Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / As quitinases sÃo enzimas capazes de hidrolisar as ligaÃÃes β-(1,4)-glicosÃdicas presentes em biopolÃmeros de N-acetil-β-D-glucosamina, principalmente quitina, um polissacarÃdeo estrutural presente na parede celular de diversos fungos. No presente trabalho, uma quitinase de classe I de feijÃo-de-corda (Vigna unguiculata) foi expressa em sistemas heterÃlogos e a proteÃna recombinante (rVuChi) foi caracterizada bioquimicamente bem como em relaÃÃo ao seu efeito sobre o crescimento micelial e germinaÃÃo de esporos/conÃdios de fungos filamentosos. A seqÃÃncia de DNA codificando a proteÃna foi amplificada por PCR e clonada nos vetores de expressÃo pET32a(+) e pPICZαA, para expressÃo heterÃloga em Escherichia coli e Pichia pastoris, respectivamente. A expressÃo de rVuChi em cÃlulas de E. coli ArticExpress DE3 se deu em corpos de inclusÃo. Em seis estirpes de P. pastoris a proteÃna recombinante foi secretada, de forma solÃvel, para o meio de cultura. Na fraÃÃo extracelular da estirpe KM71H foi observada a maior atividade quitinolÃtica, apÃs 72 horas de induÃÃo. A detecÃÃo de rVuChi foi feita por SDS-PAGE e com o kit Invision His-Tag stain, onde foram identificadas duas bandas protÃicas de massas moleculares aparentes de 30 e 33 kDa. Ambas as bandas apresentaram a mesma sequÃncia N-terminal e a ausÃncia de N-glicosilaÃÃo foi verificada. A quitinase recombinante estava presente principalmente na fraÃÃo F0/40 precipitada com sulfato de amÃnio e foi purificada a homogeneidade tanto por cromatografia de afinidade em matriz de quitina (com rendimento de 18,31 mg por litro de meio de cultura), quanto por cromatografia de interaÃÃes hidrofÃbicas em coluna de Phenyl Sepharose CL-4B (rendimento de 13,2 mg/L), seguidas de ultrafiltraÃÃo em membrana com limite de exclusÃo de 50 kDa. A rVuChi apresentou atividades endo e exo-quitinolÃtica frente a quitina coloidal e hidrolisou glicol-quitina em gel de SDS-PAGE, embora nÃo tenha apresentado atividade contra substratos sintÃticos contendo p-nitrofenol. A quitinase purificada apresentou massa molecular de 32 e 33,1 kDa por cromatografia de exclusÃo molecular em colunas de Superose 12 HR e Superdex 200, respectivamente. Em gel bidimensional, rVuChi apresentou um conjunto de seis âspotsâ com pI entre 4,44 e 5,15. A quitinase mostrou-se ainda termoestÃvel em temperaturas atà 50 ÂC e sua atividade enzimÃtica mÃxima ocorreu em pH 5. Em geral, a presenÃa de Ãons metÃlicos causou uma reduÃÃo de sua atividade enzimÃtica. O agente quelante EDTA (0,5%) estimulou a atividade enzimÃtica enquanto que o detergente SDS (0,5%) a inibiu totalmente. A quitinase recombinante apresentou 37% de hÃlice alfa e 26% de folha beta, como determinado por espectroscopia de dicroÃsmo circular. A desnaturaÃÃo de 50% das molÃculas de rVuChi ocorreu a 54,41 ÂC. Os espectros de fluorescÃncia revelaram que a proteÃna produzida em P. pastoris estava em sua conformaÃÃo totalmente enovelada. A quitinase recombinante de feijÃo-de-corda foi capaz de inibir totalmente a germinaÃÃo de esporos de Penicillium herquei atà 48 horas, na dose de 100 μg e causou inibiÃÃo de 68%, nas doses de 50, 25 e 12,5 μg. Na dose de 150 μg, houve uma inibiÃÃo de 55% na germinaÃÃo dos conÃdios de Rhizoctonia solani e um leve efeito sobre a germinaÃÃo dos esporos de Colletotrichum lindemuthianum e C. musae. Nenhum efeito da rVuChi foi observado sobre a germinaÃÃo de esporos dos fungos C. gloeosporioides, Fusarium solani e F. oxysporum. AlÃm disso, a proteÃna recombinante retardou o crescimento micelial de P. herquei em aproximadamente 50% (100 μg), porÃm nÃo apresentou efeito sobre o crescimento micelial dos demais fungos. Desta forma, a quitinase classe I de V. unguiculata à uma proteÃna com atividade