A enzima L-asparaginase é responsável por converter o aminoácido L-asparagina em ácido L-aspártico e amônio. Esta enzima possui importantes aplicações, principalmente na indústria farmacêutica, onde é empregada como um fármaco antileucêmico e na indústria de alimentos, como uma forma de mitigar a formação de acrilamida, um composto altamente tóxico, formado em alguns alimentos processados a altas temperaturas. Leveduras destacam-se como micro-organismos importantes para a produção da Lasparaginase, uma vez que possivelmente produzem enzimas com menores efeitos colaterais para humanos e são, em geral, organismos GRAS, sem restrições de aplicação na indústria de alimentos. O presente trabalho avaliou metodologias de seleção de novas leveduras produtoras de L-asparaginase, selecionando aquelas capazes de produzir destacadas quantidades desta enzima a partir de um banco contendo 40 cepas e verificando aspectos da sua produção. Foram empregadas metodologias de seleção de leveduras em meio sólido e em meio líquido, avaliando-se a aplicabilidade da quantificação da atividade enzimática pelo método de Nessler e pelo método da hidroxilamina. A produção de L-asparaginase foi posteriormente confirmada por cromatografia em camada delgada. As leveduras selecionadas foram avaliadas quanto à influência dos aminoácidos L-asparagina, L-prolina e L-glutamina como indutores na produção de L-asparaginase e quanto à cinética de produção enzimática. De acordo com os resultados, nenhuma das leveduras foi capaz de produzir L-asparaginase extracelular. Entretanto, duas novas leveduras, até então não citadas na literatura pertinente como produtoras de Lasparaginase, foram capazes de produzir L-asparaginase periplasmática: Issatchenkia orientalis e Rhodotorula glutinis. Verificou-se, também, que a metodologia de screening em meio sólido não foi correlacionável com a produção de L-asparaginase em meio líquido por leveduras. Foi necessária a adição de moléculas indutoras ao meio de cultivo, como os aminoácidos L-asparagina, L-prolina e L-glutamina, para que houvesse produção de Lasparaginase pelas leveduras I. orientalis e R. glutinis. Verificou-se a maior produção de L-asparaginase periplasmática em meio suplementado com L-asparagina e nitrato de amônio para a levedura I. orientalis (20,38 ± 3,55 U.g-1) e em meio suplementado com Lprolina para a levedura R. glutinis (57,05 ± 0,57 U.g-1). Durante os ensaios de cinética, verificou-se que a produção da enzima ocorreu principalmente durante a fase logarítmica do crescimento microbiano, observando-se também estabilidade da atividade enzimática durante as 144 horas do cultivo. Os resultados obtidos no presente trabalho permitiram verificar a viabilidade das metodologias de seleção de novas leveduras produtoras de Lasparaginase bem como selecionar, com sucesso, duas novas leveduras capazes de produzir a enzima L-asparaginase periplasmática, I. orientalis e R. glutinis, determinando aspectos importantes da sua produção em meio líquido. / L-asparaginase is the enzyme responsible for converting the amino acid L-asparagine into L-aspartic acid and ammonium. This enzyme has important applications, mainly in the pharmaceutical industry, where it is used as an antileukemic drug, and in the food industry, as a treatment for mitigating the formation of acrylamide, a highly toxic compound produced in some foods exposed to high temperatures. Yeasts are highlighted as important microorganisms for the production of L-asparaginase since they are capable of producing enzymes with fewer side effects for humans and are, in general, GRAS organisms, being applicable in the food industry without restrictions. This study evaluated screening methods for selecting new yeasts capable of producing L-asparaginase, selecting those capable of producing high amounts of this enzyme from a culture collection containing 40 strains, also verifying aspects of enzyme production. Methods for screening L-asparaginase producing organisms in solid and liquid medium were tested, evaluating the applicability of Nessler and hydroxylamine methods as means for enzyme activity quantification. The production of L-asparaginase was later confirmed through thin layer chromatography. The selected yeasts were evaluated to confirm the influence of the amino acids L-asparagine, L-proline and L-glutamine as inducers in the production of L-asparaginase, and the kinetics of Lasparaginase production were also evaluated. According to the results, none of the assessed yeasts were able to produce extracellular L-asparaginase. However, two novel yeasts, so far not cited in the pertinent literature as L-asparaginase producers, were able to produce periplasmic L-asparaginase: Issatchenkia orientalis and Rhodotorula glutinis. Tests also verified that the screening methods in solid medium did not correlate with the production of L-asparaginase in liquid medium by yeasts. It was necessary to add inducing molecules, such as the amino acids L-asparagine, L-proline and L-glutamine, to stimulate L-asparaginase production by the yeasts I. orientalis and R. glutinis. The highest production of periplasmic L-asparaginase was obtained in liquid medium supplemented with Lasparagine and ammonium nitrate for the yeast I. orientalis (20,38 ± 3,55 U.g-1) and in medium supplemented with L-proline for the yeast R. glutinis (57,05 ± 0,57 U.g-1). The production kinetics assay verified that the production of the enzyme took place mainly during the log phase of microbial growth, being stable after144 hours of cultivation. The results presented in this study were able to confirm the viability of the methods for the screening of novel L-asparaginase producing yeasts as well as to select two novel yeasts able to produce this enzyme, I. orientalis and R. glutinis, determining some important aspects in L-asparaginase production in liquid medium.

