Os polímeros do tipo poli-hidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres bacterianos que apresentam as propriedades de termoplásticos e elastômeros biodegradáveis. A síntese deste polímero em plantas de interesse agroindustrial tem sido vista como uma área promissora dentro da biotecnologia de polímeros para a produção em grande escala com baixos custos. Contudo, esta tarefa requer o aprimoramento de diferentes metodologias bioquímicas e moleculares, além de maximizar os processos de extração destes polímeros biológicos. A produção de PHAs em peroxissomos ou no citoplasma de Saccharomyces cerevisiae, por meio da expressão de uma PHA-sintase bacteriana, pode servir como indicador e modulador do fluxo de carbonos que percorre vias biossintéticas como a síntese de novo de ácidos graxos e a β-oxidação. Esta levedura tem sido usada como eucarioto modelo para manipular as rotas envolvidas na síntese de PHAs do tipo MCL (PHA com um número médio de carbonos), um polímero menos cristalino e com menor ponto de fusão quando comparado ao PHA-SCL (PHA com um número pequeno de carbonos). A enzima PhaG (3-hidroxidecanoil-ACP-CoA transacilase) é responsável pela conexão entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em bactérias do gênero Pseudomonas, em meios de cultura contendo uma fonte de carbono nãorelacionada como gliconato, etanol ou acetato. Para tentar estabelecer esta rota metabólica em S. cerevisiae, o presente trabalho avaliou a coexpressão de PhaGPa e PhaC1Pa (PHA-sintase) de P. aeruginosa para a síntese de PHA-MCL a partir de uma fonte de carbono não-relacionada em leveduras. Contudo, a presença de PhaGPa não alterou a composição ou a quantidade de PHA-MCL em relação à cepa controle contendo apenas PhaC1Pa citoplasmática ou direcionada ao peroxissomo, independentemente da fonte de carbono utilizada (rafinose ou ácido oléico). Este resultado permite sugerir que a ligação entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em S. cerevisiae não foi estabelecida, provavelmente devido à ausência de algum passo enzimático que limita o desvio de substratos da síntese de ácidos graxos para a produção de PHA-MCL em organismos que não são capazes de acumular naturalmente este polímero quando cultivados em fontes de carbono não-relacionadas.A levedura S. cerevisiae tem sido usada como um sistema modelo para estudar a β-oxidação de ácidos graxos insaturados em peroxissomos. A produção de PHA-MCL pela expressão de PhaC1Pa em peroxissomos de cepas selvagens e mutantes nulos de S. cerevisiae para as enzimas auxiliares da β-oxidação (Eci1p, Sps19p e Dci1p), multiplicadas em meio de cultivo contendo um ácido graxo insaturado como fonte de carbono, permitiu monitorar o fluxo de carbonos que percorre as vias dependente de isomerase, redutase e di-isomerase. Desta forma, o presente estudo permitiu avaliar a β- oxidação in vivo dos ácidos graxos linoléico conjugado, 9-cis,11-trans-CLA (ácido rumênico) ou 10-cis,13-cis-nonadecadienóico, para determinar a contribuição das vias alternativas na degradação destes substratos pela utilização de cepas selvagens, mutantes nulos e linhagens contendo um plasmídio multicópia para os genes ECI1 (Δ3- Δ2-enoil-CoA isomerase), SPS19 (2,4-dienoil-CoA redutase) e DCI1 (Δ3,5-Δ2,4-dienoil- CoA isomerase). As linhagens selvagens foram capazes de sintetizar PHA-MCL quando cultivadas em ácido rumênico, mas a atividade da enzima Eci1p foi essencial para a degradação deste CLA, indicando que a via dependente de isomerase é a única rota in vivo necessária para a β-oxidação do ácido rumênico em peroxissomos de S. cerevisiae. A contribuição da enzima di-isomerase (Dci1p) para a degradação do ácido 10- cis,13-cis-nonadecadienóico foi avaliada em cepas selvagens, mutantes nulos dci1Δ e linhagens de S. cerevisiae contendo os plasmídeos multicópia. De acordo com o conteúdo e a quantidade de PHA formado, a β-oxidação de ácidos graxos cisinsaturados em um carbono ímpar é, in vivo, independente da di-isomerase. Embora este resultado possa indicar o mesmo padrão de envolvimento de Dci1p na degradação de ácidos graxos cis-insaturados em um carbono ímpar em mitocôndrias de mamíferos, esta via alternativa deve ser mais bem investigada em eucariotos superiores.

