Orientadora : Profª. Drª. Leda Satie Chubatsu / Coorientador : Dr. Helisson Faoro / Coorientador : Dr. Marco Aurélio Shüler de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciências : Bioquímica. Defesa: Curitiba, 20/03/2015 / Inclui referências : f. 57-68 / Resumo: A análise de 192 clones previamente isolados de uma biblioteca metagenômica construída a partir de uma amostra de solo contaminado com gordura animal levou a escolha de 12 clones com atividade lipolítica na presença de tributirina 1%, trioctanoína 1% ou trioleína 1%. Os fosmídeos dos 12 clones selecionados foram purificados e fragmentados com as enzimas de restrição BamHI e EcoRI para comparação, indicando diferentes perfis de restrição entre todos eles. Três clones que apresentaram os maiores halos de hidrólise em meio LB-ágar contendo trioleína 1% e foram escolhidos para identificação da lipase. Os fosmídeos destes três clones foram digeridos com a enzima EcoRI para a construção de sub-bibliotecas metagenômicas em vetor pUC19. Os clones obtidos de cada sub-biblioteca foram submetidos a uma nova triagem nos meios de cultura contendo triacilgliceróis a fim de identificar aqueles com atividade lipolítica. A partir do sequenciamento desses clones foram identificados genes que codificam para uma lipase e sua chaperona. O gene para lipase apresenta 903 pb, codificando para uma proteína de 301 aminoácidos. Um possível peptídeo sinal foi localizado na porção N-terminal da proteína. O gene para a chaperona encontra-se a jusante do gene da lipase, apresentando 741 pb e codificando uma proteína de 247 aminoácidos. Análises mostraram alta similaridade com proteínas não caracterizadas de Aeromonas hidrophyla. Oligonucleotídeos iniciadores foram construídos permitindo a amplificação dos genes isolados neste trabalho. Palavras-chave: Metagenômica, Lipase, Lipase bacteriana / Abstract: Analysis of 192 clones previously isolated from a metagenomic library constructed from a soil sample contaminated with animal fat led to selection of 12 clones with lipolytic activity in the presence of 1% tributyrin, 1%trioctanoin, or 1% triolein. The fosmids from the 12 selected clones were purified and fragmented with the restriction enzymes BamHI and EcoRI for comparison, showing different restriction profiles. Three clones that showed the largest hydrolysis halos in LB agar containing 1% triolein were chosen for lipase identification. These fosmids were digested with EcoRI in order to construct sub-metagenomic DNA libraries into the pUC19 vector. Clones obtained from each sub-library were subjected to screening in a new culture medium containing triacylglycerols in order to identify those with lipolytic activity. By sequencing, we have identified genes encoding a lipase and a chaperone were identified. The lipase gene has 903bp, encoding for a protein with 301 amino acid. A putative signal peptide is located at N-terminal portion of this protein. The chaperone gene is located downstream of the lipase gene showing a 741bp encoding for a 247 amino acid protein. Analysis also showed high similarity to uncharacterized proteins of Aeromonas hidrophyla. Oligonucleotide primers were constructed allowing the amplification of the genes isolated in this work which will allow the characterization of these proteins upon over-expression. Key-words: Metagenome, lipase, bacterial lipase.

Made available in DSpace on 2016-03-04T14:01:27Z (GMT). No. of bitstreams: 2 rafael_cuadrat_ioc_dout_2014.pdf: 4008307 bytes, checksum: f638f1e7b8458c6f20d884b710ddaf75 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro, RJ, Brasil / Os ambientes marinhos cobrem cerca de 70% da superfície do planeta. Esses habitats apresentam uma grande variabilidade de temperatura, pressão e salinidade, abrigando uma vasta biodiversidade microbiana, pertencentes aos 3 domínios da vida (Archaea, Bacteria e Eukarya). Estes microrganismos representam até 98% da produção primária destes ambientes representando grande potencial para exploração e descoberta de novos compostos naturais de interesse para a indústria farmacêutica e da biotecnologia. Entretanto, apenas cerca de 1% dos microrganismos podem ser cultivados com as técnicas atuais utilizando-se meios de cultura em laboratório. Com objetivo de contornar esta limitação, estudos de metagenômica vem sendo conduzidos para analisar amostras de diferentes ambientes, incluindo ambientes aquáticos como rios, lagos e regiões costeiras ou de oceano aberto. No presente estudo, foram avaliados a diversidade taxonômica e o potencial metabólico de uma amostra (fracionada em duas por filtração, nomeadas: amostra E \2013 retida na membrana de 0,8 \03BCm e amostra P \2013 retida na membrana de 0,22 \03BCm) coletada na Praia dos Anjos (Arraial do Cabo \2013 RJ), um ambiente de grande interesse por ser afetado pelo fenômeno da ressurgência, além de sofrer impacto antrópico (turismo e pesca). Foram também triados genes do metabolismo secundário (PKS e NRPS) de microrganismos através de pirosequenciamento do DNA total da comunidade Um total de 651.083 e 542.647 sequências de nucleotídeos (reads) foram obtidas das amostras P e E, respectivamente. As sequências obtidas foram analisadas através de similaridade com bancos de sequências públicas (Genbank) utilizando o pacote BLAST e o programa MEGAN para classificação