A L-Asparaginase (ASNase) é um importante agente quimioterapêutico utilizado para o tratamento da leucemia linfoblástica aguda (ALL) há mais de 40 anos. No entanto, devido à origem biológica da ASNase, enzima produzida por Escherichia coli, problemas como a imunogenicidade e baixa meia vida-plasmática devem ser considerados. Com o objetivo de minimizar essas desvantagens, várias ASNases homólogas bem como formulações de ASNase de E. coli foram investigadas. Nenhuma das formulações desenvolvidas, entretanto, foi capaz de resolver definitivamente esses problemas associados à sua origem. Nesse sentido, considerando os recentes avanços na ciência de polímeros com a possibilidade do obtenção de vesículas poliméricas usando copolímeros, este trabalho concentrou-se no desenvolvimento de polimerossomos de poli(etileno glicol)-b-poli(ε-caprolactona) (PEG-PCL) para encapsular a ASNase. Diversas condições experimentais foram investigadas e, ao final, os polimerossomos foram produzidos pela técnica de hidratação do filme polimérico utilizando a centrifugação como técnica de pós-filme para remoção de copolímero precipitado, produzindo assim vesículas polímericas de 120 a 200nm com PDI de aproximadamente 0,250. A eficiência de encapsulação da ASNase, utilizando as metodologias de centrifugação ou cromatografia de exclusão molecular, revelou taxas de encapsulação de 20-25% e 1 a 7%, repectivamente. Esses resultados apontam a importância de se determinar a eficiência de encapsulação por cromatografia de exclusão molecular ou método direto no caso de nanoestruturas auto-agregadas formadas por copolímeros, devido a valores superestimados com o emprego da centrifugação. Ainda que estudos complementares se façam necessários para liberação da enzima encapsulada ou penetração da L-asparagina nas vesículas, nossos resultados demonstram o potencial de polimerossomos para veiculação de ASNase, bem como de outras proteínas terapêuticas. / L-Asparaginase (ASNase) is an important chemotherapeutic agent used for the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL) for more than 40 years. However, due to the biological origin of ASNase (produced by Escherichia coli) some drawbacks such as immunogenicity and low plasma half life are present. In order to minimize the disadvantages, several ASNases proteoforms and formulations of E. coli ASNase were investigated. However, none of this formulations completely solved the main drawbacks of ASNase. In this sense, considering the recents advances in polymers science with the possibility to develop polymeric vesicles using copolymers, this work aimed at the development of poly(ethylene glycol)-b-poly(ε-caprolactone) (PEG-PCL) vesicles to encapsulate ASNase. Different experimental conditions were investigated and, the final polymersomes formulation was prepared by film hydratation using centrifugation as a post-film technique to remove the bulky coplymer. Polymeric vesicles of 120 to 200nm with PDI of approximately, 0.250 were obtained. The encapsulation efficiency of ASNase was determined indirectly by centrifugation and directly by size exclusion chromatography, resulting in encapsulation rates of 20-25% and 1 to 7%, respectively. These results indicate the importance of determining the efficiency of encapsulation by size exclusion chromatography or direct method in the case of self-aggregated nanostructures formed by copolymers, due to values overestimated with the use of centrifugation. Our results point to the potential of polymersomes for ASNase delivery, as well as other therapeutic proteins. Nonetheless, complimentary studies are still necessary for ASNase release or L-asparagine penetration into the vesicles.

A L-asparaginase (EC 3.5.1.1) é uma enzima importante para o tratamento da leucemia linfoblástica aguda (LLA), neoplasia mais frequente em crianças e adolescentes. A L-asparaginase hidrolisa a L-asparagina resultando em ácido aspártico e amônio, impedindo que as células tumorais utilizem esse aminoácido para síntese proteica, ocasionando a morte celular apoptótica. Atualmente a enzima é obtida a partir de Escherichia coli e Erwinia chrysanthemi; no entanto, ambas as formulações estão associadas a um alto índice de efeitos adversos que comprometem a evolução e eficácia do tratamento. A levedura Saccharomyces cerevisiae tem o gene ASP1 responsável pela produção de L-asparaginase 1 (Sc_ASPase1) que tem sido pouco estudada. Para elucidar as características de Sc_ASPase1 nós expressamos a proteína em E. coli BL21(DE3) e a purificamos por cromatografia de afinidade. Sc_ASPase1 tem uma atividade especifica de 195,4 U/mg para L-asparagina e de 0,36 U/mg para L-glutamina, e um comportamento alostérico com um K0.5 de 75 µM para L-asparagina. Por meio de mutação sitio dirigida demonstramos a importância dos resíduos Thr64-Thy78-Th141-Lys215 para a catálise. As isoformas mutantes da proteína A331D, K335E, Y243S, S301N e ΔG77 não apresentaram melhoria nos parâmetros cinéticos ou atividade específica. Construímos e clonamos Sc_ASPase1 com a deleção dos primeiros 52 aminoácidos, porém nas condições testadas a proteína foi expressa na forma insolúvel. Demonstramos que Sc_ASPase1 possui potencial antineoplásico, pois com 10 U/mL de enzima foi capaz causar a 85% de mortalidade da linhagem leucêmica MOLT-4. Na mesma concentração, a enzima de E. coli é capaz de matar 95% de células dessa mesma linhagem. / L-Asparaginase (EC 3.5.1.1) is an important enzyme for the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL), the most common malignancy in children and adolescents. L-asparaginase hydrolyzes L-asparagine resulting in ammonium and aspartic acid, preventing tumor cells of using such amino acid for protein synthesis, leading to apoptotic cell death. Currently, the enzyme is obtained from Escherichia coli and Erwinia chrysanthemi; however, both formulations are associated with a high incidence of side effects that compromise the progress and effectiveness of treatment. The yeast Saccharomyces cerevisiae has ASP1 gene responsible for the production of L-asparaginase 1 (Sc_ASPase1) that has been poor studied. To elucidate the characteristics of Sc_ASPase1, we expressed the protein in E. coli BL21 (DE3) cells and purified it by affinity chromatography. Sc_ASPase1 has a specific activity of 195.4 U/mg for L-asparagine and 0.36 U/mg for L-glutamine, and an allosteric behavior with a K0.5 of 75 µM for L-asparagine. Through site directed mutation, we demonstrated the importance of Thr64-Thy78-Th141-Lys215 residues for catalysis. The mutant protein isoforms A331D, K335E, Y243S, S301N and ΔG77 showed no improvement in kinetic parameters or specific activity. We build and cloned Sc_ASPase1 with the deletion of the first 52 amino acids, but under the conditions tested the protein was expressed in insoluble form. Sc_ASPase1 have demonstrated potential antineoplastic activityc, since 10 U/mL of enzyme lead to 85% of mortality in leukemia cell line MOLT-4. At the same concentration, the E. coli enzyme kills 95% of the cells of the same line.