Os polímeros do tipo poli-hidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres bacterianos que apresentam as propriedades de termoplásticos e elastômeros biodegradáveis. A síntese deste polímero em plantas de interesse agroindustrial tem sido vista como uma área promissora dentro da biotecnologia de polímeros para a produção em grande escala com baixos custos. Contudo, esta tarefa requer o aprimoramento de diferentes metodologias bioquímicas e moleculares, além de maximizar os processos de extração destes polímeros biológicos. A produção de PHAs em peroxissomos ou no citoplasma de Saccharomyces cerevisiae, por meio da expressão de uma PHA-sintase bacteriana, pode servir como indicador e modulador do fluxo de carbonos que percorre vias biossintéticas como a síntese de novo de ácidos graxos e a β-oxidação. Esta levedura tem sido usada como eucarioto modelo para manipular as rotas envolvidas na síntese de PHAs do tipo MCL (PHA com um número médio de carbonos), um polímero menos cristalino e com menor ponto de fusão quando comparado ao PHA-SCL (PHA com um número pequeno de carbonos). A enzima PhaG (3-hidroxidecanoil-ACP-CoA transacilase) é responsável pela conexão entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em bactérias do gênero Pseudomonas, em meios de cultura contendo uma fonte de carbono nãorelacionada como gliconato, etanol ou acetato. Para tentar estabelecer esta rota metabólica em S. cerevisiae, o presente trabalho avaliou a coexpressão de PhaGPa e PhaC1Pa (PHA-sintase) de P. aeruginosa para a síntese de PHA-MCL a partir de uma fonte de carbono não-relacionada em leveduras. Contudo, a presença de PhaGPa não alterou a composição ou a quantidade de PHA-MCL em relação à cepa controle contendo apenas PhaC1Pa citoplasmática ou direcionada ao peroxissomo, independentemente da fonte de carbono utilizada (rafinose ou ácido oléico). Este resultado permite sugerir que a ligação entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em S. cerevisiae não foi estabelecida, provavelmente devido à ausência de algum passo enzimático que limita o desvio de substratos da síntese de ácidos graxos para a produção de PHA-MCL em organismos que não são capazes de acumular naturalmente este polímero quando cultivados em fontes de carbono não-relacionadas.A levedura S. cerevisiae tem sido usada como um sistema modelo para estudar a β-oxidação de ácidos graxos insaturados em peroxissomos. A produção de PHA-MCL pela expressão de PhaC1Pa em peroxissomos de cepas selvagens e mutantes nulos de S. cerevisiae para as enzimas auxiliares da β-oxidação (Eci1p, Sps19p e Dci1p), multiplicadas em meio de cultivo contendo um ácido graxo insaturado como fonte de carbono, permitiu monitorar o fluxo de carbonos que percorre as vias dependente de isomerase, redutase e di-isomerase. Desta forma, o presente estudo permitiu avaliar a β- oxidação in vivo dos ácidos graxos linoléico conjugado, 9-cis,11-trans-CLA (ácido rumênico) ou 10-cis,13-cis-nonadecadienóico, para determinar a contribuição das vias alternativas na degradação destes substratos pela utilização de cepas selvagens, mutantes nulos e linhagens contendo um plasmídio multicópia para os genes ECI1 (Δ3- Δ2-enoil-CoA isomerase), SPS19 (2,4-dienoil-CoA redutase) e DCI1 (Δ3,5-Δ2,4-dienoil- CoA isomerase). As linhagens selvagens foram capazes de sintetizar PHA-MCL quando cultivadas em ácido rumênico, mas a atividade da enzima Eci1p foi essencial para a degradação deste CLA, indicando que a via dependente de isomerase é a única rota in vivo necessária para a β-oxidação do ácido rumênico em peroxissomos de S. cerevisiae. A contribuição da enzima di-isomerase (Dci1p) para a degradação do ácido 10- cis,13-cis-nonadecadienóico foi avaliada em cepas selvagens, mutantes nulos dci1Δ e linhagens de S. cerevisiae contendo os plasmídeos multicópia. De acordo com o conteúdo e a quantidade de PHA formado, a β-oxidação de ácidos graxos cisinsaturados em um carbono ímpar é, in vivo, independente da di-isomerase. Embora este resultado possa indicar o mesmo padrão de envolvimento de Dci1p na degradação de ácidos graxos cis-insaturados em um carbono ímpar em mitocôndrias de mamíferos, esta via alternativa deve ser mais bem investigada em eucariotos superiores.

