental enzymes. ß-Glucosidases (BGLs) are very useful enzymes with a great potential to be employed in several industrial processes. However, some features are required to become viable the enzyme applications, such as temperature and pH stability as well, low ions and chemicals inhibition. Thus this work aimed to study three BGLs from the extremophiles organisms Pyrococcus furiosus and Thermotoga petrophila. The genes PfBgl1, TpBgl1 and TpBgl3 were cloned into pET28a vector and the proteins were expressed in Escherichia coli and further purified in two chromatographic steps. The purified enzymes were evaluated for pH and temperature of activity, which showed that BGLs from the glycosyl hydrolases family 1 (PfBgl1, TpBgl1) presented a wider range of pH and temperature operation than BGL from family 3 (TpBgl3). The BGLs showed great stability to a range of pH (4-10) and the highest time of half-life (at 99 °C) was at pH 6, besides they were not significantly affected by the presence of EDTA or ions, except TpBgl1 that was inhibited by Hg2+ and Fe2+. The specific activities in a set of different substrates suggested that TpBgl3 is more specific than GH1 BGLs. The kcat and kcat/Km in pNPG indicate that TpBgl3 is the most efficient among BGLs characterized herein, although this enzyme is inhibited with the lowest glucose concentration (30.1 mM). Furthermore, the BGLs were assayed for influence of six monosaccharides in catalysis, which the results suggested a weak inhibition by the most of those carbohydrates tested. The CD experiments revealed that the secondary structure of BGLs is not affected by the pH variations and the denaturation studies evidenced that the BGLs are indeed hyperthermophilic / Doutorado / Ciência de Alimentos / Doutor em Ciência de Alimentos