Este tese descreve métodos para a purificação e determinação da massa molecular do precursor da luciferina fúngica, a partir dos corpos de frutificação do fungo bioluminescente Neonothopanus gardneri. A molécula em questão é o substrato da primeira etapa da reação enzimática responsável pela emissão de luz em fungos, fenômeno conhecido como bioluminescência. Ao longo do projeto, foi otimizado um ensaio analítico qualitativo para detecção do precursor da luciferina em solução, e também foram desenvolvidos métodos de extração e purificação da molécula de interesse, levando sempre em consideração a baixa quantidade da molécula disponível in vivo e a susceptibilidade de degradação da molécula quando exposta a oxigênio, luz e pH extremos. Após estabelecer diversas condições cromatográficas para a purificação do precursor da luciferina, foi possível correlacionar uma molécula de massa molecular 246,05 u com uma atividade positiva no ensaio analítico qualitativo para detecção da luciferina em solução. Posteriormente, foi descoberto por um grupo russo que o precursor da luciferina tinha massa molecular 246,05 u e fórmula molecular C13H10O5. Também foram realizados experimentos a fim de corroborar a estrutura molecular do produto da reação de emissão de luz em fungos, assim como determinar o seu mecanismo de formação. / This thesis describes methods for purification and determination of molecular mass of fungal luciferin precursor from fruiting bodies of bioluminescent fungus Neonothopanus gardneri. The molecule it is the substrate of enzymatic reaction first step responsible for light emission in fungi, phenomenon known as bioluminescence. During PhD, it was optimized a qualitative assay in order to detect the luciferin precursor in solutions and also were developed methods for extraction and purification of the molecule of interest, always considering the low amount of molecule available in vivo and the susceptibility of molecule degradation when exposed to oxygen, light and extremes pH\'s. After establishing several chromatographic conditions for purification of luciferin precursor, it was possible to correlate a molecule with molecular mass of 246.05 u with a positive activity in the qualitative analytical assay. Later, a Russian group describe that the precursor of luciferin had molecular mass 246.05 u and molecular formula C13H10O5. Experiments were also performed in order to corroborate the molecular structure of the reaction product of light emission in fungi as well as determine its formation mechanism.

Esta tese descreve como é possível obter emissão de luz in vitro enzimaticamente, a partir de extratos quente e frio de diferentes espécies de fungos bioluminescentes, o que indica também um mecanismo comum de bioluminescência em todos esses organismos. Dados cinéticos sugerem um mecanismo enzimático em duas etapas e corroboram a hipótese enzimática de Airth e Foerster, da década de 1960. Finalmente, utilizando-se extratos quente e frio foi possível também isolar a luciferina fúngica e obter sua massa molecular (298,1837 m/z). Essa substância isolada emite luz enzimaticamente in vitro, sendo que a sobreposição do espectro de emissão e do espectro de bioluminescência do fungo confirma que essa substância é a luciferina fúngica. / This thesis describes how in vitro light emission can be enzymatically obtained from the hot and cold extracts assay using different species of fungi, which also indicates a common mechanism of light emission for all these organisms. Kinetic data suggest a consecutive two-step mechanism and corroborate the 1960\'s enzymatic proposal of Airth and Foerster. Finally, using hot and cold extracts assay we were also able to purify and to determine the molecular weight of the fungal luciferin (298.1837 m/z). The isolated substance emits light enzymatically in vitro, whose light emission spectrum matches with the fungal bioluminescence one thus confirming that the substance is the fungal luciferin