Os polímeros do tipo poli-hidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres bacterianos que apresentam as propriedades de termoplásticos e elastômeros biodegradáveis. A síntese deste polímero em plantas de interesse agroindustrial tem sido vista como uma área promissora dentro da biotecnologia de polímeros para a produção em grande escala com baixos custos. Contudo, esta tarefa requer o aprimoramento de diferentes metodologias bioquímicas e moleculares, além de maximizar os processos de extração destes polímeros biológicos. A produção de PHAs em peroxissomos ou no citoplasma de Saccharomyces cerevisiae, por meio da expressão de uma PHA-sintase bacteriana, pode servir como indicador e modulador do fluxo de carbonos que percorre vias biossintéticas como a síntese de novo de ácidos graxos e a β-oxidação. Esta levedura tem sido usada como eucarioto modelo para manipular as rotas envolvidas na síntese de PHAs do tipo MCL (PHA com um número médio de carbonos), um polímero menos cristalino e com menor ponto de fusão quando comparado ao PHA-SCL (PHA com um número pequeno de carbonos). A enzima PhaG (3-hidroxidecanoil-ACP-CoA transacilase) é responsável pela conexão entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em bactérias do gênero Pseudomonas, em meios de cultura contendo uma fonte de carbono nãorelacionada como gliconato, etanol ou acetato. Para tentar estabelecer esta rota metabólica em S. cerevisiae, o presente trabalho avaliou a coexpressão de PhaGPa e PhaC1Pa (PHA-sintase) de P. aeruginosa para a síntese de PHA-MCL a partir de uma fonte de carbono não-relacionada em leveduras. Contudo, a presença de PhaGPa não alterou a composição ou a quantidade de PHA-MCL em relação à cepa controle contendo apenas PhaC1Pa citoplasmática ou direcionada ao peroxissomo, independentemente da fonte de carbono utilizada (rafinose ou ácido oléico). Este resultado permite sugerir que a ligação entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em S. cerevisiae não foi estabelecida, provavelmente devido à ausência de algum passo enzimático que limita o desvio de substratos da síntese de ácidos graxos para a produção de PHA-MCL em organismos que não são capazes de acumular naturalmente este polímero quando cultivados em fontes de carbono não-relacionadas.A levedura S. cerevisiae tem sido usada como um sistema modelo para estudar a β-oxidação de ácidos graxos insaturados em peroxissomos. A produção de PHA-MCL pela expressão de PhaC1Pa em peroxissomos de cepas selvagens e mutantes nulos de S. cerevisiae para as enzimas auxiliares da β-oxidação (Eci1p, Sps19p e Dci1p), multiplicadas em meio de cultivo contendo um ácido graxo insaturado como fonte de carbono, permitiu monitorar o fluxo de carbonos que percorre as vias dependente de isomerase, redutase e di-isomerase. Desta forma, o presente estudo permitiu avaliar a β- oxidação in vivo dos ácidos graxos linoléico conjugado, 9-cis,11-trans-CLA (ácido rumênico) ou 10-cis,13-cis-nonadecadienóico, para determinar a contribuição das vias alternativas na degradação destes substratos pela utilização de cepas selvagens, mutantes nulos e linhagens contendo um plasmídio multicópia para os genes ECI1 (Δ3- Δ2-enoil-CoA isomerase), SPS19 (2,4-dienoil-CoA redutase) e DCI1 (Δ3,5-Δ2,4-dienoil- CoA isomerase). As linhagens selvagens foram capazes de sintetizar PHA-MCL quando cultivadas em ácido rumênico, mas a atividade da enzima Eci1p foi essencial para a degradação deste CLA, indicando que a via dependente de isomerase é a única rota in vivo necessária para a β-oxidação do ácido rumênico em peroxissomos de S. cerevisiae. A contribuição da enzima di-isomerase (Dci1p) para a degradação do ácido 10- cis,13-cis-nonadecadienóico foi avaliada em cepas selvagens, mutantes nulos dci1Δ e linhagens de S. cerevisiae contendo os plasmídeos multicópia. De acordo com o conteúdo e a quantidade de PHA formado, a β-oxidação de ácidos graxos cisinsaturados em um carbono ímpar é, in vivo, independente da di-isomerase. Embora este resultado possa indicar o mesmo padrão de envolvimento de Dci1p na degradação de ácidos graxos cis-insaturados em um carbono ímpar em mitocôndrias de mamíferos, esta via alternativa deve ser mais bem investigada em eucariotos superiores.