antifÃngica. / Chitinases are enzymes that hydrolyze the β-(1,4) glycosidic bonds present in biopolymers of N-acety-β-D-glucosamine, mainly chitin, a structural polysaccharide which is found in cell walls of several fungi. In plants, chitinases play a role as defense proteins against the attack of pests and pathogens. In this work, a class I chitinase from cowpea (Vigna unguiculata) was expressed in heterologous systems. The recombinant protein (rVuChi) was purified, and characterized biochemically and in relation to its effects on mycelial growth and germination of spores/conidia of filamentous fungi. The DNA coding sequence of the cowpea chitinase was amplified by PCR and the products cloned in the expression vectors pET32a(+) and pPICZαA, for heterologous expression in Escherichia coli and Pichia pastoris, respectively. In E. coli cells, the recombinant fusion protein occurred mainly as inclusion bodies. On the other hand, in six strains of P. pastoris, the recombinant cowpea chitinase was secreted in a soluble form into the culture medium. The highest chitinase activity was detected in the extracellular fraction of KM71H strain, 72 hours after induction. The recombinant VuChi was detected by SDS-PAGE and Invision His-Tag stain kit, which identified two protein bands with apparent molecular masses of 30 and 33 kDa. These two protein bands showed the same N-terminal sequence, and an absence of N-glycosylation. Most recombinant chitinase secreted into the culture medium was recovered in the fraction F0/40, precipitated with ammonium sulfate. The expressed protein was purified to homogeneity by affinity chromatography on chitin matrix (yield of 18.31 mg per liter of culture medium), or by hydrophobic interactions chromatography on a column of Phenyl Sepharose CL-4B (yield = 13.2 mg/L), followed by ultrafiltration in a membrane with exclusion limit of 50 kDa. The purified rVuChi was able to hydrolyze colloidal chitin (in solution) as well as glycol chitin (in SDS-PAGE), although it did not show enzymatic activity against synthetic substrates containing p-nitrophenol. The purified chitinase showed molecular masses of 32 and 33.1 kDa by size exclusion chromatography on columns of Superose 12 HR and Superdex 200, respectively. When submitted to 2D electrophoresis, rVuChi presented a set of six spots with pI values between 4.44 and 5.15. The chitinase was thermostable at temperatures up to 50  C and the enzyme activity was highest at pH 5. In general, the presence of metal ions caused a reduction of its enzymatic activity. The chelating agent EDTA (0.5%) stimulated the enzyme activity, whereas in the presence of the detergent SDS (0.5%) the rVuChi activity was completely inhibited. The recombinant chitinase showed 37% of alpha helix and 26% of beta sheet, as determined by circular dichroism spectroscopy. Denaturing of 50% of the rVuChi molecules occurs at 54.41  C. The fluorescence spectra showed that the protein produced in P. pastoris was in its fully folded conformation. The recombinant cowpea chitinase was able to completely inhibit the germination of spores of Penicillium herquei, after 48 hours, at a dose of 100 mg, and caused 68% inhibition at doses of 50, 25 and 12.5 mg. At a dose of 150 mg, there was 55% inhibition on conidial germination of Rhizoctonia solani and a slight effect on spore germination of Colletotrichum lindemuthianum and C. musae. There was no effect of rVuChi on spore germination of C. gloeosporioides, Fusarium solani and F. oxysporum. In addition, the recombinant protein delayed the mycelial growth of P. herquei in approximately 50% (at the dose of 100 mg) but had no effect on mycelial growth of the other fungi. Therefore, the cowpea class I chitinase is a protein with anti-fungal activity.