taxonômica baseada no algoritmo do Último Ancestral Comum (LCA). O filo mais abundante nas duas amostras foi Proteobacteria, seguido por Bacteroidetes e Cyanobacteria (este último principalmente na amostra E). Membros do clado Roseobacter (principalmente gêneros Roseobacter e Ruegeria) foram encontrados em alta abundância nas duas amostras, porém a dominância é maior na amostra P (representando até 29% dos gêneros identificados). Através de modelos HMM (do inglês \201CHidden Markov Models\201D), foram triadas sequências de domínios conservados ceto-acil sintase - KS e domínio de condensação \2013 C, de enzimas PKS e NRPS, respectivamente. Um total de 84 sequências de KS e 46 sequências de domínio C foram encontradas nas duas amostras, mostrando o potencial deste ambiente para a descoberta de novos compostos de interesse para a indústria Adicionalmente, a abundância e diversidade de bactérias aeróbias fotossintetizantes anoxigênicas (AAP) no metagenoma de Arraial do Cabo e em metagenomas públicos do projeto GOS foi investigada através de uma metodologia in silico utilizando perfis de modelos ocultos de markov (pHMM) para triar os genes do núcleo de reação da fotossíntese anoxigênica (pufM e pufL), além do gene bchX, e através destes estimar a abundância e diversidade de AAPs em metagenomas. A amostra de maior abundância em AAPs foi a amostra P de Arraial do Cabo, com aproximadamente 23,88% do total de células presentes na amostra. Das 10 amostras do GOS mais abundantes em AAPs, 8 (80%) foram obtidas de regiões próximas a linha do equador. Foi possível classificar as sequências de pufM em filogrupos, mostrando alta abundância do filogrupo G (clado das Roseobacter) em Arraial do Cabo. Este filogrupo se mostrou o mais cosmopolita, presente em 11 das 12 (91,66%) amostras analisadas. Os resultados nos permitiram concluir que o ambiente estudado foi afetado pelo fenômeno da ressurgência, e a amostra foi coletada após o bloom do fictoplanton / The marine environments cover ~70% of the Earth's surface. These habitats present great variability of temperature, pressure and salinity, harboring a wide range of microorganisms from the three domains of life (Archaea, Bacteria and Eukarya) which are responsible for ~98% of the marine primary production. This huge biodiversity represents a great potent ial, as its exploration allows us to discover new enzymes for industrial use. However, only ~1% of the environmental microorganism can be cultivated using culture - dependent approaches. To overcome this limitation, metagenomics studies have been conducted u sing samples for different environments, including aquatic ones like costal seawater, deep seawater, open ocean waters and freshwater from rivers and lagoons. In this work, we explore the taxonomic diversity and the metabolic potential (to find new natural compounds produced by PKS and NRPS enzymes) of the Praia dos Anjos (Angel's Beach), in Arraial do Cabo, Rio de Janeiro, Brazil by pyrosequencing its metagenome. The sample was fractionated by filtration in 2 membranes to separate the eukaryotic (sample E) from prokaryotic communities (sample P). A total of 651,083 and 542,647 reads were obtained for samples P and E, respectively. The obtained sequences were analyzed by similarity using the BLAST package and the MEGAN program, applying the Last Common Ancest ral (LCA) algorithm. The MG - RAST pipeline was used to annotate the genes from the community. The most abundant bacterial phylum present in both samples was Proteobacteria, followed by Bacteroidetes and Cyanobacteria (mainly on sample E). Members of the Ros eobacter clade ( Roseobacter and Ruegeria genus) was abundant in both samples, but in larger abundance on sample P (up to 29% of identified genus) . The keto - acyl synthase (KS) domains from PKSs and condensation domain (C) from NRPS were screened using pHMMs approach. A total of 84 KS sequences and 46 C sequences were obtained from both samples, showing the potential of this environment for the discover y of new compounds. The aerobic anoxygenic phototrophs bacteria (AAP) are photoheterotrophic microorganisms that play important roles on biogeochemical cycles. In oceans, this group is wide ly distributed, however, its abundance and relevance in carbon fixation is poorly understood. In the present work, with the aim to estimate the abundance and diversity of AAPs in the metagenome from Arraial do Cabo, an in silico approach using Hiden Markov Models profiles (pHMM) was developed to screen core genes of anoxygenic photosynthesis ( pufM and pufL ), in addition to chlorophyllide reductase subunit X gene (bchX). The met agenomes from Global Ocean Sample Expedition (GOS) was also screened with comparative purposes. The most abundant sample was sample P from Arraial do Cabo, with ~23.88% of total cells in the sample . The 10 most abundant samples from GOS, in addition to the 2 samples from Arraial do Cabo, were selected to assembl y , ORF extraction and phylogenetic analysis of pufM genes. From the 10 GOS samples, 80% were collected in sites close to the Equador. It w as possible to classify the most of sequences in phylogroups, showing a high abundance of phylogroup G ( Roseobacter clade) in Arraial do Cabo samples. This phylogroup was the most ubiquitous, present on 11 from 12 ( 91.66%) assembled samples.