Utilizada amplamente no tratamento de Leucemias Linfoblásticas Agudas, a L-Asparaginase é uma enzima que atua diminuindo a concentração de L-asparagina livre no plasma e, dessa forma, impede a proliferação de células cancerígenas. Isso ocorre porque tais células, ao contrário das células saudáveis, não conseguem sintetizar o aminoácido L-asparagina que necessitam para a síntese proteica por não possuírem a enzima asparagina sintetase devido a um silenciamento genético. A L-Asparaginase utilizada no Brasil era importada e produzida em bactéria, o que gerava problemas com custo e abastecimento, além de causar algumas reações imunológicas aos usuários. Isso impulsiona a encontrar alternativas para produção nacional de tal enzima e, se possível, com menor potencial alergênico. Para isso, foi estudada a produção da enzima L-Asparaginase do gene ASP1 de Saccharomyces cerevisiae em sistema de expressão heteróloga Pichia pastoris através da clonagem do gene sintético (ASP1), com códons otimizados para expressão em P. pastoris, estudo este nunca antes realizado ao que se sabe. Além disso, a produção da enzima foi realizada com auxílio de um planejamento experimental fatorial em agitador orbital levando em conta as variáveis: pH, temperatura e concentração do indutor. A melhor condição encontrada dentre as estudadas neste trabalho foi, a temperatura de 20°C, pH 6,0 e concentração de indutor de 1,5% que alcançou uma atividade de 6,9 U/g de célula e apesar do esforços, o peptídeo sinal utilizado (alfa da S. cerevisiae) não foi capaz de promover a secreção da enzima para o meio extracelular.Deve-se salientar que a realização de um maior número de ensaios através de um planejamento experimental fatorial fracionário para encontrar uma região de rendimentos máximos talvez melhore o ajuste dos modelos mostrados. Este trabalho foi a primeira tentativa de expressão do gene ASP1 de S. cerevisiae em Pichia pastoris até o momento, e pretende-se aprofundar mais este estudo. / Used widely in the treatment of Acute lymphoblastic leukemia, L-Asparaginase is an enzyme that acts by decreasing the concentration of L-asparagine free in the plasma and thus prevents the proliferation of cancer cells. This is because such cells, in contrast to healthy cells can not synthesize L-asparagine amino acid for protein synthesis need not possess the enzyme asparagine synthetase due to a gene silencing. The L-asparaginase used in Brazil was imported and produced in bacteria, which caused problems with cost and supply, as well as cause some immune responses to users. This boosts find alternatives to domestic production of this enzyme and, if possible, less allergenic potential. For this, the production of L-asparaginase enzyme ASP1 Saccharomyces cerevisiae gene heterologous to Pichia pastoris expression system was investigated by cloning the synthetic gene (ASP1), with codons optimized for expression in P. pastoris, this study never before achieved to what is known. Furthermore, the enzyme production was performed with the aid of a factorial design in an orbital shaker taking into account the following variables: pH, temperature and concentration of inducer. The best condition found among those studied in this work was a temperature of 20 ° C, pH 6.0 and concentration of 1.5% inductor attained an activity of 6.9 U / g cell and despite the efforts, used signal peptide (S. cerevisiae alpha) was not able to promote the secretion of the enzyme into the medium extracelular.Deve be noted that the achievement of a greater number of tests using a fractional factorial design yields to find a region maximum might improve the fit of the models shown. This work was the first attempt to ASP1 gene expression of S. cerevisiae in Pichia pastoris to date, and is intended to further deepen this study.