Tesis por compendio / [ES] Los péptidos antimicrobianos (AMP) son una alternativa prometedora para el desarrollo de nuevos antifúngicos que puedan sustituir a los fungicidas usados en agricultura. Sin embargo, el alto coste de la síntesis química y la dificultad para su producción a gran escala han limitado su aplicación. Las proteínas antifúngicas (AFP) son AMP naturales, pequeñas, catiónicas, secretadas y ricas en cisteína con gran potencial para el control de hongos fitopatógenos. Las AFPs se encuentran en hongos filamentosos, son estables y pueden producirse en grandes cantidades. Sin embargo, el papel biológico en su hongo productor no se conoce en profundidad. En esta tesis, se estudió la diversidad de AFPs en genomas de hongos ascomicetos y se propuso una nueva clasificación en tres clases (A, B y C). Penicillium digitatum es el principal patógeno postcosecha de cítricos y codifica solo una AFP en su genoma de clase B (AfpB), mientras que Penicillium expansum, el principal patógeno postcosecha de manzana, codifica una AFP de cada clase (AfpA, AfpB y AfpC). En este trabajo describimos la producción biotecnológica y la caracterización de estas cuatro AFPs. Se ha caracterizado el papel biológico del gen afpB en P. digitatum mediante estudios de expresión génica y generación de mutantes nulos y de expresión constitutiva. Los resultados indicaron que afpB es prescindible para la biología y el ciclo vital del hongo, aunque la expresión del gen afpB bajo el promotor constitutivo gpdA de Aspergillus nidulans es perjudicial para su crecimiento y virulencia. Sorprendentemente, ni la cepa parental ni las cepas constitutivas produjeron cantidades detectables de AfpB a pesar de la alta expresión del gen codificante. El modelado molecular y el diseño racional permitieron predecir la estructura terciaria de AfpB y diseñar péptidos sintéticos para mapear motivos antifúngicos en su secuencia primaria. Confirmamos que los bucles catiónicos L2 y L3 mostraron actividad antifúngica moderada y que pueden actuar sinergísticamente. Con el objetivo de producir AfpB mediante biotecnología, usamos un casete de expresión de AFPs basado en las regiones promotora y terminadora del gen paf de Penicillium chrysogenum, hongo que produce naturalmente grandes cantidades de su propia proteína PAF. Este casete funcionó en P. digitatum y permitió la producción homóloga de AfpB. Los datos también mostraron que las secuencias del péptido señal (SP) y el pro-péptido de la SP-Pro-AfpB no determinan la producción de proteína. También demostramos la estabilidad térmica y la resistencia a la proteólisis de AfpB, y aportamos datos que sugieren que la estructura terciaria no es necesaria para la actividad antifúngica. Similar a lo descrito en P. digitatum, ninguna de las tres AFPs se detectó en los sobrenadantes de cultivo en medio rico de P. expansum. Sin embargo, AfpA se produjo en grandes cantidades en cultivos de medio mínimo de P. expansum. Para completar el repertorio de AFPs, produjimos las tres AFPs de P. expansum (AfpA, AfpB y AfpC) en P. chrysogenum con el casete paf. Las tres proteínas de P. expansum se produjeron, purificaron y caracterizaron con éxito. Ninguna de las AFPs producidas en este trabajo fue citotóxica frente a eritrocitos de mamíferos. AfpA de P. expansum seguida de AfpB de P. digitatum fueron las AFPs más activas contra hongos filamentosos, incluyendo patógenos de plantas y humanos, productores de micotoxinas y sus propios hongos productores, una característica previamente no descrita en las AFPs. Además, la AfpA de P. expansum y la AfpB de P. digitatum protegieron frente a la infección causada por el hongo Botrytis cinerea en plantas de tomate, y AfpA de P. expansum protegió frente a P. digitatum en frutos de naranja. Estos resultados confirman nuestra hipótesis de que las AFPs son buenas candidatas para el desarrollo de nuevos antifúngicos en protección vegetal y conservación postcosecha, pero ta / [CA] Els pèptids antimicrobians (AMP) són una alternativa prometedora per al desenvolupament de nous antifúngics que puguen substituir als fungicides utilitzats en agricultura. No obstant això, l'alt cost de la síntesi química i la dificultat per a la producció biotecnològica a gran escala han limitat la seua aplicació. Les proteïnes antifúngiques (AFP) són AMPs naturals, xicotetes, catiòniques, secretades i riques en cisteína que oferixen un gran potencial per al control de fongs fitopatogens. Les AFPs estan presents de en fongs filamentosos, són molt estables i poden produir-se en grans quantitats. No obstant això, el paper biològic d'estes AFPs en el seu fong productor encara no està clar. En esta tesi es va estudiar la diversitat d'AFPs en genomes de fongs ascomicets i es va proposar una nova classificació en tres clases (A, B i C). Penicillium digitatum, el principal patogen postcollita de cítrics, codifica només una AFP en el seu genoma de classe B (AfpB). Penicillium expansum, el principal patogen postcollita de poma, codifica una AFP de cada classe (AfpA, AfpB i AfpC). En este treball presentem la producció biotecnològica i la caracterització d'estes quatre AFPs. Hem caracteritzat el paper biològic del gen afpB en P. digitatum mitjançant estudis d'expressió gènica i la generació de mutants nuls i d'expressió constitutiva. Els resultats van indicar que afpB és prescindible per a la biologia i el cicle de vida d'este fong, encara que l'expressió del gen afpB davall el promotor constitutiu gpdA d'Aspergillus nidulans és perjudicial per al seu creixement i virulència sobre fruits cítrics. Sorprenentment, ni el cep parental ni els ceps constitutius van produir quantitats detectables d'AfpB malgrat l'alta expressió del gen afpB. El modelatge molecular i el disseny racional van permetre predir l'estructura terciària d'AfpB i dissenyar pèptids sintètics per a identificar motius antifúngics dins de la seqüència primària. Confirmarem que les estructures catiòniques L2 i L3 mostren activitat antifúngica i que poden actuar de forma sinèrgica. Amb l'objectiu de la producció biotecnològica d'AfpB, utilitzarem un casset d'expressió d'AFPs basat en les regions promotora i terminadora del gen paf de Penicillium chrysogenum, el qual produïx naturalment grans quantitats de la seua pròpia proteïna PAF. Este casset va funcionar en P. digitatum i va permetre la producció homòloga d'AfpB. Les dades també van mostrar que les seqüències del pèptid señal (SP) i el propèptid de la SP-Pro-AfpB no determinaren la producció de proteïna. També demostrarem l'extrema estabilitat tèrmica i la resistència proteolítica d'AfpB, i proporcionem dades que suggerixen que l'estructura terciària no és necessària per a l'activitat antifúngica. Semblant a P. digitatum, cap de les tres AFPs es van detectar en els sobrenadants de medi de cultiu ric de P. expansum. Al contrari, AfpA es va produir en grans quantitats en cultius de P. expansum en medi mínim. Per a completar el repertori d'AFPs, vam produir les tres AFPs de P. expansum (AfpA, AfpB i AfpC) en P. chrysogenum mitjançant l'ús del casset paf. Així, les tres proteïnes de P. expansum es van produir, purificar i caracteritzar amb èxit. Cap de les AFPs produïdes en este treball va ser citotóxica front eritròcits de mamífer. AfpA de P. expansum seguida d'AfpB de P. digitatum van ser les AFPs més actives contra fongs filamentosos, incloent patògens de plantes i humans, productors de micotoxines i els seus propis productors, una característica prèviament no descrita per a les AFPs. A més, AfpA de P. expansum i AfpB de P. digitatum van protegir front la infecció causada pel fong Botrytis cinerea en plantes de tomaca, i l'AfpA de P. expansum va protegir front P. digitatum en fruits de taronja. Estos resultats confirmen la nostra hipòtesi anterior de que les AFPs són bones candidates per al desenvolupament d'antifúngics en protecció / [EN] Antimicrobial peptides (AMPs) are promising antifungal alternatives to the fungicides used in agriculture. However, the high cost of chemical synthesis and the difficulties of large-scale production have limited their application. Antifungal proteins (AFPs) are a group of natural, small, cationic, secreted, cysteine-rich AMPs that offer a great potential to develop new biomolecules for the control of phytopathogenic fungi. AFPs are naturally present in filamentous fungi, are very stable, and can be produced in large amounts. However, the biological role of these AFPs in their producer fungus is still unclear. In this thesis, we first studied the diversity of AFPs in ascomycetous genomes and proposed a new classification in three different classes (A, B and C). Penicillium digitatum is the main citrus postharvest pathogen and encodes only one AFP from class B in its genome (AfpB), while Penicillium expansum is the main pome postharvest pathogen and encodes one AFP from each class (AfpA, AfpB and AfpC). In this work, we report the identification, efficient biotechnological production and characterization of these four AFPs. We characterized the biological role of the afpB gene in P. digitatum by the study of its gene expression pattern and the generation of null and constitutive expression mutants. Results indicated that afpB is dispensable for the biology and life cycle of this fungus, although expression of the afpB gene under the constitutive Aspergillus nidulans gpdA promoter is detrimental to growth and virulence to citrus. Surprisingly, neither the wild type nor the constitutive strains produced detectable amounts of AfpB in spite of the high afpB gene expression. Molecular modeling and rational design allowed us to predict the AfpB tertiary structure and design synthetic peptides to map antifungal motifs within the AfpB primary sequence. We confirmed that the cationic exposed loops L2 and L3 showed moderate antifungal activity and that they can act synergistically. With the objective of the biotechnological production of AfpB, we used an AFP expression cassette based on the promoter and terminator regions of the well-studied paf gene from Penicillium chrysogenum, which naturally produces high amounts of its own protein PAF. This paf cassette worked efficiently in P. digitatum and allowed the homologous production of AfpB. Data also showed that the signal peptide (SP) and pro-peptide sequences of the translated SP-Pro-AfpB do not determine protein production. We also demonstrated the thermal stability and resistance to proteolytic cleavage of the P. digitatum AfpB, and provided data that suggest that tertiary structure is not required for antifungal activity. Similar to P. digitatum, none of the three AFPs were detected in supernatants of cultures of P. expansum in rich medium. By contrast, AfpA was produced with very high yields in P. expansum cultures in minimal medium. To complete the repertoire of AFPs from P. expansum we produced the three AFPs from P. expansum (AfpA, AfpB and AfpC) in P. chrysogenum with the use of the paf cassette. With this combined approach, the three P. expansum proteins were successfully produced, purified and characterized. None of the four AFPs produced in this work were cytotoxic against mammal erythrocytes. The P. expansum AfpA followed by the P. digitatum AfpB were the most active AFPs against filamentous fungi, including plant and human pathogens, mycotoxin-producer fungi, and their own producers, a feature that had not been previously described for AFPs. Moreover, AfpA from P. expansum and AfpB from P. digitatum protected against fungal infection caused by Botrytis cinerea in tomato plants, and additionally the P. expansum AfpA protected against P. digitatum in orange fruits. These results confirm our previous hypothesis that AFPs are good candidates for the development of antifungals in plant protection and postharvest conservation, but also in clinic or food preservation. / Garrigues Cubells, SM. (2018). Producción y utilización Biotecnológica de nuevas proteínas antifúngicas de hongos filamentosos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113162 / Compendio

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Antifungal proteins were isolated from the crude bacterial supernatant using ammonium sulfate salt precipitation followed by passage over DEAE -cellulose and Biogel P100 columns. The purified protein had an apparent molecular mass of 14 kDa. Its antifungal activity was retained even at 100°C, for 60 min. The results of protein identification using MALDI -TOF/TOF mass spectrometer suggested that the purified protein is indeed a chitin binding protein that has 206 acid amine containing chitin -bind -3 region with a relative molecular mass of 22230 Da. / Protein có hoạt tính kháng nấm được tinh sạch từ dịch ngoại bào chủng vi khuẩn Bacillus subtilis sau khi qua ba bước tinh sạch: tủa muối ammonium sulphate 30-70%, qua cột sắc ký trao đổi ion DEAE – cellulose và cột săc ký lọc gel Biogel P100. Protein tinh sạch có khối lượng phân tử đạt 22 kDa trên điện di SDS-PAGE. Hoạt tính kháng nấm của protein tinh sạch vẫn còn duy trì khi ủ ở 100°C trong 60 phút. Kết quả nhận dạng bằng khối phổ MALDI -TOF/TOF đã chỉ ra rằng protein bền nhiệt này là chitin binding protein được mã hóa bởi 206 acid amin cùng với khối lượng phân tử là 22230 Da. trị an toàn đối với Al và Atrazie trong môi trường nước tự nhiên về khía cạnh bảo vệ sức khỏe sinh thái.