Orientador : Prof. Fábio Oliveira Pedrosa / Coorientador : Helisson Faoro / Coorientador : Profª. Roseli Wassem / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciências : Bioquímica. Defesa: Curitiba, 27/09/2016 / Inclui referências : f. 24-27;71-75;78-88 / Resumo: A descrição da penicilina revelou que microrganismos eram a fonte primária de muitos produtos naturais com aplicações farmacológicas. Sua bem-sucedida adoção medicamentosa foi seguida por um período prolífico de isolamento de novas drogas obtidas a partir de microrganismos encontrados no ambiente. Entretanto, a velocidade de novas descobertas diminuiu quando se observou que a grande maioria dos microrganismos não era prontamente cultivável em condições laboratoriais, ao mesmo tempo em que os organismos patogênicos alvo das drogas que vinham sendo usadas desenvolviam resistência. Logo ficou evidente que a empreitada deveria buscar novas estratégias. Pesquisadores passaram a estudar novas classes de metabólitos secundários, entre os quais chamou a atenção os produtos das sintetases de peptídeos não-ribossomais (NRPS) e sintases de policetídeos (PKS). Os módulos que compõem esses sistemas enzimáticos são formados por alguns domínios básicos e outros opcionais, que a partir de precursores simples - aminoácidos e acetato, respectivamente - são capazes de sintetizar moléculas com grande variedade estrutural, muitas com atividade biológica igualmente diversa. Outra frente de investigação se aproveitou dos avanços nas técnicas de isolamento e pesquisa independente de cultivo para explorar ambientes antes negligenciados, como o mar, que logo revelou hospedar uma nova gama de microrganismos e produtos derivados. Além de informações funcionais específicas, a exploração eficiente e sustentável desses ambientes exige uma melhor caracterização de suas comunidades microbianas; microrganismos são componentes essenciais de seu funcionamento, mas essa literatura ainda é escassa. Em virtude disso, esse trabalho propôs a investigação do microbioma de sedimentos de mangue da região da Baía de Paranaguá, Paraná, Brasil, através de metagenômica. No primeiro capítulo, usamos técnicas de sequenciamento de amplicons gerados a partir do gene de rRNA 16S para caracterizar a comunidade presente e determinar os fatores ambientais que moldam essa estrutura. Encontramos um predomínio dos filos Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria, Chloroflexi e Acidobacteria, quase todos significativamente afetando as estruturas intralocais. As classes mais abundantes foram Deltaproteobacteria, Gammaproteobacteria e Alphaproteobacteria. Revelamos forte influência da composição química derivada da proximidade do mar, sendo os fatores pH (SMP), H++Al3+, Ca2+, Mg2+, Na+, T, P, Na% e Ca/Mg significativos, mas não encontramos efeito de presença de planta, possibilidade descrita na literatura. Comparamos essa comunidade com a de outros mangues e encontramos similaridades que apontam para um perfil característico dependente de bioma, dominado pelos mesmo filos abundantes encontrados no mangue paranaense. No segundo capítulo, realizamos o sequenciamento shotgun de duas amostras do mangue pertencentes a localizações quimicamente diversas para determinar seu perfil funcional. As funções prevalentes eram relacionadas a subsistemas baseados em formação de cluster, carboidratos, aminoácidos e derivados, e funções variadas. Em níveis hierárquicos mais baixos, a abundância relativa de funções é geralmente balanceada. As diferenças funcionais também se mostraram dependentes de fatores ambientais, mas essa influência é menor do que no perfil taxonômico, o que indica resiliência funcional frente a alterações externas. As similaridades do mangue frente a outros biomas se mostraram mais dependentes de tipo de matriz (onde solo > água) do que de composição química (onde salina > não-salina); as dissimilaridades funcionais também foram menores que as taxonômicas, mas sua intensidade manteve relação com o grau de diferença de ambiente. No terceiro capítulo, o sequenciamento e processamento de amplicons provindos dos domínios A e C de enzimas NRPS, e KS de enzimas PKS, confirmou o mangue estudado como fonte potencial de metabólitos secundários. As medidas de diversidade não mostraram um padrão entre domínios enzimáticos, mas sugerem os melhores grupos para prospecção: verão | localização B para domínios A, inverno | localização B para domínios C, e inverno | localização A para domínios KS. Apesar de muitas sequências encontradas terem sido taxonomicamente afiliadas a gêneros reportadamente envolvidos na síntese desses metabólitos secundários, a descoberta de novos produtores é esperada dado o número de OTUs reportados e a presença de muitas sequências relacionadas a bactérias não caracterizadas. Os resultados apresentados devem servir de base para futuros estudos de prospecção direcionada. / Abstract: The description of penicillin revealed that microorganisms were the primary source of many natural products with pharmacological application. Its successful adoption as a medicament was followed by a prolific period in the isolation of new drugs obtained from microorganisms found in the environment. However, the pace of new discoveries decreased when it was noticed that the vast majority of microorganisms was not readily cultivable in laboratorial conditions, while the pathogenic organisms targeted by drugs in use developed resistance. It soon became evident that the enterprise should try new strategies. Researchers started studying new classes of secondary metabolites, among which much attention was given to the products of non-ribosomal peptide synthetases (NRPS) and polyketide synthases (PKS). The modules building these enzymatic systems are formed by some basic and optional domains, which, from simple precursors - amino acids and acetate, respectively - are able to synthetize molecules with an incredible structural variety, many with