A enzima L-Asparaginase (ASNase) é um biofámaco utilizado no tratamento da leucemia linfoblástica aguda, no entanto, a evolução da produção da ASNase como um medicamento desde o final da década de 1970 resultou em apenas quatro alternativas disponíveis no mercado farmacêutico, com relatos de graves reações imunogênicas e toxicidade. Desse modo, a nanotecnologia é uma plataforma que pode ser explorada para administração dessa enzima diminuindo a exposição da mesma a proteases e aumentando a sua meia-vida aparente. Os polimerossomos (PL) são opções que pela nanoestrutura vesicular poderiam encapsular a ASNase em seu core aquoso e pela presença de uma membrana polimérica, são mais robustos que os lipossomos. Assim, neste trabalho objetivou-se desenvolver PL para encapsulação da ASNase como uma alternativa às formulações deste biofármaco existentes. Foram desenvolvidos PL de PEG-PLA, PMPC-PDPA, PEG-PDPA e Pluronic® L-21. Foram estudados fatores relacionados à composição dos copolímeros (fração hidrofílica, responsividade a fatores externos tais como pH e temperatura) e métodos de elaboração (hidratação do filme polimérico, troca de pH e temperatura) bem como foi feita a caracterização dos PL obtidos (tamanho, índice de polidispersão, espessura de membrana, formação de excessivo bulk polimérico, obtenção de micelas). Também foi feito um planejamento racional para encapsulação da ASNase (hidratação direta do filme polimérico e encapsulação por eletroporação, autoagregação com encapsulação por troca de pH ou de temperatura). Para os PL preparados com PEG-PLA, a extrusão resultou em distribuição de tamanhos mais estreitos correspondentes aos valores de PDI de 0,345, 0,144 e 0,081 para PEG45-PLA69, PEG114-PLA153 e PEG114-PLA180, respectivamente. Foi demonstrado que copolímeros com menor fração hidrofóbica resultam em maior eficiência de encapsulação para proteínas, já que possuem volumes aquosos maiores. Com o PMPC25-PDPA72 foi possível encapsular em média três unidades de ASNase por vesículas através da eletroporação ou troca de pH, sendo que no primeiro método houve formação de túbulos e no último método as micelas não foram completamente removidas. Para PEG100-PDPA80, grandes agregados permaneceram após a purificação levando a um PDI alto, mas não foi observada a formação de túbulos, já a troca de pH para este copolímero resultou em maior perda de copolímeros como bulk polimérico precipitado. Para o copolimero tribloco Pluronic® L-121, foi observado que as vesículas eram estáveis durante uma semana à temperatura ambiente, contrariando o que era descrito na literatura. Nesses sistemas, quando preparados por hidratação do filme, a encapsulação da ASNase foi realizada por eletroporação mas a proteína não foi detectada dentro das vesículas. Atribuímos a não-encapsulação à organização da bicamada Pluronic® L-121 sem conformação definida das cadeias poliméricas, dificultando a reorganização do bloco hidrofílico na porção interna do poro durante eletroporação. Por troca de temperatura, cerca de 5 % de ASNase foi encapsulada e o método resultou em total recuperação da atividade da enzima. Desse modo foram obtidos diferentes PL com diferentes características nanoestruturais de acordo com os copolímeros utilizados para carreamento da ASNase. / The enzyme L-Asparaginase (ASNase) is a biopharmaceutical used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia, still the industrial production of ASNase as a marketable drug since the late 1970s has resulted in only four alternatives available in the pharmaceutical market, with reports of severe immunogenic reactions and toxicity. In this sense, nanotechnology is a platform that can be exploited to administer this enzyme by decreasing its exposure to proteases and increasing its apparent half-life. Polymerosomes (PL) are interesting routes which by its intrinsically vesicular nanostructure could encapsulate the ASNase in its aqueous core and by the presence of a polymeric membrane, being more robust than the liposomes. Thus, in this work it was intended to develop PL for ASNase encapsulation as an alternative to existing formulations of this biopharmaceutical. PL of PEG-PLA, PMPC-PDPA, PEG-PDPA and Pluronic® L-21 were developed. It was studied the copolymers composition (i.e. hydrophilic fraction, responsiveness to external factors such as pH and temperature), PL design (i.e. polymer film hydration, pH change and temperature) and PL characterization (i.e. size, polydispersity index - PDI, membrane thickness, formation of excessive polymer bulk, micelles production). A suitable experimental planning for ASNase encapsulation (i.e. direct hydration of the polymeric film and encapsulation by electroporation, self-aggregation with encapsulation by pH or temperature change) was also performed. For the PL prepared with PEG-PLA, the extrusion resulted in narrower size distribution corresponding to the PDI values of 0.345, 0.144 and 0.081 for PEG45-PLA69, PEG114-PLA153 and PEG114-PLA180, respectively. It has been shown that copolymers with lower hydrophobic fraction result in higher encapsulation efficiency for proteins, since they have larger aqueous volumes. With PMPC25-PDPA72 PL, it was possible to encapsulate three units of ASNase per vesicles through electroporation or pH change. In the first method, tubules were formed and in the latter one the micelles were not completely removed. For PEO100-PDPA80 PL, large aggregates remained after purification leading to a high PDI value, nevertheless no tubule formation was observed, since the pH change for this copolymer resulted in greater loss of copolymers as a precipitated polymer bulk. For the Pluronic® L-121 triblock copolymer PL, it was observed that the vesicles were stable for one week at room temperature, contrary to what was described in the literature. These PLs were prepared by film hydration method and ASNase encapsulation was performed by electroporation, nonetheless the protein was not detected within the vesicles. It is attributed the non-encapsulation to the organization of the Pluronic® L-121 bilayer without defined conformation of the polymer chains, making it difficult to reorganize the hydrophilic block in the internal portion of the pore during electroporation. By temperature change, about 5% of ASNase was encapsulated and the method resulted in complete recovery of enzyme activity. In conclusion, several PLs with a vast range of differential nanostructural characteristics were obtained according to the copolymers used for ASNase loading.