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No. of bitstreams: 1 TeseTSSM.pdf: 23662587 bytes, checksum: 4ef26b2b65e46560d905cc700258cd0d (MD5) Previous issue date: 2017-03-30 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / In ethanol production process from hemicellulosic fraction, the use of xylooligomers (XOS) as substrate reduce the contamination risk, favoring its application at industrial scale. Thus, a biocatalyst, containing xylanases, xylose isomerase (XI) and yeast co-immobilized in calcium alginate gel, was developed and XOS simultaneous hydrolysis, isomerization and fermentation (SHIF) process was studied. Firstly, xylanases from Multifect CX XL A03139 (XAS-5), a commercial enzyme preparation, and the recombinant xylanase from Bacillus subtilis (XynA) were selected to compose biocatalyst beads. XAS-5 presented better conversion (78.7%) and higher xylose production in the hydrolysis of beechwood xylan, while XynA showed exclusive endoxylanase activity. The immobilization and stabilization of XynA were performed in chitosan-glutaraldehyde, chitosan-glyoxyl and agarose-glyoxyl. Although the enzyme was efficiently immobilized on all supports, the agarose-glyoxyl-XynA derivative was notable for exhibiting remarkable stabilization under tested conditions (8600 times). Studies of SHIF process were carried out with birchwood xylan, leading to ethanol production (0.160 g/g and 0.092 g/L.h) and xylose accumulation, which indicated XI activity decrease. Further experiments were then performed to to identify possible inhibitors of XI (pH, Ca2+, Mg2+ and xylooligosaccharides). Ca2+ was identified as an inhibitor, while Mg2+ acts as an activator of the enzyme, and both actions are potentiated at acidic pHs. XI is also inhibited by XOS, with a decrease of 31.6% in XI activity in the presence of 7.0 g/L of xylobiose. For this reason, it was decided to evaluate SIF process with a recombinant yeast, capable of expressing XI. In batch runs, GSE16-T18 (T18) yeast encapsulated in alginate gel was capable to ferment xylose efficiently, consuming 40 g/L of xylose in 4 h and producing 14.4 g/L of ethanol, with yield of 0.422 g/g and productivity of 3.61 g/L.h. Calcium alginate gel encapsulation also contributed to protect yeast from the action of inhibitors, such as acetic acid. The encapsulated T18 was able to perform 10 consecutive cycles in repeated batch (yeast extract-peptone medium with 40 g/L of xylose), keeping the same productivity and high yields. It also fermented efficiently sugarcane bagasse hydrolysate, containing 60 g/L of fermentable sugars and high grade of inhibitors. The modified yeast to be more tolerant to acetic acid, GSE16-T18 HAA1, was also studied, exhibiting superior performance in comparison to T18 for hydrolysate fermentations. Continuous experiments were conducted in a fixed bed reactor using the T18-HAA1 yeast immobilized, with different xylose concentrations (40, 60, 80 and 120 g/L) in the feed medium. The reactor was operated up to 15 days, without bacterial contamination, with yield of 0.45 g/g, productivity of 4.8 g/L.h and selectivity of 31 gethanol/gxylitol (60 g/L of xylose in the feed). For the concentrations higher than 60 g/L, the conversion decreased after 4 days of continuous operation, indicating loss of cell viability due to hazardous effect of ethanol when present at 30 g/L or more, as well