equality diverse biological activity. Another front of investigation took advantage of the advances in isolation and cultivation-independent research techniques to explore environments previously neglected, like the ocean, which soon revealed to host a whole new range of microorganisms and derived products. Besides specific functional information, the efficient and sustainable exploration of such environments demands a better characterization of their microbial communities; microorganisms are essential components of their functioning, yet this literature is scarce. Following from these, this work proposed investigating the microbiome of mangrove sediments from the region of Paranaguá Bay, Paraná, Brazil, through metagenomics. In the first chapter, we used 16S rRNA gene-amplicon sequencing to characterize the community present and to determine the environmental factors shaping this structure. We found a predominance of phyla Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria, Chloroflexi and Acidobacteria, almost all significantly affecting the intralocal structures. The most abundant classes were Deltaproteobacteria, Gammaproteobacteria and Alphaproteobacteria. We revealed a strong influence of the chemical composition derived from the proximity to sea, being significant the factors pH (SMP), H++Al3+, Ca2+, Mg2+, Na+, T, P, Na% and Ca/Mg, but we found no plant effect, a possibility described in the literature. We compared this community with those of other mangroves and found similarities that point to a biome-dependent characteristic profile, dominated by the same abundant phyla found in the mangrove from Paraná. In the second chapter, we performed the shotgun sequencing of two mangrove samples from different environments to determine their functional profile. Prevailing functions were related to clustering-based subsystems, carbohydrates, amino acids and derivatives, and miscellaneous functions. In lowest hierarchy levels, the relative abundance of functions is generally balanced. The functional differences were also dependent on environmental factors, but this influence was smaller than in the taxonomic profile, which indicates functional resilience in front of external changes. The similarities of mangroves to other biomes were more dependent on matrix type (where soil > water) than on chemical composition (where saline > nonsaline); the functional dissimilarities were also smaller than the taxonomical, but the intensity kept its relation to the degree of environmental difference. In the third chapter, sequencing and processing of amplicons derived from A and C domains from NRPS, and KS from PKS, confirmed the studied mangrove as a potential source of secondary metabolites. The diversity measures showed no pattern among the enzymatic domains, but suggest the most suitable groups for prospection: summer | location B for A domains, winter | location B for C domains, and winter | location A for KS domains. Even though many sequences were taxonomically affiliated to genera reportedly involved in the production of such secondary metabolites, the discovery of new producers is expected given the number of OTUs reported and the presence of many sequences affiliated to uncharacterized bacteria. The results presented will be the basis for future studies of directed prospection.

Resumo não disponível

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Biologia Celular, Programa de Pós-Graduação em Biologia Microbiana, 2016. / Submitted by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-10-10T12:51:27Z No. of bitstreams: 1 2016_FabyanoAlvaresCardosoLopes.pdf: 5540557 bytes, checksum: 95e36e5e0161f730ccce9a3692059cb5 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-10-10T12:51:59Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_FabyanoAlvaresCardosoLopes.pdf: 5540557 bytes, checksum: 95e36e5e0161f730ccce9a3692059cb5 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-10T12:51:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_FabyanoAlvaresCardosoLopes.pdf: 5540557 bytes, checksum: 95e36e5e0161f730ccce9a3692059cb5 (MD5) Previous issue date: 2017-10-10 / A mensuração da diversidade microbiana é um dos maiores desafios do campo microbiológico, principalmente por problemas metodológicos. Com o avanço de novas metodologias foi possível observar que a diversidade de microrganismos era maior do que se pensava, assim, possibilitando o estudo desse conjunto de microrganismos. O estudo dos genomas de diversos microrganismos contidos em um dado ambiente é denominado de metagenômica. A metagenômica pode ser utilizada para o estudo de diversos tipos de ambientes, como solo, ar, corpo humano, intestino de cupim, entre outros. Dentro dos ambientes estudados pela metagenômica, o ambiente aquático vem sendo alvo de diversos estudos. Apesar de apresentar diversos estudos descrevendo diferentes profundidades e até mesmo diferentes hábitats (esponja, corais por exemplo), ainda existem inúmeros hábitats no ambiente marinho que ainda não possuem estudos focados sobre a microbiota. Diferente do ambiente marinho, trabalhos focados na descrição da microbiota de água doce são escassos. Além disso, apesar de toda sua importância ecológica, diversos desses corpos d’água estão sendo perturbados por atividades antropogênicas, levando à alteração da microbiota. Alguns trabalhos focaram na detecção de biossensores capazes de detectar impactos antropogênicos no meio ambiente. O objetivo de presente trabalho foi contribuir na descrição da comunidade microbiana em ambientes aquáticos. Para atingir essa meta foram realizados dois estudos, o primeiro estudo foi realizar a análise taxonômica e funcional da comunidade bacteriana do rio Paraguaçú na estação de chuva e seca, além de avaliar o efeito de proteção do Parque Nacional da Chapada Diamantina (PNCD) sobre a qualidade da água e da diversidade da microbiota do rio Paraguaçú. Outro estudo realizado foi o primeiro trabalho