A L-Asparaginase (ASNase) é um importante agente quimioterapêutico utilizado para o tratamento da leucemia linfoblástica aguda (ALL) há mais de 40 anos. No entanto, devido à origem biológica da ASNase, enzima produzida por Escherichia coli, problemas como a imunogenicidade e baixa meia vida-plasmática devem ser considerados. Com o objetivo de minimizar essas desvantagens, várias ASNases homólogas bem como formulações de ASNase de E. coli foram investigadas. Nenhuma das formulações desenvolvidas, entretanto, foi capaz de resolver definitivamente esses problemas associados à sua origem. Nesse sentido, considerando os recentes avanços na ciência de polímeros com a possibilidade do obtenção de vesículas poliméricas usando copolímeros, este trabalho concentrou-se no desenvolvimento de polimerossomos de poli(etileno glicol)-b-poli(ε-caprolactona) (PEG-PCL) para encapsular a ASNase. Diversas condições experimentais foram investigadas e, ao final, os polimerossomos foram produzidos pela técnica de hidratação do filme polimérico utilizando a centrifugação como técnica de pós-filme para remoção de copolímero precipitado, produzindo assim vesículas polímericas de 120 a 200nm com PDI de aproximadamente 0,250. A eficiência de encapsulação da ASNase, utilizando as metodologias de centrifugação ou cromatografia de exclusão molecular, revelou taxas de encapsulação de 20-25% e 1 a 7%, repectivamente. Esses resultados apontam a importância de se determinar a eficiência de encapsulação por cromatografia de exclusão molecular ou método direto no caso de nanoestruturas auto-agregadas formadas por copolímeros, devido a valores superestimados com o emprego da centrifugação. Ainda que estudos complementares se façam necessários para liberação da enzima encapsulada ou penetração da L-asparagina nas vesículas, nossos resultados demonstram o potencial de polimerossomos para veiculação de ASNase, bem como de outras proteínas terapêuticas. / L-Asparaginase (ASNase) is an important chemotherapeutic agent used for the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL) for more than 40 years. However, due to the biological origin of ASNase (produced by Escherichia coli) some drawbacks such as immunogenicity and low plasma half life are present. In order to minimize the disadvantages, several ASNases proteoforms and formulations of E. coli ASNase were investigated. However, none of this formulations completely solved the main drawbacks of ASNase. In this sense, considering the recents advances in polymers science with the possibility to develop polymeric vesicles using copolymers, this work aimed at the development of poly(ethylene glycol)-b-poly(ε-caprolactone) (PEG-PCL) vesicles to encapsulate ASNase. Different experimental conditions were investigated and, the final polymersomes formulation was prepared by film hydratation using centrifugation as a post-film technique to remove the bulky coplymer. Polymeric vesicles of 120 to 200nm with PDI of approximately, 0.250 were obtained. The encapsulation efficiency of ASNase was determined indirectly by centrifugation and directly by size exclusion chromatography, resulting in encapsulation rates of 20-25% and 1 to 7%, respectively. These results indicate the importance of determining the efficiency of encapsulation by size exclusion chromatography or direct method in the case of self-aggregated nanostructures formed by copolymers, due to values overestimated with the use of centrifugation. Our results point to the potential of polymersomes for ASNase delivery, as well as other therapeutic proteins. Nonetheless, complimentary studies are still necessary for ASNase release or L-asparagine penetration into the vesicles.

A enzima L-asparaginase (ASNase) usada como biofármaco no tratamento de Leucemia Linfoblástica Aguda (LLA) é de origem bacteriana, o que provoca reações imunológicas nos paciente e a ASNase usada no Brasil é importada o que dificulta seu uso por razões de abastecimento e de preço. Por outra parte, dentro dos sistemas de expressão de proteínas recombinantes usados pela biotecnologia, destaca-se a Pichia pastoris, levedura metilotrófica de fácil manipulação, crescimento rápido, alta capacidade de expressão e capaz de realizar modificações pós-traducionais. Neste projeto, o gene de ASNase II de Saccharomyces cerevisiae foi expressa em P. pastoris (Muts), tendo sido analisada a localização da enzima nos meios extracelular, intracelular e espaço periplasmático. Além disso, foram avaliadas diversas condições de crescimento e indução da ASNase em agitador orbital e finalmente foi feito o cultivo em biorreator de 3L operado em batelada. Segundo o analise da expressão, a enzima foi localizada no espaço periplasmático. O crescimento de P. pastoris em diferentes concentrações de glicerol (10,0 - 50,0 g.L-1) mostraram parâmetros cinéticos similares (µmáx = 0,35 h-1; tg= 2,0 h) e o maior fator de conversão de substrato em células (Y x/s = 0,9 g g-1) foi obtido com 10,0 g.L-1 de glicerol. A expressão de ASNase somente ocorreu a 20 °C e melhora com concentrações de metanol acima de 1,0% (v/v), obtendo-se a maior produção da enzima a 3% de metanol durante 48 horas, o que foi corroborado pelo planejamento fatorial fraccionado (3n-k + 2), n = 3 e k =1. Também se observou que o pH de indução, a suplementação com aminoácidos ou casaminoácidos e concentração de glicerol durante a fase de crescimento apresentaram pouca ou nenhuma influência na expressão. Entretanto, as células induzidas imediatamente após o glicerol ter sido consumido melhoraram a produção de ASNase. No cultivo em biorreator, a fase de crescimento foi feita com 10,0 e 40,0 g.L-1-1 de glicerol, e a fase de indução com pulsos de 3,0% (v/v) de metanol durante 120 horas. A maior atividade volumétrica (710,2 U.L-1) de ASNase foi obtida na batelada com 40,0 g.L-1 de glicerol e a atividade periplasmática foi constante durante o tempo de cultivo o que significa que o controle do pH afeta positivamente na expressão de ASNase. / The bacterial L-asparaginase (ASNase) is used as biopharmaceutical in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL) and non-Hodgkin lymphoma and because his origin causes immune reactions in patients. The ASNase used in Brazil is