as limitation of oxygen and nutrients in the system. / No processo de produção de etanol a partir da fração hemicelulósica, a utilização de xilooligômeros como substrato reduz o risco de contaminação, favorecendo o emprego da tecnologia em escala industrial. Para isso, um biocatalisador contendo xilanases, xilose isomerase (XI) e levedura co-imobilizadas em gel de alginato de cálcio foi desenvolvido e o processo de hidrólise, isomerização e fermentação simultâneos (SHIF) de xilooligômeros foi estudado. Primeiramente, as xilanases presentes no produto Multifect CX XL A03139 (XAS- 5) e a xilanase recombinante de Bacillus subtilis (XynA) foram selecionadas para compor os beads do biocatalisador. XAS-5 apresentou melhor conversão (78,7%) e maior produção de xilose na hidrólise da xilana de faia, enquanto XynA apresentou exclusiva atividade de endoxilanase. Realizou-se a imobilização e estabilização da XynA em quitosanaglutaraldeído, quitosana-glioxil e agarose-glioxil. Apesar da enzima ser eficientemente imobilizada nos três suportes, o derivado agarose-glioxil-XynA se destacou por apresentar uma estabilização notável nas condições testadas (8600 vezes). Estudos do processo SHIF foram realizados com xilana de bétula, observando-se produção de etanol (0,160 g/g e 0,092 g/L.h) e acúmulo de xilose, indicando redução da atividade da XI. Realizou-se então, um estudo para identificar possíveis inibidores da XI (pH, Ca2+, Mg2+ e XOS), constatando-se que Ca2+ é um inibidor enquanto Mg2+ é um ativador da enzima, sendo suas ações potencializadas em pHs ácidos. Comprovou-se também que XI é inibida por XOS, observando-se queda da atividade de XI (31,6%) na presença de 7,0 g/L de xilobiose. Desta forma, tornou-se interessante avaliar o processo SIF com uma levedura recombinante, capaz de expressar XI. Em ensaios em batelada, a levedura GSE16-T18 (T18), encapsulada em gel de alginato, mostrou-se eficiente na fermentação de xilose, consumindo 40 g/L de xilose em 4 h e produzindo 14,4 g/L de etanol, com rendimento de 0,422 g/g e produtividade de 3,61 g/L.h. O encapsulamento em gel de alginato de cálcio também protegeu a levedura da ação de inibidores, como o ácido acético. A T18 encapsulada foi capaz de realizar 10 ciclos consecutivos em bateladas repetidas (meio contendo extrato de levedura, peptona e 40 g/L de substrato), mantendo mesma produtividade e elevado rendimento, além de fermentar eficientemente hidrolisado hemicelulósico de bagaço de cana, contendo 60 g/L de açúcares fermentescíveis e alto teor de inibidores. A levedura GSE16-T18 HAA1, modificada geneticamente para ser mais tolerante ao ácido acético, foi também estudada, com resultados superiores a T18 nas fermentações de hidrolisado. Fermentações em modo contínuo foram realizadas em reator de leito fixo utilizando a levedura T18-HAA1 imobilizada, com diferentes concentrações de xilose na alimentação (40, 60, 80 e 120 g/L). O reator foi operado por até 15 dias, sem ocorrência de contaminação por bactérias, com rendimento 0,45 g/g, produtividade em etanol de 4,8 g/L.h e seletividade de 31 getanol/gxilitol (60 g/L de xilose na alimentação). Para as concentrações superiores a 60 g/L, a conversão diminuiu após 4 dias de operação contínua, indicando perda de viabilidade celular devido à ação do etanol quando presente em concentrações acima de 30 g/L e da limitação de oxigênio e nutrientes no sistema.