metagenômico focado em poças de maré. Esse trabalho deu enfoque na descrição do perfil taxonômico e funcional da microbiota das poças de maré situados em Ocean Beach, San Diego, CA, EUA. Ambos ambientes trabalhados possuem um grande potencial biotecnológico e se apresentaram como fundamentais na determinação do perfil da microbiota encontrada. No rio Paraguaçú foi possível observar uma predominância de genes relacionados à degradação de pesticidas (como o Benzoato), enquanto nas poças de maré foi possível observar uma maior abundância de genes relacionados à tolerância a ambientes com alta concentração salina. Novos estudos devem ser realizados para ambos ambientes buscando elucidar melhor os processos que ocorrem nesses ambientes. / Determining the true diversity in a microbial community is one of the biggest challenges in microbiology. The development of new techniques has revealed a higher microbial diversity than what was previously thought and provided a new way to study these organisms. Metagenomics, the study of microbial DNA recovered from specific environments, allows the study of microbial communities in soil, air, human body, and termite gut. Among the environments studied using this approach, water is one of the most important. Each of the two types of water environments (seawater and freshwater) has a specific microbial community. Although previous studies have described microbial communities in different water layers and habitats (e.g. sponge, coral), the microbial communities of several seawater habitats have not been studied, and studies describing microbial communities in freshwater environments are rare. Moreover, ecologically important freshwater environments are being disturbed by anthropogenic activity, which can change the microbial profile. Previous studies have focused on identifying biosensors that can detect anthropogenic impacts on the environment. The aim of this work was to characterize the microbial communities in two water environments, and this objective was developed in two separate studies. The first described taxonomic and functional analyses of the bacterial community in the Paraguaçú River during both wet and dry seasons. Additionally, we evaluated the protective effect of Parque Nacional da Chapada Diamantina (PNCD) on water quality and microbial diversity in this river. The second study was the first metagenomic study of tide pools, in which we described the taxonomic and functional profiles of microbial communities in tide pools at Ocean Beach, San Diego, CA, USA. Both studies describe environments with great biotechnological potential and showed themselves as fundamental factors shaping the microbial communities. For example, in the Paraguaçú River we observed a high abundance of genes encoding enzymes capable of degrading pesticides such as emamectin benzoate, whereas tide pools showed a high abundance of halotolerance genes. Further studies are needed to elucidate processes in both environments.

Orientador : Profª Drª Nadia Krieger / Co-orientadores : Profª Drª Gisella Maria Zanin / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ciências : Bioquímica. Defesa: Curitiba, 04/05/2015 / Inclui referências : f. 140-158 / Resumo: Neste trabalho, uma nova lipase isolada de uma biblioteca metagenômica, LipC12, foi imobilizada e sua aplicação na síntese de ésteres foi estudada. Inicialmente, LipC12, que contém uma cauda composta de 6 histidinas (cauda His) em sua estrutura, foi purificada em coluna de níquel e imobilizada por adsorção em polipropileno em pó (Accurel MP-1000) e em sílica em pó (Celite 545), e por ligação covalente em um copolímero acrílico (Immobead 150) e em uma membrana de polipropileno funcionalizada com glutaraldeído. Preparações com cargas de proteína de 10 mg g-1 (proteína/suporte) foram utilizadas na síntese do oleato de etila em n-hexano, utilizando etanol e ácido oleico numa razão molar (RM) de 3:1. LipC12 imobilizada no Immobead 150 proporcionou uma maior conversão em éster (95% em 4 h). Isto levou à investigação da imobilização de LipC12 diretamente do extrato bruto (EB) no Accurel MP-1000 e Immobead 150. No entanto, Accurel MP-1000 não proporcionou imobilização seletiva de LipC12, sendo a eficiência de imobilização (E) muito baixa (29%), provavelmente devido à imobilização de outras proteínas do EB no suporte. Estudos de saturação do suporte Immobead revelaram que, com carga de proteína de 200 mg g-1 de suporte, o preparado imobilizado (Ibead-EBLipC12) utilizado na síntese do oleato de etila em n-hexano (RM 3:1, 40 °C, 250 rpm) proporcionou conversão em éster de 99% em 60 min. Ibead-EBLipC12 foi reutilizada em 10 ciclos sucessivos de 60 min na mesma reação, obtendo-se conversões acima de 90%. Em seguida, Ibead-EBLipC12 foi utilizada para catalisar reações em sistemas livres de solvente, e na síntese do oleato de etila com RM de 1:1, uma reação modelo para a síntese de ésteres do biodiesel, obteve-se uma conversão de aproximadamente 30%, mas toda a atividade foi perdida em 12 h. No entanto, quando a reação foi repetida com a adição do etanol em seis alíquotas iguais durante a reação, foi encontrada uma conversão em éster de 85% em 48 h. Por outro lado, na síntese do caprilato de etila, um éster de aroma, a conversão foi de apenas 6% após 96 h, mesmo com a adição do etanol em etapas. Na reação de síntese de um lipídio estruturado, utilizando ácido caprílico e azeite de oliva (RM 2:1, 40 °C, 250 rpm) Ibead-LipC12 promoveu a inserção de 23% de ácido caprílico nas posições sn-1 e sn-3 dos triacilgliceróis do azeite de oliva, tornando-o um lipídio estruturado do tipo MLM (ácidos graxos de cadeia média nas posições sn-1,3 e ácido graxo de cadeia longa na posição sn-2). Estes resultados mostram que Ibead-EBLipC12 tem um bom potencial para ser utilizada na síntese enzimática de biodiesel e de lipídios estruturados. Além disso, a possibilidade de imobilizar LipC12 diretamente a partir do