imported which hinders its use due to supply availability and price. The methylotrophic yeast Pichia pastoris, is a microrganism easy to handle and with fast growth and high capacity of expression of recombinant proteins and that is able to carry out post-translational modifications. In this work, Saccharomyces cerevisiae ASNase II gene was expressed in Pichia pastoris (Muts) and was analyzed its localization in extra and intracellular medium and periplasmic space. Also, different conditions of growth and induction were evaluated in shaker, that culminated in a cultivation carried out in 3L bioreactor operated in batch. According the expression analysis, the enzyme was localized in periplasmic space; Pichia pastoris growth in different concentrations of glycerol (10 - 50 g.L-1) show similar kinetic parameters (µmáx = 0.35 h-1; tg = 2.0 h), with the higher substrate to biomass yield (Y x/s= 0.9 g.g-1) obtained with 10 g.L-1 of glycerol. The ASNase expression only occurred at 20°C and improves with methanol concentrations above 1.0% (v/v) to yield the highest production ASNase 3.0% methanol for 48 hours, which was corroborated by factorial fractionated design (3n-k + 2), n = 3 and k = 1. Also was observed that the pH of induction, supplementation with amino acids or casaminoacids and glycerol concentration during the growth phase had little or null influence on the expression. However the induction immediately after glycerol depletion improved the ASNase production. In bioreactor, were used 10 and 40 g.L-1 of glycerol in the growth phase and in the induction phase were used methanol pulses of 3.0% (v/v) during 120 hours. The major volumetric activity (710,2 U.L-1) of ASNase occurred in batch cultivation with 40 g.L-1 of glycerol and periplasmic activity was almost constant during the process which means that the control of pH affects positively the ASNase expression.

A enzima L-Asparaginase (ASNase) é um biofámaco utilizado no tratamento da leucemia linfoblástica aguda, no entanto, a evolução da produção da ASNase como um medicamento desde o final da década de 1970 resultou em apenas quatro alternativas disponíveis no mercado farmacêutico, com relatos de graves reações imunogênicas e toxicidade. Desse modo, a nanotecnologia é uma plataforma que pode ser explorada para administração dessa enzima diminuindo a exposição da mesma a proteases e aumentando a sua meia-vida aparente. Os polimerossomos (PL) são opções que pela nanoestrutura vesicular poderiam encapsular a ASNase em seu core aquoso e pela presença de uma membrana polimérica, são mais robustos que os lipossomos. Assim, neste trabalho objetivou-se desenvolver PL para encapsulação da ASNase como uma alternativa às formulações deste biofármaco existentes. Foram desenvolvidos PL de PEG-PLA, PMPC-PDPA, PEG-PDPA e Pluronic® L-21. Foram estudados fatores relacionados à composição dos copolímeros (fração hidrofílica, responsividade a fatores externos tais como pH e temperatura) e métodos de elaboração (hidratação do filme polimérico, troca de pH e temperatura) bem como foi feita a caracterização dos PL obtidos (tamanho, índice de polidispersão, espessura de membrana, formação de excessivo bulk polimérico, obtenção de micelas). Também foi feito um planejamento racional para encapsulação da ASNase (hidratação direta do filme polimérico e encapsulação por eletroporação, autoagregação com encapsulação por troca de pH ou de temperatura). Para os PL preparados com PEG-PLA, a extrusão resultou em distribuição de tamanhos mais estreitos correspondentes aos valores de PDI de 0,345, 0,144 e 0,081 para PEG45-PLA69, PEG114-PLA153 e PEG114-PLA180, respectivamente. Foi demonstrado que copolímeros com menor fração hidrofóbica resultam em maior eficiência de encapsulação para proteínas, já que possuem volumes aquosos maiores. Com o PMPC25-PDPA72 foi possível encapsular em média três unidades de ASNase por vesículas através da eletroporação ou troca de pH, sendo que no primeiro método houve formação de túbulos e no último método as micelas não foram completamente removidas. Para PEG100-PDPA80, grandes agregados permaneceram após a purificação levando a um PDI alto, mas não foi observada a formação de túbulos, já a troca de pH para este copolímero resultou em maior perda de copolímeros como bulk polimérico precipitado. Para o copolimero tribloco Pluronic® L-121, foi observado que as vesículas eram estáveis durante uma semana à temperatura ambiente, contrariando o que era descrito na literatura. Nesses sistemas, quando preparados por hidratação do filme, a encapsulação da ASNase foi realizada por eletroporação mas a proteína não foi detectada dentro das vesículas. Atribuímos a não-encapsulação à organização da bicamada Pluronic® L-121 sem conformação definida das cadeias poliméricas, dificultando a reorganização do bloco hidrofílico na porção interna do poro durante eletroporação. Por troca de temperatura, cerca de 5 % de ASNase foi encapsulada e o método resultou em total recuperação da atividade da enzima. Desse modo foram obtidos diferentes PL com diferentes características nanoestruturais de acordo com os copolímeros utilizados para carreamento da ASNase. / The enzyme L-Asparaginase (ASNase) is a biopharmaceutical used in the treatment of acute lymphoblastic leukemia, still the industrial production of ASNase as a marketable drug since the late 1970s has resulted in only four alternatives available in the pharmaceutical market, with reports of severe immunogenic reactions and toxicity. In this sense, nanotechnology is a platform that can be exploited to administer this enzyme by decreasing its exposure to proteases and increasing its apparent half-life. Polymerosomes (PL) are interesting routes which by its intrinsically vesicular nanostructure could encapsulate the ASNase in its aqueous core and by the presence of a polymeric membrane, being more robust than the liposomes. Thus, in this work it was intended to develop PL for ASNase encapsulation as an alternative to existing formulations of this biopharmaceutical. PL of PEG-PLA, PMPC-PDPA, PEG-PDPA and Pluronic® L-21 were developed. It was studied the copolymers composition (i.e. hydrophilic fraction, responsiveness to external factors such as pH