Este tese descreve métodos para a purificação e determinação da massa molecular do precursor da luciferina fúngica, a partir dos corpos de frutificação do fungo bioluminescente Neonothopanus gardneri. A molécula em questão é o substrato da primeira etapa da reação enzimática responsável pela emissão de luz em fungos, fenômeno conhecido como bioluminescência. Ao longo do projeto, foi otimizado um ensaio analítico qualitativo para detecção do precursor da luciferina em solução, e também foram desenvolvidos métodos de extração e purificação da molécula de interesse, levando sempre em consideração a baixa quantidade da molécula disponível in vivo e a susceptibilidade de degradação da molécula quando exposta a oxigênio, luz e pH extremos. Após estabelecer diversas condições cromatográficas para a purificação do precursor da luciferina, foi possível correlacionar uma molécula de massa molecular 246,05 u com uma atividade positiva no ensaio analítico qualitativo para detecção da luciferina em solução. Posteriormente, foi descoberto por um grupo russo que o precursor da luciferina tinha massa molecular 246,05 u e fórmula molecular C13H10O5. Também foram realizados experimentos a fim de corroborar a estrutura molecular do produto da reação de emissão de luz em fungos, assim como determinar o seu mecanismo de formação. / This thesis describes methods for purification and determination of molecular mass of fungal luciferin precursor from fruiting bodies of bioluminescent fungus Neonothopanus gardneri. The molecule it is the substrate of enzymatic reaction first step responsible for light emission in fungi, phenomenon known as bioluminescence. During PhD, it was optimized a qualitative assay in order to detect the luciferin precursor in solutions and also were developed methods for extraction and purification of the molecule of interest, always considering the low amount of molecule available in vivo and the susceptibility of molecule degradation when exposed to oxygen, light and extremes pH\'s. After establishing several chromatographic conditions for purification of luciferin precursor, it was possible to correlate a molecule with molecular mass of 246.05 u with a positive activity in the qualitative analytical assay. Later, a Russian group describe that the precursor of luciferin had molecular mass 246.05 u and molecular formula C13H10O5. Experiments were also performed in order to corroborate the molecular structure of the reaction product of light emission in fungi as well as determine its formation mechanism.

Esta tese descreve como é possível obter emissão de luz in vitro enzimaticamente, a partir de extratos quente e frio de diferentes espécies de fungos bioluminescentes, o que indica também um mecanismo comum de bioluminescência em todos esses organismos. Dados cinéticos sugerem um mecanismo enzimático em duas etapas e corroboram a hipótese enzimática de Airth e Foerster, da década de 1960. Finalmente, utilizando-se extratos quente e frio foi possível também isolar a luciferina fúngica e obter sua massa molecular (298,1837 m/z). Essa substância isolada emite luz enzimaticamente in vitro, sendo que a sobreposição do espectro de emissão e do espectro de bioluminescência do fungo confirma que essa substância é a luciferina fúngica. / This thesis describes how in vitro light emission can be enzymatically obtained from the hot and cold extracts assay using different species of fungi, which also indicates a common mechanism of light emission for all these organisms. Kinetic data suggest a consecutive two-step mechanism and corroborate the 1960\'s enzymatic proposal of Airth and Foerster. Finally, using hot and cold extracts assay we were also able to purify and to determine the molecular weight of the fungal luciferin (298.1837 m/z). The isolated substance emits light enzymatically in vitro, whose light emission spectrum matches with the fungal bioluminescence one thus confirming that the substance is the fungal luciferin

A bioluminescência desperta o interesse humano há muitos séculos. Presente em quatro dos sete reinos taxonômicos, Monera, Chromista, Animalia e Fungi, cada um com mecanismos muito diferentes. Pode-se dizer que o estudo químico da bioluminescência começou com os experimentos de Dubois no século XIX, que cunhou os termos luciferina e luciferase, termos genéricos para o substrato e enzima envolvidos na reação, respectivamente. No caso específico de fungos, o envolvimento de enzimas foi debatido por quase cinco décadas, após a proposta enzimática de Airth e Foerster na década de 1960 e a não enzimática por Shimomura, em 1989. Somente em 2009 a hipótese de Airth e Foerster foi confirmada pelo nosso grupo, seguido da identificação da luciferina fúngica e o envolvimento de hispidina, como molécula precursora, em 2015 pelo grupo de Yampolsky. Para conseguir elucidar mecanismos químicos, a técnica de espectrometria de massas pode ser empregada para a identificação estrutural de reagentes e intermediários destas e de outras reações orgânicas. Após a confirmação do envolvimento de hispidina na bioluminescência de fungos, utilizou-se a técnica de cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massas para identificar a presença de hispidina, seus derivados e intermediários precursores, em fungos e em algumas plantas. / Bioluminescence arises human interest for centuries. Occurring in four of seven taxonomical Kingdoms, Monera, Chromista, Animalia and Fungi, each of them with completely different mechanisms. The chemical study of bioluminescence starts in XIX century with Dubois, who coined the terms luciferin and luciferase, generic terms for substrate and enzyme involved in the bioluminescent reaction, respectively. In the specific case of fungi, enzyme involvement has been debated for almost five decades, after the enzymatic proposal by Airth and Foerster, during the 1960 decade, and the non-enzymatic proposal by Shimomura in 1989. It was only in 2009 when the proposal by Airth and Foerster was confirmed by our group, followed by the identification of the fungal luciferin and the involvement of hispidin, as the precursor molecule, in 2015 by Yampolskys group. To elucidate the chemical mechanisms, mass spectrometry can be employed to structural identification of reagents and intermediates on these and other organic reactions. After the confirmation of hispidin involvement in fungi bioluminescence, liquid chromatography coupled with mass spectrometry was uses do identify the presence of hispidin, its derivatives and precursor intermediates in fungi and selected plants.

A bioluminescência desperta o interesse humano há muitos séculos. Presente em quatro dos sete reinos taxonômicos, Monera, Chromista, Animalia e Fungi, cada um com mecanismos muito diferentes. Pode-se dizer que o estudo químico da bioluminescência começou com os experimentos de Dubois no século XIX, que cunhou os termos luciferina e luciferase, termos genéricos para o substrato e enzima envolvidos na reação, respectivamente. No caso específico de fungos, o envolvimento de enzimas foi debatido por quase cinco décadas, após a proposta enzimática de Airth e Foerster na década de 1960 e a não enzimática por Shimomura, em 1989. Somente em 2009 a hipótese de Airth e Foerster foi confirmada pelo nosso grupo, seguido da identificação da luciferina fúngica e o envolvimento de hispidina, como molécula precursora, em 2015 pelo grupo de Yampolsky. Para conseguir elucidar mecanismos químicos, a técnica de espectrometria de massas pode ser empregada para a identificação estrutural de reagentes e intermediários destas e de outras reações orgânicas. Após a confirmação do envolvimento de hispidina na bioluminescência de fungos, utilizou-se a técnica de cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massas para identificar a presença de hispidina, seus derivados e intermediários precursores, em fungos e em algumas plantas. / Bioluminescence arises human interest for centuries. Occurring in four of seven taxonomical Kingdoms, Monera, Chromista, Animalia and Fungi, each of them with completely different mechanisms. The chemical study of bioluminescence starts in XIX century with Dubois, who coined the terms luciferin and luciferase, generic terms for substrate and enzyme involved in the bioluminescent reaction, respectively. In the specific case of fungi, enzyme involvement has been debated for almost five decades, after the enzymatic proposal by Airth and Foerster, during the 1960 decade, and the non-enzymatic proposal by Shimomura in 1989. It was only in 2009 when the proposal by Airth and Foerster was confirmed by our group, followed by the identification of the fungal luciferin and the involvement of hispidin, as the precursor molecule, in 2015 by Yampolskys group. To elucidate the chemical mechanisms, mass spectrometry can be employed to structural identification of reagents and intermediates on these and other organic reactions. After the confirmation of hispidin involvement in fungi bioluminescence, liquid chromatography coupled with mass spectrometry was uses do identify the presence of hispidin, its derivatives and precursor intermediates in fungi and selected plants.

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.

Orientador: Prof. Dr. Luiz Francisco Monteiro Leite Ciscato / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2017. / A reação de produção de luz pelo vaga-lume envolve a oxidação enzimática da Dluciferina, um composto que contém dois anéis tiazólicos; a formação desta D-luciferina em meio biológico acontece por um processo envolvendo a reação de D-cisteína com 2-ciano-6- hidroxibenzotiazol, uma reação de mecanismo ainda desconhecido. Esta reação tem sido empregada na formação eficiente de conjugados entre duas moléculas de atividade biológica distintas, de maneira muito eficiente, e permite o desenvolvimento racional de bioconjugados altamente específicos. A proposta mecanística atual apresenta várias lacunas, principalmente quanto às etapas de catálise básica e de ciclização, porém a eficiência da reação em meio aquoso básico é inequívoca. A determinação do mecanismo operando nesta transformação na condição aquosa básica, além de solucionar um problema mecanístico de relevância biológica, pode levar ao desenvolvimento de novos processos eficientes de formação de bioconjugados em meio aquoso. / The reaction involved in the light emission by firefly involves the oxidation of Dluciferin, a compound containing two thiazolic rings; the formation of D-luciferin in biological media involves the coupling between D-cysteine and 2-cyano-6- hidroxibenzotiazol, a reaction with a undetermined mechanism. Althought, this reaction has been used in efficient generation of conjugates between two molecules of biological activity, allowing the rational development of bioconjugates with high specificity. The proposed mechanistic pathway has many deficiencies, particularly in relation to the stages of basic catalysis and cyclization; however, the efficiency of reaction in aqueous basic media is unequivocal. The determination of the mechanism operating in this transformation in aqueous conditions, in addition to solving a problem of mechanistical relevance, can lead to the development of new efficient processes of formation of specific bioconjugates.