extrato bruto de proteínas, evita a necessidade de purificá-la antes da imobilização. Palavras-chave: metagenômica, lipases, LipC12, imobilização, síntese de ésteres, biodiesel, lipídeos estruturados, aromas. / Abstract: In this work, a new metagenomic lipase, LipC12, was immobilized and its characterization and application in the synthesis of esters was studied. Initially, LipC12, which contains a histidine tag (His-tag) in its structure, was purified on a nickel column and immobilized by adsorption on the supports Accurel MP-1000 and Celite 545, and by covalent bonding on Immobead 150 and on a functionalized polypropylene membrane. Preparations obtained with 10 mg of protein per gram of support were compared with respect to the synthesis of ethyl-oleate in n-hexane, using an ethanol to oleic acid molar ratio of 3:1. LipC12 gave a better conversion of oleic acid when immobilized on Immobead 150 (95% in 4 h). This led us to investigate the immobilization of His-tagged LipC12 directly from the crude extract on Immobead 150 and Accurel MP-1000. However, Accurel MP-1000 did not provide selective immobilization of LipC12, and probably due to immobilization of other proteins of the EB in support, the immobilization efficiency (E) was too low. At a protein loading of 200 mg g-1, the immobilized preparation ("Ibead-CELipC12") gave a conversion of oleic acid of 99% in 60 min, for reactions performed in n-hexane (molar ratio 3:1, 40 °C, 250 rpm) and could be reused in successive cycles of 60 min in the same reaction to give conversions above 90%. When Ibead-CELipC12 was used to catalyze the esterification of oleic acid with ethanol in a solvent-free system (standard reaction for the synthesis of esters biodiesel) at an ethanol to oleic acid molar ratio of 1:1, all activity was lost within 12 h, with a conversion of oleic acid of around 30%. However, when the reaction was repeated with the addition of ethanol in six equal aliquots during the course of the reaction, a conversion of oleic acid of 85% in 48 h was achieved. Moreover, in the synthesis of ethyl caprylate, an aroma ester, the conversion was only 6% after 96 h, even with the addition of ethanol in aliquots. In the synthesis of a structured lipid, using caprylic acid and olive oil (molar ratio 2:1, 40 °C, 250 rpm), Ibead-CELipC12 promoted the insertion of 23% of caprylic acid in the sn-1 and sn-3 positions of the triacylglycerols of the olive oil, making it a structured lipid MLM, i.e a triacylglycerol containing medium-chain fatty acids (M) at positions sn-1 and sn-3 and a long-chain fatty acid (L) at position sn-2. These results demonstrate that LipC12 has good potential to be used in the enzymatic synthesis of biodiesel and structured lipids. The results are particularly encouraging because it was possible to immobilize His-tagged LipC12 directly from the crude extract, thereby avoiding the need to purify the enzyme prior to immobilization. Keywords: metagenomic, lipases, LipC12, immobilization, ester synthesis, biodiesel, structured lipids, aroma.

Orientador: Eliana Gertrudes de Macedo Lemos / Coorientador: Elisângela Soares Gomes Pepe / Coorientador: Mariana Rangel Pereira / Banca: Gustavo Orlando Bonilla Rodriguez / Banca: João Martins Pizauro Junior / Resumo: O mercado industrial está se tornando cada vez mais dependente do uso de enzimas como catalisadores. Dentre as enzimas utilizadas industrialmente estão as de origem microbiana, por serem ativas nas mais diversas condições. As lacases são enzimas com alto potencial, pois atuam sobre diversos compostos, o que possibilita uma vasta diversidade de possíveis aplicações. Entre as formas de prospecção de novas enzimas microbianas, encontra-se a metagenômica. Diante disto, foi realizada a busca por potenciais lacases seguindo uma estratégia "sequence-driven" em uma base de dados metagenomicos composta por amostras de diversos ambientes, pertencente ao Laboratório de Bioquímica de Microrganismos e Plantas (LBMP). As ORFs previamente anotadas por similaridade de sequências e domínios conservados como possíveis "Multicopper oxidases" (grupo no qual se encontram as lacases) foram prospectadas pela região conservada para lacases L3 (HLHGH). Esta estratégia retornou três ORFs, a ORF50MF; a ORF51ME e a ORF13SE (lacmeta), as quais foram clonadas e submetidas as análises de super-expressão e purificação. LacMeta, similar em 82% com a sequência de proteína hipotética de Streptomyces rubidus [WP_069465126.1], foi a proteína que apresentou o melhor resultado de expressão e purificação, sendo então submetida a caracterização cinética. A proteína fusionada a uma cauda de hexa-histidina foi purificada na forma homo-trimérica, com 107 kDa, e apresentou atividade ótima em pH ácido para o substrato AB... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The industrial market is becoming increasingly dependent on the use of enzymes as biocatalysts. Among the enzymes used industrially are those of microbial origin, because they are active in the most diverse conditions. Laccases are enzymes with high potential, since they act on several compounds, which allows a wide diversity of possible applications. Among the search for new forms of microbial enzymes, is the metagenomic. In this way, the search for potential laccases was carried out following a sequence-driven strategy in a metagenomic database composed of samples from different environments, belonging to the Laboratory of Biochemistry of Microorganisms and Plants (LBMP). The ORFs previously annotated by similarity of sequences and conserved domains as possible "Multicopper oxidases" (group in which the laccases are) were prospected by the region conserved for laccases L3 (HLHGH). This strategy returned three ORFs, the ORF50MF; the ORF51ME and the ORF13SE (lacmeta), which were cloned and subjected to super-expression and purification analyzes. LacMeta, similar in 82% to the hypothetical protein sequence of Streptomyces rubidus [WP_069465126.1], was the protein that presented the best expression and purification result and was then subjected to kinetic characterization. The protein fused to a hexa-histidine tail was purified in the homo-trimeric form with 128.22 kDa and presented optimum acidic pH activity for the ABTS substrate, for which obtained the catalytic parameters k... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