and temperature), PL design (i.e. polymer film hydration, pH change and temperature) and PL characterization (i.e. size, polydispersity index - PDI, membrane thickness, formation of excessive polymer bulk, micelles production). A suitable experimental planning for ASNase encapsulation (i.e. direct hydration of the polymeric film and encapsulation by electroporation, self-aggregation with encapsulation by pH or temperature change) was also performed. For the PL prepared with PEG-PLA, the extrusion resulted in narrower size distribution corresponding to the PDI values of 0.345, 0.144 and 0.081 for PEG45-PLA69, PEG114-PLA153 and PEG114-PLA180, respectively. It has been shown that copolymers with lower hydrophobic fraction result in higher encapsulation efficiency for proteins, since they have larger aqueous volumes. With PMPC25-PDPA72 PL, it was possible to encapsulate three units of ASNase per vesicles through electroporation or pH change. In the first method, tubules were formed and in the latter one the micelles were not completely removed. For PEO100-PDPA80 PL, large aggregates remained after purification leading to a high PDI value, nevertheless no tubule formation was observed, since the pH change for this copolymer resulted in greater loss of copolymers as a precipitated polymer bulk. For the Pluronic® L-121 triblock copolymer PL, it was observed that the vesicles were stable for one week at room temperature, contrary to what was described in the literature. These PLs were prepared by film hydration method and ASNase encapsulation was performed by electroporation, nonetheless the protein was not detected within the vesicles. It is attributed the non-encapsulation to the organization of the Pluronic® L-121 bilayer without defined conformation of the polymer chains, making it difficult to reorganize the hydrophilic block in the internal portion of the pore during electroporation. By temperature change, about 5% of ASNase was encapsulated and the method resulted in complete recovery of enzyme activity. In conclusion, several PLs with a vast range of differential nanostructural characteristics were obtained according to the copolymers used for ASNase loading.

A enzima L-asparaginase (L-asparagina amino hidrolase, E.C. 3.5.1.1) é uma das drogas mais utilizadas no tratamento da leucemia linfoblástica aguda. A enzima catalisa a hidrólise do aminoácido asparagina em ácido aspártico e amônia. Algumas linhagens de células tumorais não são capazes de produzir asparagina, dependendo do aminoácido presente no plasma para a síntese proteica. A redução dos níveis plasmáticos de asparagina inibe a síntese de proteínas e depois a síntese de RNA e DNA das células leucêmicas levando-as a morte por apoptose. A cepa de Aspergillus terreus (PC-1.7.A) utilizada nesse trabalho foi isolada de solo e produziu altas concentrações de L-asparaginase. O objetivo do presente trabalho foi purificar, caracterizar, conjugar a enzima e avaliar sua atividade citotóxica em linhagens de células tumorais in vitro. Para a purificação da enzima foram utilizados métodos cromatográficos de interação por troca iônica (DEAE Sepharose) e por gel filtração em diferentes fluxos (Sephacryl S-200HR). A enzima pura foi conjugada com metóxi polietilenoglicol e manteve 93% da atividade inicial. A enzima presente no fluido da cultura dialisado e concentrado manteve sua atividade por até 90 dias a 5ºC. Composta por uma subunidade com massa molecular de 125 kDa a L-asparaginase purificada de A. terreus apresentou atividade catalítica ótima em pH 9,5 e 40ºC e foi estável nessa temperatura por pelo menos 120 minutos. A enzima pura e pura-conjugada apresentou valores de Km de 2,42 e 2,51 mmol/L e Vmax de 11,91 e 12,08 umol.min-1.mg-1, respectivamente. A enzima pura-conjugada perdeu metade de sua atividade em trinta minutos quando incubada com enzimas proteolíticas, enquanto que a enzima pura perdeu metade de sua atividade em cinco minutos sob as mesmas condições. A L-asparaginase pura na concentração de 200 ug/mL reduziu em 50% as células viáveis das linhagens tumorais HL-60 e RS4;11 nos tempos de incubação de 72 e 96 horas, respectivamente, sob as mesmas condições a enzima pura não apresentou atividade citotóxica contra a linhagem controle (PBMC). / The enzyme L-asparaginase (L-asparagin amino hydrolase, E.C. 3.5.1.1) is one of the most commonly used drugs in the treatment of acute lymphoblastic leukaemia. This enzyme catalyzes a hydrolysis of amino acid asparagine into aspartic acid and ammonia. Some tumour cell lines are unable to produce asparagine depending on the amino acid in plasma for protein synthesis. Reduced levels of plasma asparagine inhibit protein synthesis and later synthesis of RNA and DNA in leukemic cells causing them to die by apoptosis. The strain of Aspergillus terreus (PC-1.7.A) in this work was isolated from soil and produced high concentrations of L-asparaginase. The aim of this study was to purify, characterize, conjugate the enzyme and to evaluate its cytotoxic activity in tumour cell lines in vitro. Enzyme purification was achieved by applying chromatography methods of ion exchange (DEAE Sepharose) and gel filtration (Sephacryl S-200HR) at different flows. The pure enzyme was conjugated with methoxy polyethylene glycol and kept 93% of initial activity. The enzyme present in dialysed and concentrated culture fluid maintained its activity for up to 90 days at 5°C. Composed of a subunit with molecular mass of 125 kDa, L-asparaginase purified from A. terreus showed optimum catalytic activity at pH 9.5 and 40°C and was stable at this temperature for at least 120 minutes. The pure and pure-conjugated enzymes showed Km values of 2.42 and 2.51 mmol/L and Vmax of 11.91 and 12.08 umol.min-1.mg-1 respectively. The pure-conjugated enzyme lost half of its activity in thirty minutes when incubated with proteolytic enzymes, while pure enzyme lost half of its activity in five minutes under same conditions. Pure L-asparaginase at a concentration of 200 ug/mL reduced by 50% number a viable cells in tumour cell lines HL-60 and RS4;11 in incubation times of 72 and 96 hours, respectively. Under same conditions pure enzyme showed no cytotoxic activity against control cell line.

A enzima L-asparaginase (ASNase) usada como biofármaco no tratamento de Leucemia Linfoblástica Aguda (LLA) é de origem bacteriana, o que provoca reações imunológicas nos paciente e a ASNase usada no Brasil é importada o que dificulta seu uso por razões de abastecimento e de preço. Por outra parte, dentro dos sistemas de expressão de proteínas recombinantes usados pela biotecnologia, destaca-se a Pichia pastoris, levedura metilotrófica de fácil manipulação, crescimento rápido, alta capacidade de expressão e capaz de realizar modificações pós-traducionais. Neste projeto, o gene de ASNase II de Saccharomyces cerevisiae foi expressa em P. pastoris (Muts), tendo sido analisada a localização da enzima nos meios extracelular, intracelular e espaço periplasmático. Além disso, foram avaliadas diversas condições de crescimento e indução da ASNase em agitador orbital e finalmente foi feito o cultivo em biorreator de 3L operado em batelada. Segundo o analise da expressão, a enzima foi localizada no espaço periplasmático. O crescimento de P. pastoris em diferentes concentrações de glicerol (10,0 - 50,0 g.L-1) mostraram parâmetros cinéticos similares (µmáx = 0,35 h-1; tg= 2,0 h) e o maior fator de conversão de substrato em células (Y x/s = 0,9 g g-1) foi obtido com 10,0 g.L-1 de glicerol. A expressão de ASNase somente ocorreu a 20 °C e melhora com concentrações de metanol acima de 1,0% (v/v), obtendo-se a maior produção da enzima a 3% de metanol durante 48 horas, o que foi corroborado pelo planejamento fatorial fraccionado (3n-k + 2), n = 3 e k =1. Também se observou que o pH de indução, a suplementação com aminoácidos ou casaminoácidos e concentração de glicerol durante a fase de crescimento apresentaram pouca ou nenhuma influência na expressão. Entretanto, as células induzidas imediatamente após o glicerol ter sido consumido melhoraram a produção de ASNase. No cultivo em biorreator, a fase de crescimento foi feita com 10,0 e 40,0 g.L-1-1 de glicerol, e a fase de indução com pulsos de 3,0% (v/v) de metanol durante 120 horas. A maior atividade volumétrica (710,2 U.L-1) de ASNase foi obtida na batelada com 40,0 g.L-1 de glicerol e a atividade periplasmática foi constante durante o tempo de cultivo o que significa que o controle do pH afeta positivamente na expressão de ASNase. / The bacterial L-asparaginase (ASNase) is used as biopharmaceutical in the treatment of acute lymphoblastic leukemia (ALL) and non-Hodgkin lymphoma and because his origin causes immune reactions in patients. The ASNase used in Brazil is imported which hinders its use due to supply availability and price. The methylotrophic yeast Pichia pastoris, is a microrganism easy to handle and with fast growth and high capacity of expression of recombinant proteins and that is able to carry out post-translational modifications. In this work, Saccharomyces cerevisiae ASNase II gene was expressed in Pichia pastoris (Muts) and was analyzed its localization in extra and intracellular medium and periplasmic space. Also, different conditions of growth and induction were evaluated in shaker, that culminated in a cultivation carried out in 3L bioreactor operated in batch. According the expression analysis, the enzyme was localized in periplasmic space; Pichia pastoris growth in different concentrations of glycerol (10 - 50 g.L-1) show similar kinetic parameters (µmáx = 0.35 h-1; tg = 2.0 h), with the higher substrate to biomass yield (Y x/s= 0.9 g.g-1) obtained with 10 g.L-1 of glycerol. The ASNase expression only occurred at 20°C and improves with methanol concentrations above 1.0% (v/v) to yield the highest production ASNase 3.0% methanol for 48 hours, which was corroborated by factorial fractionated design (3n-k + 2), n = 3 and k = 1. Also was observed that the pH of induction, supplementation with amino acids or casaminoacids and glycerol concentration during the growth phase had little or null influence on the expression. However the induction immediately after glycerol depletion improved the ASNase production. In bioreactor, were used 10 and 40 g.L-1 of glycerol in the growth phase and in the induction phase were used methanol pulses of 3.0% (v/v) during 120 hours. The major volumetric activity (710,2 U.L-1) of ASNase occurred in batch cultivation with 40 g.L-1 of glycerol and periplasmic activity was almost constant during the process which means that the control of pH affects positively the ASNase expression.