As compostagens abrigam uma grande riqueza microbiológica, englobando populações com distintos requerimentos e tolerâncias fisiológicas que se sucedem ao longo do processo de biodegradação aeróbica da matéria orgânica e que resultam na elevação espontânea de temperatura até 80° C. Com a utilização de abordagens de metagenômica e metatranscritômica, investigamos a composição e a diversidade taxonômica, bem como as funções metabólicas de comunidades microbianas da compostagem termofílica do Parque Zoológico de São Paulo. Foram analisadas amostras em série temporal de duas composteiras (ZC3 e ZC4), as quais exibiram temperaturas entre 50ºC-75ºC ao longo de 99 dias do processo. Verificamos que a degradação de toda a biomassa foi realizada essencialmente por bactérias, e que a estrutura e composição das comunidades microbianas variam ao longo do processo, com elevada abundância relativa das Ordens Clostridiales, Bacillales e Actinomycetales, assim como observado em outros sistemas de compostagem. Entre os organismos abundantes no processo, identificamos unidades taxonômicas operacionais (OTUs) referentes a organismos não-cultiváveis e/ou com genoma ainda desconhecido. O genoma parcial de uma destas OTUs foi reconstruído, a qual provavelmente pertence a um novo gênero da ordem Bacillales. A dinâmica do processo de compostagem foi evidenciada pela variação do número de OTUs e do índice de diversidade filogenética ao longo do tempo, sendo que o início do processo e a fase após a revira apresentaram a maior diversidade. Os resultados indicam que o processo de revira (aeração da massa de composto) impacta fortemente a estrutura e a composição da microbiota e que a desconstrução da biomassa vegetal ocorre de forma sinérgica e sequencial. A variedade de microrganismos e de funções metabólicas ativas na compostagem termofílica reforça o seu potencial de ser uma promissora fonte de bactérias e enzimas termorresistentes úteis em processos industriais. / Composting harbors considerable microbial richness, comprising populations with distinct physiological requirements and tolerances that succeed one another throughout the aerobic biodegradation of the organic matter, resulting in spontaneous temperature rise up to 80° C. Using metagenomic- and metatranscritomic-based approaches, we investigated the composition and taxonomic diversity as well as metabolic functions of microbial communities of a thermophilic composting operation in the São Paulo Zoo Park. We have analyzed time-series samples from two composting cells (ZC3 and ZC4) which exhibited sustained thermophilic profile (50°C-75°C) over 99 days of the process. We found that all biomass degradation was essentially performed by bacteria. The structure and composition of microbial communities vary throughout the process with a high relative abundance of Clostridiales, Bacillales and Actinomycetales, as observed in other composting systems. Among the organisms abundant in the process, we identify Operational Taxonomic Units (OTUs) of uncultivated organisms or with unknown genomes. The partial genome of one of these OTUs was obtained and shown to belong probably to a new genus of Bacillales. Our time-series data showed that the number of OTUs and phylogenetic diversity index changed during composting revealing the dynamics of the process, with the beginning and the stage after turning procedure presenting the highest diverse microbiota. These results indicate that the turning procedure (compost aeration) strongly impacts the microbiota structure and composition and that the deconstruction of the biomass occurs synergistically and sequentially. The huge diversity of microorganisms and metabolic functions active in thermophilic composting strengthen its potential as a promising source of new bacteria and thermostable enzymes that may be helpful in industrial processes.

Orientador: Jackson Antônio Marcondes de Souza / Banca: Manoel Victor Franco Lemos / Banca: Amanda Azarias Guimarães / Resumo: Desde a expansão da indústria, a partir da revolução industrial, a população mundial tem crescido de forma exponencial. Este aumento populacional aliado aos avanços tecnológicos constantes alavancou o consumo mundial de energia. Este cenário tem incentivado países do mundo todo a buscar alternativas para aumentar a produção de energia. Uma das alternativas adotadas são os biocombustíveis, onde o etanol tem lugar de destaque. Para tanto, a degradação de biomassa vegetal, para a liberação dos açúcares estruturais da fibra vegetal para fermentação, tem se intensificado. O etanol é o principal biocombustível brasileiro e o uso de biomassa vegetal é uma alternativa para o aumento de sua produção. No entanto, a ação enzimática ineficiente na degradação de polissacarídeos estruturais impede a produção industrial. Uma solução é a prospecção de enzimas degradantes de biomassa e um ambiente para esta busca pode ser o rúmen. O qual é um ambiente rico em micro-organismos que degradam a lignocelulose. Considerando que cerca de 99% dos micro-organismos não são passíveis ao cultivo tradicional, a fim de romper com estas limitações foi usada a abordagem metagenômica neste estudo para caracterização de genes com potencial para degradar biomassa e também para avaliação da diversidade taxonômica do ambiente ruminal bovino. Foram coletadas amostras de rúmen de um gado Nelore para a obtenção de DNA, que posteriormente foi sequenciado pelo sequenciador HiScan SQ (Illumina). Foram obtidas 65 milhões de sequências, cada uma com 100 pb, que foram analisadas no servidor MG-RAST. Para montar o perfil taxonômico deste metagenoma foram usados três bancos de dados na análise das sequências: Ribossomal database Project (RDP), que encontrou 18 filos na amostra; Greengenes, que encontrou 16 filos; e SILVA Small SubUnit (SSU) onde foram encontrados 22 filos. Dentre todos os filos encontrados o Firmicutes foi o... / Abstract: Since the expansion of industry through the Industrial Revolution, the world population has increased unprecedented. This rise together the constant technological advances leveraged the world's energy consumption. This scenario has encouraged countries around the world to seek alternatives to higher energy production, being the biofuels one of the adopted alternatives, which ethanol has excelled. Therefore, the plant biomass degradation for the release of structural sugars from plant fiber fermentation has intensified. Ethanol is the main Brazilian biofuel and the use of plant biomass is an alternative for increasing its production. However, inefficient enzymatic action in the degradation of structural polysaccharides prevents industrial production. One solution is the prospect of biomass degrading enzymes and an environment for this search may be the rumen, which is an environment rich in microorganisms that degrade lignocellulose. Whereas about 99% of the microorganisms are not amenable to traditional growth, in order to break these limitations was used a metagenomics approach in this study to characterize genes with potential to degrade biomass and to evaluate the taxonomic diversity of bovine rumen environment. Rumen samples were collected from Nelore cattle for obtaining total DNA, which was subsequently sequenced by SQ HiScan (Illumina) sequencer. Sixtyfive million sequences were obtained, each with a 100 bp, which were analyzed by MG-RAST server. In order to mount the taxonomic profile of this metagenomic we used three databases on the analysis of sequences: Ribosomal Database Project (RDP), which found 18 phyla in the sample; GreenGenes, which found 16 phyla; and SILVA Small subunit (SSU) which found 22 phyla. Among all the phyla, Firmicutes was the most abundant, followed by Bacteroidetes and Proteobacteria by the three databases. For the functional analysis were used five databases for prospecting glycoside Hydrolases ... / Mestre

Orientador: Alessandro de Mello Varani / Coorientador: Lucia Maria Carareto Alves / Banca: Victor Satler Pylro / Banca: Jackson Antonio Marcondes de Souza / Resumo: A indústria sucroalcooleira gera elevado número de resíduos de origem da biomassa lignocelulósica que apresentam grande potencial para produção de biocombustíveis, em particular o etanol de segunda geração. Uma das formas promissoras para a desconstrução da biomassa lignocelulósica é através da utilização de consórcios bacterianos que produzem enzimas altamente específicas com a capacidade de quebrar a estrutura da lignocelulose. Porém, para a otimização desse processo é importante entender as funções metabólicas presentes nesses consórcios degradadores de biomassa. Portanto, esse estudo objetivou identificar e classificar a composição de uma comunidade bacteriana proveniente de consórcio oriundo de solo contendo bagaço de cana-de-açúcar em decomposição e avaliar sua capacidade metabólica através de sequenciamento genômico de alto rendimento e análises de bioinformática. Esse consórcio foi cultivado durante vinte semanas, sendo que amostras de DNA foram extraídas para sequenciamento a cada sete dias. O sequenciamento da subunidade 16S do operon ribossomal (16S rRNA) foi realizado utilizando a plataforma Ion PGM™, enquanto que o sequenciamento do DNA total foi realizado na plataforma HiSeq 2500, Illumina®. Os resultados do sequenciamento do 16S rRNA indicam 5 diferentes famílias bacterianas ao longo das 20 semanas, sendo Burkholderiaceae (73%) e Rhodanobacteraceae (24%) as mais abundantes. Análises do potencial funcional do consórcio realizadas através dos programas PICRUSt e ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The sugarcane ethanol industry generates a number of residues related to the lignocellulosic biomass which exhibit potential for the production of biofuels, in particular second generation ethanol. One of the promising ways for the deconstruction of lignocellulosic biomass to valuable products is through the use of bacterial consortia. These consortia encode a specific set of enzymes capable to metabolize and decompose the lignocellulose structure. However, to optimize this process, the metabolic functions present in a biomass-degrading consortia must be well known. Therefore, this study aimed to unravel the taxonomic composition, and to evaluate the metabolic profile of a bacterial consortium from a sugar-cane derived soil containing decomposing straw, through high-throughput genomic sequencing and bioinformatics analyzes. The selected consortium was cultivated in laboratory for twenty weeks, and DNA samples were extracted for sequencing every seven days. The 16S subunit of the ribosomal operon (16S rRNA) and total DNA sequencing were performed through the Ion PGM™ (Thermo Fischer) and HiSeq 2500 (Illumina) platforms, respectively. The 16S rRNA sequencing indicate at least 5 different bacterial families during the 20 weeks of cultivation. The Burkholderiaceae (73%) and Rhodanobacteraceae (24%) are the most abundant. Functional analyses, indicate an enrichment of the transporter-related function, including ABC-transporters mainly in the first week of cultivation, suggesting a probable role related with the decomposing of the lignocellulolytic material. The whole metagenome sequencing uncover the genomic sequence of one of the most abundant organisms present in the consortium (abundance ~24% of the sequenced reads). This genome was finished and circularized, exhibiting 4,758,639 bp, GC% of 65.25, a... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre