β-Glucosidase (β-D-glucoside glucohydrolase, EC 3.2.1.21) catalyzes the hydrolysis of aryl and alkyl β-D-glucosides as well as glucosides with a carbohydrate moiety such as cellobiose and other beta-linked oligosaccharides. In maize (Zea mays L.), β-glucosidase exists as 120 kD homodimers, but also forms high-molecular-weight (HMW) aggregates in certain maize inbreds (nulls). In this study we show that the null β-glucosidase phenotype is caused by the formation of HMW enzyme aggregates (>1.5 X 10⁶ Daltons), caused by a β-glucosidase aggregating factor (BGAF). BGAF is a 32 kD protein that binds specifically to β-glucosidase and renders it insoluble during extraction. The data unequivocally demonstrate that BGAF is solely responsible for β-glucosidase aggregation and insolubility, and thus, the apparent null phenotype. Additionally, I have isolated the cDNA encoding BGAF and have identified BGAF as a member of the small heat-shock protein (sHsp) family. Interestingly, BGAF binds to both maize β-glucosidase isozymes (Glu1 and Glu2), but does not bind to their sorghum homolog Dhurrinase-1 (Dhr1; Sorghum beta-glucosidase), that shares 70% sequence identity with Glu1 and Glu2. Therefore, these proteins provide an excellent system to study functional differences at nonconserved residues and elucidate the mechanism of enzyme aggregation and insolubility. By examining the behavior of β-glucosidase chimeras in binding assays, I demonstrate that BGAF binding is conformation dependent, highly specific, and reminiscent of antigen-antibody interactions. Additionally, I have identified two disparate polypeptide segments in the primary structure of the maize beta-glucosidase isozyme Glu1 that form a BGAF binding site in the tertiary structure of the enzyme. / Master of Science

A celulose é o biopolímero de maior abundância no mundo e tem potencial para se tornar fonte de energia renovável através de sua transformação em açúcares fermentáveis, que por sua vez serão transformados em etanol. A recalcitrância da celulose, principal dificuldade encontrada no processo, pode ser superada com o auxílio de enzimas (celulases). Ao menos três enzimas celulolíticas são necessárias para a degradação total da celulose, incluindo as celobioidrolases, que hidrolisam as ligações glicosídicas das extremidades redutoras e não redutoras da cadeia, as endoglucanases, que clivam a cadeia de celulose amorfa randomicamente, e as beta-glicosidases, que produzem glicose através dos celo-oligômeros. Mas para que esse processo se torne financeiramente viável é necessário conhecer o funcionamento, otimizar a atividade e aumentar a produção dessas celulases. Com o intuito de avançar na compreensão da função e estrutura dessas enzimas, o presente trabalho teve como objetivo o estudo estrutural de beta-glicosidases da família GH1 e endoglucanases da família GH5. Na primeira parte do trabalho, a expressão da endoglucanase II de Trichoderma reesei não foi alcançada, mesmo utilizando diferentes organismos e condições de expressão. Porém, na segunda etapa, foi obtida a expressão, purificação e os primeiros ensaios de cristalização de 11 beta-glicosidases bacterianas da família GH1 e 8 endoglucanases bacterianas da família GH5. Dentre elas, três beta-glicosidases e uma endoglucanase de Bacillus licheniformis foram cristalizadas e tiveram sua estrutura resolvida. As beta-glicosidases, apesar de possuírem o enovelamente similar, apresentaram variações no tamanho e posição das alças formadoras da fenda catalítica e divergem em relação a um dos aminoácidos importantes para a estabilização do substrato. Essas diferenças podem ajudar a explicar o mecanismo dessas enzimas para reconhecer substratos distintos. A endoglucanase da família GH5, possuindo dois módulos acessórios, foi cristalizada tanto na forma apo quanto complexada ao substrato celotetraose. O segundo módulo acessório possivelmente é um domínio de ligação à celulose (CBM) e seus resíduos aromáticos, que são responsáveis pela interação com o substrato, parecem complementar o sítio catalítico, sendo assim um novo mecanismo de auxílio enzimático de um CBM. O primeiro módulo acessório não possui um aparente sítio de interação com carboidratos e provavelmente funciona como um conector entre domínio catalítico e o CBM. O posicionamento do substrato no sítio de ligação é parecido com outras estruturas já determinadas, porém, suscita algumas dúvidas sobre a função dos resíduos catalíticos que é conservada na família. O carbono anomérico do substrato possui uma densidade eletrônica contínua com o glutamato da fita β4 (que deveria ser o ácido/base) e está mais próximo dele que do glutamato da fita β7 (que deveria ser o nucleófilo). / Cellulose is the most abundant biopolymer in the world and can become a renewable energy source through its transformation in fermentable sugars, which will be converted in bioethanol. The cellulose recalcitrance, main difficulty in the process, can be overcome with the aid of enzymes (cellulases). At least three cellulolytic enzymes are required for complete hydrolysis of cellulose, including cellobiohydrolases for hydrolyzing the glycosidic linkages from the reducing and non-reducing chain ends, endoglucanases for randomly cleaving cellulose chains in the amorphous regions, and beta-glucosidases for producing glucose from the solubilized cello-oligomers. But, to become a financially viable process it is necessary to know the mechanism, optimize the activity and improve the production of these cellulases. In order to advance the understanding of the structure and function of these enzymes, the present work intended to study the structure of beta-glucosidases from family GH1 and endoglucanases from family GH5. In the first part of the work, the expression of endoglucanase II from Trichoderma reesei was not achieved, even using different organisms and expression conditions. However, in the second part, the expression, purification and the crystallization first trials of eleven bacterial beta-glucosidases and eight bacterial endoglucanases were achieved. Among them, three beta-glucosidases and one endoglucanase from Bacillus licheniformis were crystallized and had their structures solved. Beta-glucosidases, although having a similar folding, showed variations in the length and position of the loops that form the catalytic cleft and diverge in relation to one of the amino acids that are important in substrate stabilization. These differences may help explain the mechanism of these enzymes to recognize distinct substrates. The endoglucanase, which has two accessory modules, was crystallized in the apo form and complexed with the substrate celotetraose. The second accessory module probably is a cellulose binding domain (CBM) and its aromatic residues, which are responsible for the substrate interaction, seem to complement the catalytic site. Therefore it can be a new mechanism of CBM assistance in the enzymatic activity. The first accessory module has no apparent interaction site with carbohydrates and probably works as a connector between the catalytic domain and CBM. The positioning of the substrate in the binding site is similar to other structures already solved but raises some questions about the role of the catalytic residues, that are conserved in the family. The anomeric carbon of the substrate has a continuous electron density with glutamate from sheet-β4 (which should be the acid/base) and is closer to it than to glutamate from sheet-β7 (which should be the nucleophile).

A celulose é o biopolímero de maior abundância no mundo e tem potencial para se tornar fonte de energia renovável através de sua transformação em açúcares fermentáveis, que por sua vez serão transformados em etanol. A recalcitrância da celulose, principal dificuldade encontrada no processo, pode ser superada com o auxílio de enzimas (celulases). Ao menos três enzimas celulolíticas são necessárias para a degradação total da celulose, incluindo as celobioidrolases, que hidrolisam as ligações glicosídicas das extremidades redutoras e não redutoras da cadeia, as endoglucanases, que clivam a cadeia de celulose amorfa randomicamente, e as beta-glicosidases, que produzem glicose através dos celo-oligômeros. Mas para que esse processo se torne financeiramente viável é necessário conhecer o funcionamento, otimizar a atividade e aumentar a produção dessas celulases. Com o intuito de avançar na compreensão da função e estrutura dessas enzimas, o presente trabalho teve como objetivo o estudo estrutural de beta-glicosidases da família GH1 e endoglucanases da família GH5. Na primeira parte do trabalho, a expressão da endoglucanase II de Trichoderma reesei não foi alcançada, mesmo utilizando diferentes organismos e condições de expressão. Porém, na segunda etapa, foi obtida a expressão, purificação e os primeiros ensaios de cristalização de 11 beta-glicosidases bacterianas da família GH1 e 8 endoglucanases bacterianas da família GH5. Dentre elas, três beta-glicosidases e uma endoglucanase de Bacillus licheniformis foram cristalizadas e tiveram sua estrutura resolvida. As beta-glicosidases, apesar de possuírem o enovelamente similar, apresentaram variações no tamanho e posição das alças formadoras da fenda catalítica e divergem em relação a um dos aminoácidos importantes para a estabilização do substrato. Essas diferenças podem ajudar a explicar o mecanismo dessas enzimas para reconhecer substratos distintos. A endoglucanase da família GH5, possuindo dois módulos acessórios, foi cristalizada tanto na forma apo quanto complexada ao substrato celotetraose. O segundo módulo acessório possivelmente é um domínio de ligação à celulose (CBM) e seus resíduos aromáticos, que são responsáveis pela interação com o substrato, parecem complementar o sítio catalítico, sendo assim um novo mecanismo de auxílio enzimático de um CBM. O primeiro módulo acessório não possui um aparente sítio de interação com carboidratos e provavelmente funciona como um conector entre domínio catalítico e o CBM. O posicionamento do substrato no sítio de ligação é parecido com outras estruturas já determinadas, porém, suscita algumas dúvidas sobre a função dos resíduos catalíticos que é conservada na família. O carbono anomérico do substrato possui uma densidade eletrônica contínua com o glutamato da fita β4 (que deveria ser o ácido/base) e está mais próximo dele que do glutamato da fita β7 (que deveria ser o nucleófilo). / Cellulose is the most abundant biopolymer in the world and can become a renewable energy source through its transformation in fermentable sugars, which will be converted in bioethanol. The cellulose recalcitrance, main difficulty in the process, can be overcome with the aid of enzymes (cellulases). At least three cellulolytic enzymes are required for complete hydrolysis of cellulose, including cellobiohydrolases for hydrolyzing the glycosidic linkages from the reducing and non-reducing chain ends, endoglucanases for randomly cleaving cellulose chains in the amorphous regions, and beta-glucosidases for producing glucose from the solubilized cello-oligomers. But, to become a financially viable process it is necessary to know the mechanism, optimize the activity and improve the production of these cellulases. In order to advance the understanding of the structure and function of these enzymes, the present work intended to study the structure of beta-glucosidases from family GH1 and endoglucanases from family GH5. In the first part of the work, the expression of endoglucanase II from Trichoderma reesei was not achieved, even using different organisms and expression conditions. However, in the second part, the expression, purification and the crystallization first trials of eleven bacterial beta-glucosidases and eight bacterial endoglucanases were achieved. Among them, three beta-glucosidases and one endoglucanase from Bacillus licheniformis were crystallized and had their structures solved. Beta-glucosidases, although having a similar folding, showed variations in the length and position of the loops that form the catalytic cleft and diverge in relation to one of the amino acids that are important in substrate stabilization. These differences may help explain the mechanism of these enzymes to recognize distinct substrates. The endoglucanase, which has two accessory modules, was crystallized in the apo form and complexed with the substrate celotetraose. The second accessory module probably is a cellulose binding domain (CBM) and its aromatic residues, which are responsible for the substrate interaction, seem to complement the catalytic site. Therefore it can be a new mechanism of CBM assistance in the enzymatic activity. The first accessory module has no apparent interaction site with carbohydrates and probably works as a connector between the catalytic domain and CBM. The positioning of the substrate in the binding site is similar to other structures already solved but raises some questions about the role of the catalytic residues, that are conserved in the family. The anomeric carbon of the substrate has a continuous electron density with glutamate from sheet-β4 (which should be the acid/base) and is closer to it than to glutamate from sheet-β7 (which should be the nucleophile).

Nas células do ceco anterior de A.flavolineata, a secreção de enzimas digestivas parece ser mediada por vesículas de secreção e é influenciada pelo tempo decorrido após a refeição. Fracionamentos subcelulares das células do ceco anterior realizados 3h após a refeição indicaram que a amilase, maltase, pNΦβglu hidrolase e aminopeptidase estão enriquecidas nas frações que contém os grânulos de secreção. γ glutamil transferase, aminopeptidase e dipeptidase apresentaram uma forma solúvel e outra ligada a membrana. No conteúdo do intestino de A. flavolineata foi possível detectar a presença de 3 β-glucosidases: 1, uma celobiase-aril β-glucosidase termoestável; 2, uma aril β-glucosidase termoinstável ativa sobre pNΦβglu; 3, uma alquil β-glucosidase. A celobiase-aril β-glucosidase hidrolisa celobiose e aril β-glucosídeos em sítios diferentes e é mais ativa sobre celobiose e laminaribiose que sobre aril β-glucosídeos sintéticos ou naturais. Moléculas anfipáticas ativam a alquil β-glucosidase, tornando esta enzima efetivamente ativa apenas na digestão de membranas. Esta enzima hidrolisa alquil β-glucosídeos com 6 a 11 carbonos no radical alquil. A celobiase-aril P-glucosidase e a alquil β-glucosidase são provavelmente responsáveis pela digestão \"in vivo\" de β-1,4; β-1,3; β-1,3-1,4 glucanas e glucosilceramidas, respectivamente. / The secretion of digestive enzymes in the anterior caecal cells of A. flavolineata seems to be mediated by secretory vesicles and influenced by the period of time after a meal. Subcellular fractions of anterior caecal cells were obtained by differential centrifugation of homogenates prepared 3 hours after a meal. Amylase, maltase, pNΦβglu hidrolase and aminopeptidase are found with high activities in fractions that correspond to the contents of secretory vesicles. γ glutamil transferase, aminopeptidase and dipeptidase presented soluble and membrane-bound forms. In A. flavolineata midgut contents we found 3 β-glucosidases: 1, a heat-stable cellobiase-aryl β-glucosidase; 2, a heat-unstable activity against pNΦ β glu (aryl β-glucosidase); 3, a alkyl β-glucosidase. The cellobiase-aryl β-glucosidase hydrolyzes cellobiose and aryl β-glucosides at different active sites and is more active on cellobiose and laminaribiose than on aryl β-glucosides. Amphipatic molecules activate the alkyl β-glucosidase, making the enzyme very active only during membrane digestion. This enzyme hydrolyzes alkyl β-glucosides with 6 to 11 carbons in alkyl moiety. The cellobiase-aryl β-glucosidase and alkyl β-glucosidase are probably responsible for in vivo digestion of β-1,4; β-1,3; β-1,3-1,4 glucans and glucosylceramides, respectively.

Nas células do ceco anterior de A.flavolineata, a secreção de enzimas digestivas parece ser mediada por vesículas de secreção e é influenciada pelo tempo decorrido após a refeição. Fracionamentos subcelulares das células do ceco anterior realizados 3h após a refeição indicaram que a amilase, maltase, pNΦβglu hidrolase e aminopeptidase estão enriquecidas nas frações que contém os grânulos de secreção. γ glutamil transferase, aminopeptidase e dipeptidase apresentaram uma forma solúvel e outra ligada a membrana. No conteúdo do intestino de A. flavolineata foi possível detectar a presença de 3 β-glucosidases: 1, uma celobiase-aril β-glucosidase termoestável; 2, uma aril β-glucosidase termoinstável ativa sobre pNΦβglu; 3, uma alquil β-glucosidase. A celobiase-aril β-glucosidase hidrolisa celobiose e aril β-glucosídeos em sítios diferentes e é mais ativa sobre celobiose e laminaribiose que sobre aril β-glucosídeos sintéticos ou naturais. Moléculas anfipáticas ativam a alquil β-glucosidase, tornando esta enzima efetivamente ativa apenas na digestão de membranas. Esta enzima hidrolisa alquil β-glucosídeos com 6 a 11 carbonos no radical alquil. A celobiase-aril P-glucosidase e a alquil β-glucosidase são provavelmente responsáveis pela digestão \"in vivo\" de β-1,4; β-1,3; β-1,3-1,4 glucanas e glucosilceramidas, respectivamente. / The secretion of digestive enzymes in the anterior caecal cells of A. flavolineata seems to be mediated by secretory vesicles and influenced by the period of time after a meal. Subcellular fractions of anterior caecal cells were obtained by differential centrifugation of homogenates prepared 3 hours after a meal. Amylase, maltase, pNΦβglu hidrolase and aminopeptidase are found with high activities in fractions that correspond to the contents of secretory vesicles. γ glutamil transferase, aminopeptidase and dipeptidase presented soluble and membrane-bound forms. In A. flavolineata midgut contents we found 3 β-glucosidases: 1, a heat-stable cellobiase-aryl β-glucosidase; 2, a heat-unstable activity against pNΦ β glu (aryl β-glucosidase); 3, a alkyl β-glucosidase. The cellobiase-aryl β-glucosidase hydrolyzes cellobiose and aryl β-glucosides at different active sites and is more active on cellobiose and laminaribiose than on aryl β-glucosides. Amphipatic molecules activate the alkyl β-glucosidase, making the enzyme very active only during membrane digestion. This enzyme hydrolyzes alkyl β-glucosides with 6 to 11 carbons in alkyl moiety. The cellobiase-aryl β-glucosidase and alkyl β-glucosidase are probably responsible for in vivo digestion of β-1,4; β-1,3; β-1,3-1,4 glucans and glucosylceramides, respectively.

Foram purificadas através de uma combinação de cromatografias as duas &#946;- glicosidases digestivas (Mr 47.000 e 50.000 - denominadas &#946;47 e &#946;50, respectivamente) encontradas na larva de S. frugiperda. Experimentos de competição entre substratos e modificação química mostraram que a &#946;47 possui dois sítios ativos. Um desses sítios denominado aril&$946;glicosidase apresenta um subsítio -1 que liga galactose mais eficientemente do enquanto ,que o subsítio +1 prefere pequenos grupos hidrofóbicos cíclicos. O segundo sítio, denominado celobiase, possui um subsítio -1 que prefere glicose. Já a região de ligação do aglicone apresenta 4 subsítios, que ligam glicose com afinidade decrescente à medida que afastam-se do ponto de clivagem do substrato. O cDNA que codifica a &#946;50 foi clonado e sequenciado. Alinhamentos de sequência de aminoácidos, experimentos de competição entre substratos e inibição mostraram que esta enzima possui apenas um sítio ativo. O subsítio -1, cuja especificidade é controlada por uma rede de pontes de hidrogênio, foi estudado comparando-se os parâmetros cinéticos (Kcat e KcaUKm) para a hidrólise de NP&#946;glicosídeos. A região de posicionamento do aglicone, uma fenda hidrofóbica composta de 3 subsítios, foi caracterizada utilizando-se alquil &#946;-glucosídeos e oligocelodextrinas como inibidores. O alinhamento da sequência de aminoácidos da &#946;50 com outras glicosil hidrolases sugeriu quais aminoácidos participariam da ligação do substrato e que o GlU187 (doador de prótons - pKa = 7,5) e o GIU399 (nucleófilo - pKa = 4,5) estão diretamente envolvidos na catálise. Além disso, a Arg97 e a Tyr331 participam indiretamente modulando o pKa do GIU399. r . / Two digestive &#946;-glycosidases (MW 47,000 and 50,000, named &#946;gly47 and &#946;gly50, respectively) whose are found in the S. frugiperda larvae were purified by a combination of chromatographic steps. Substrate competition experiments and chemical modification data showed that &#946;gly47 has two active sites. One of them was called aryl &#946;-glycosidase and presents a -1 subsite that prefers galactose while the +1 subsite binds small cyclic hydrophobic groups. The other active site was called cellobiase and presents 4 subsites that bind glucose residues weaker as they get far from the cleavage point. The cDNA that codes the &#946;gly50 was cloned and sequenced. Amino acid sequence alignment, substrate competition experiments and inhibitions proved that this enzyme has just one active site. The -1 subsite specificity is controlled by a hydrogen bond network as it was showed comparing the kinetic parameters (Kcat and KcatlKm) for some NP&#946;glycosides hydrolysis. The aglycone binding region, a hydrophobic cleft, was studied with alkyl &#946;-glucosides and oligocellodextrins as competitive inhibitors. Amino acid sequence alignment between the &#946;gly50 and other glycosil hydrolases showed the amino acids responsible for the substrate binding and that the GIU<SUB.187 (proton donor - pKa = 7.5) and GIU399 (nucleophile - pKa = 4.5) are directly involved in the catalysis. Beside this, Arg97 and Tyr331 participate indirectly in the catalysis, modulating the nucleophile pKa

Orientador: Roberto da Silva / Banca: Antonio José de Almeida Meirelles / Banca: Maurício Boscolo / Resumo: O capitulo 1 deste trabalho descreve o Pré-tratamento do bagaço de cana-de-açúcar e avalia a sua sacarificação enzimática a partir de diferentes extratos enzimáticos dos fungos Penicillium viridicatum RFC3, Trichodermareesei QM9414, Thermoascus aurantiacus CBMAI756 e Thermomyces lanuginosus, obtidos a partir da fermentação estado sólido. Dentre essas fermentações, o melhor resultado individual de eficiência de hidrólise foi obtido com o extrato enzimático do fungo T.aurantiacus, o qual foi então utilizado na sacarificação dos bagaços pré-tratados com espécies reativas de oxigênio. A melhor taxa de sacarificação foi obtida no bagaço pré-tratado com NaClO, que resultou em 19,8% de rendimento, contra 12,2% no bagaço in natura. O capitulo 2 do trabalho descreve a importância do sinergismo e da inibição enzimática, na forma da β-glicosidase, na sacarificação do bagaço. Foi verificado sinergismo entre os extratos enzimáticos dos fungos P.viridicatum e T.reesei e a melhor combinação dos dois extratos foi na proporção 1:1, resultando na liberação de 0,73 mg/mL de glicose. As atividades de β-glicosidases presentes nos extratos enzimáticos foram avaliadas quanto aos efeitos de inibição por glicose. Os parâmetros cinéticos Km e Vmax foram obtidos com a enzima do T. aurantiacus sem inibidor apresentou Vmáx 4,60 μmol/min e Km 0,31 mM e com glicose Vmáx 2,3 μmol/min e Km 0,37 mM. Sem glicose a enzima do P. viridicatum apresentou Vmáx 166,7 μmol/min e Km 0,2mM e com glicose Vmáx 13,8 μmol/min e Km 1,2 mM. A β- glicosidase do T.aurantiacus sofreu inibição não-competitiva, enquanto a enzima do P.viridicatum sofreu inibição mista. Também foram avaliados os efeitos da frutose e da glicose isomerase como supressora do efeito inibidor da glicose. A presença da frutose proporcionou um efeito positivo nas atividades de β-glicosidases desses fungos. A sacarificação do bagaço de cana com a combinação... / Abstract: The first chapter of this work describes the pretreatment of sugarcane bagasse cane and evaluates its enzymatic saccharification from different enzymatic extracts of Penicillium viridicatum RFC3, Trichoderma reesei QM9414, Thermoascus aurantiacus and Thermomyces lanuginosus CBMAI756 obtained from the solid state fermentation. Among these fermentations, the best individual result of hydrolysis efficiency was obtained with the enzymatic extract of the fungus T.aurantiacus, which was then used in the saccharification of bagasse pretreated with reactive oxygen species . The best rate of saccharification was achieved on bagasse pretreated with NaClO resultins in 19.8 % of yield, versus 12.2% in the bagasse in natura. The chapter 2 of this work describes the importance of synergism and inhibition of the enzyme in the form of β - glucosidase in the saccharification of bagasse. Synergism between the enzymatic extracts of fungi P.viridicatum and T.reesei the best combination of the two extracts was observed for the ratio 1:1, resulting in the release of 0.73 mg / mL glucose . The activities of β - glucosidase enzyme present in the extracts were analyzed for the effects of inhibition by glucose. The kinetic parameters Km and Vmax of the β-glucosidase enzyme presented, in case of T. aurantiacus Vmax of 4.60 μmol/min and Km 0.31 mM and with glucose Vmax 2.3 μmol/min and Km 0.37 mM. For the enzyme from P.viridicatum values were Vmax 166.7 μmol/min and Km 0.2 mM and with glucose Vmax 13.8 μmol/min and Km 1.2 mM. The β-glucosidase T.aurantiacus suffered from non-competitive inhibition, while P.viridicatum suffered mixed enzyme inhibition. We also evaluated the effects of fructose and glucose isomerase as suppressing the inhibitory effect of glucose. The presence of fructose resulted in a positive effect on the β - glucosidase activity of these fungi. The saccharification of sugarcane bagasse with the combination of glucose isomerase enzyme ... / Mestre

Orientador: Hélia Harumi Sato / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-22T00:21:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Angelotti_JoelisedeAlencarFigueira_D.pdf: 2410193 bytes, checksum: f20b18fe7228677edbc62681e14fd595 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O presente trabalho visou o estudo da produção da ?-glicosidase pela linhagem de Aspergillus sp. utilizando-se resíduos agrícolas como o farelo de trigo, casca de maracujá e bagaço de cana-de-açúcar, a imobilização da enzima em diferentes suportes como lentes PVA - Lentikats®, sol-gel, Eupergit, Amberlite, gelatina e alginato de cálcio, e a aplicação da enzima livre e imobilizada na conversão de isoflavonas glicosiladas de soja em isoflavonas agliconas. O fungo foi identificado como Aspergillus niger LBA 02. O extrato enzimático bruto obtido de A. niger LBA 02 apresentou atividade de ?-glicosidase, CM -celulase, amilase, poligalacturonase e pectinase. Foi obtida maior atividade de ?-glicosidase (44,81 U/g) na fermentação da linhagem A. niger LBA 02 em meio semissólido composto por 25 g de farelo de trigo e 5,7 mL de água destilada, após 240 h de fermentação a 30°C. Os efeitos da adição do extrato de levedura e dos sais KH2PO4, NH4NO3, MgSO4.7H2O, no meio de farelo de trigo, para a produção de ?-glicosidase por A. niger LBA 02 não foram significativos nos níveis estudados. Os resíduos casca de maracujá e bagaço de cana-de-açúcar adicionados no meio de farelo de trigo não atuaram como indutores da produção de ?-glicosidase, nos níveis estudados. Dentre os 7 métodos de imobilização testados, as técnicas de sol-gel e lentes PVA - Lentikats® apresentaram melhores resultados para a imobilização da enzima ?-glicosidase. A enzima livre apresentou atividade ótima a 65°C e pH 4,5, enquanto a enzima imobilizada em sol-gel mostrou atividade ótima na faixa de 60 - 65°C. A temperatura de 50°C foi fixada como temperatura ótima de trabalho para a enzima imobilizada em lentes PVA - Lentikats®, pois acima da temperatura de 60°C ocorreu a fusão das lentes. A imobilização da ?-glicosidase não alterou o pH ótimo de atividade da enzima, permanecendo em 4,5. A imobilização resultou em um pequeno aumento da estabilidade térmica da ?-glicosidase. A ?-glicosidase imobilizada em lentes PVA - Lentikats® apresentou-se mais estável do que a enzima livre, após 3 h de tratamento na faixa de 45 a 55°C. O tempo de meia vida da ?-glicosidase imobilizada em sol-gel a 70°C foi 0,88 h. A ?-glicosidase imobilizada em sol-gel apresentou cerca de 10% de atividade residual após 3 h a 70°C, enquanto que a enzima livre foi inativada após 1 hora a 70°C. A ?-glicosidase imobilizada em sol-gel apresentou valores de KM na faixa de 1,0 a 1,25 mM de celobiose, a 60°C, estimados pelos métodos de Lineweaver - Burk, Hanes - Woolf e Solver, enquanto que a enzima livre apresentou valores de 0,92 a 1,69 mM de celobiose, sugerindo que não houve alteração da afinidade da enzima pelo substrato celobiose com a imobilização. A imobilização da enzima em lentes PVA - Lentikats® resultou em um aumento dos valores de KM estimados em 3,61; 2,7 e 3,03 mM de celobiose, a 50°C, respectivamente, pelos métodos de Lineweaver - Burk, Hanes - Woolf e Solver indicando que a imobilização resultou em diminuição da afinidade da enzima imobilizada pelo substrato. A taxa de conversão relativa da solução 1,5 mM de celobiose em tampão acetato 0,5 M pH 5,0 a 50°C, utilizando-se ?-glicosidase imobilizada em lentes PVA - Lentikats® em processo contínuo foi de 100% após 5 h, entretanto a porcentagem de conversão diminuiu para 40% após 148 h. A ?-glicosidase livre e imobilizada produzida pelo micro-organismo A. niger LBA 02 foi capaz de hidrolisar as isoflavonas glicosiladas de soja em suas formas agliconas. O teor da isoflavonas agliconas aumentou no extrato de isoflavonas de soja tratadas com ?-glicosidase livre e imobilizada em lentes PVA - Lentikats® e sol-gel, sendo que a daidzeína aumentou aproximadamente 2,6; 10,8 e 12,2 vezes e o teor de genisteína aumentou 11,7; 11,4 e 11,4 vezes quando aplicada a enzima ?-glicosidase livre e imobilizada em lentes PVA - Lentikats® e sol-gel, respectivamente, ao final de 24 h / Abstract: This work aimed to study the production of ?-glucosidase by Aspergillus sp. strain using agricultural residues such as wheat bran, passion fruit peel and sugarcane bagasse, the immobilization of the enzyme in different support such as lens - shaped PVA - Lentikats®, sol-gel, Eupergit, Amberlite, gelatin and calcium alginate and the application of free and immobilized enzyme in the conversion of isoflavone glucosides in soy isoflavone aglycones. The fungus was identified as Aspergillus niger LBA 02. The crude enzyme extract obtained from A. niger LBA 02 showed activity of ?-glucosidase, CM-cellulase, amylase, polygalacturonase and pectinase. It was obtained higher ?-glucosidase activity (44.81 U / g) in the fermentation of strain A. niger LBA 02 in semisolid media composed of 25 g of wheat bran and 5.7 mL of distilled water, after 240 h of fermentation at 30 °C. The effects of the addition of yeast extract and salts KH2PO4, NH4NO3, MgSO4.7H2O in wheat bran medium for production of ?-glucosidase by A. niger LBA 02 were not significant in the levels studied. The passion fruit peel waste and sugarcane bagasse added in the culture media of wheat bran did not act as inducers of the production of ?-glucosidase levels studied. Among the methods of immobilization tested, the sol-gel technique and lens - shaped PVA - Lentikats® showed better results for ?-glucosidase immobilization. The free enzyme showed optimum activity at 65 °C and pH 4.5, while the enzyme immobilized in sol-gel showed optimum activity in the range of 60 - 65 °C. A temperature of 50 °C was set as the working optimum temperature for the enzyme immobilized in lens - shaped PVA - Lentikats® because above 60 °C occurred melting of the lenses. Immobilization of ?-glucosidase did not alter the optimum pH of the enzyme activity, remaining at pH 4.5. Immobilization resulted in a small increase in the thermal stability of ?-glucosidase. The ?-glucosidase immobilized in lens - shaped PVA - Lentikats® showed to be more stable than the free enzyme after 3 h of treatment in the range of 45 to 55 °C. The half-life of the ?-glucosidase immobilized in sol-gel at 70 °C was 0.88 h. The ?-glucosidase immobilized in sol-gel showed about 10% residual activity after 3 h at 70 °C while free enzyme was inactivated after 1 h at 70 °C. The ?-glucosidase immobilized in sol-gel showed KM in the range of 1.0 to 1.25 mM of cellobiose at 60 °C, estimated by the method of Lineweaver - Burk, Hanes - Woolf and Solver while free enzyme showed KM values in the range of 0.92 to 1.69 mM of cellobiose, suggesting no change in the affinity of the enzyme for the substrate cellobiose after immobilization. The immobilized enzyme in lens - shaped PVA - Lentikats® resulted in an increase in the KM values estimated 3.61, 2.7 and 3.03 mM of cellobiose at 50 °C, respectively, by methods Lineweaver - Burk, Hanes - Woolf and Solver indicating that immobilization resulted in decreasing affinity of the immobilized enzyme to the substrate. Relative conversion rate of 1.5 mM cellobiose solution in acetate buffer 0.5 M pH 5.0 at 50 °C, using ?-glucosidase immobilized in lens - shaped PVA - Lentikats® in continuous process was 100% after 5 h, but the conversion decreased to 40% after 148 h. The ?-glucosidase produced by the micro-organism A. niger LBA 02, free and immobilized was able to hydrolyze isoflavone glycosides from soy in their aglycone forms. The content of isoflavone aglycones increased in soy isoflavones extract treated with ?-glucosidase free and immobilized in lens - shaped PVA - Lentikats® and sol-gel, and the daidzein increased approximately 2.6, 10.8 and 12.2 times, and genistein increased content of 11.7, 11.4 and 11.4 fold when applied to ?-glucosidase enzyme free and immobilized in lens - shaped PVA - Lentikats ® and sol-gel, respectively, at the end of 24 h / Doutorado / Ciência de Alimentos / Doutora em Ciência de Alimentos

Foram purificadas através de uma combinação de cromatografias as duas &#946;- glicosidases digestivas (Mr 47.000 e 50.000 - denominadas &#946;47 e &#946;50, respectivamente) encontradas na larva de S. frugiperda. Experimentos de competição entre substratos e modificação química mostraram que a &#946;47 possui dois sítios ativos. Um desses sítios denominado aril&$946;glicosidase apresenta um subsítio -1 que liga galactose mais eficientemente do enquanto ,que o subsítio +1 prefere pequenos grupos hidrofóbicos cíclicos. O segundo sítio, denominado celobiase, possui um subsítio -1 que prefere glicose. Já a região de ligação do aglicone apresenta 4 subsítios, que ligam glicose com afinidade decrescente à medida que afastam-se do ponto de clivagem do substrato. O cDNA que codifica a &#946;50 foi clonado e sequenciado. Alinhamentos de sequência de aminoácidos, experimentos de competição entre substratos e inibição mostraram que esta enzima possui apenas um sítio ativo. O subsítio -1, cuja especificidade é controlada por uma rede de pontes de hidrogênio, foi estudado comparando-se os parâmetros cinéticos (Kcat e KcaUKm) para a hidrólise de NP&#946;glicosídeos. A região de posicionamento do aglicone, uma fenda hidrofóbica composta de 3 subsítios, foi caracterizada utilizando-se alquil &#946;-glucosídeos e oligocelodextrinas como inibidores. O alinhamento da sequência de aminoácidos da &#946;50 com outras glicosil hidrolases sugeriu quais aminoácidos participariam da ligação do substrato e que o GlU187 (doador de prótons - pKa = 7,5) e o GIU399 (nucleófilo - pKa = 4,5) estão diretamente envolvidos na catálise. Além disso, a Arg97 e a Tyr331 participam indiretamente modulando o pKa do GIU399. r . / Two digestive &#946;-glycosidases (MW 47,000 and 50,000, named &#946;gly47 and &#946;gly50, respectively) whose are found in the S. frugiperda larvae were purified by a combination of chromatographic steps. Substrate competition experiments and chemical modification data showed that &#946;gly47 has two active sites. One of them was called aryl &#946;-glycosidase and presents a -1 subsite that prefers galactose while the +1 subsite binds small cyclic hydrophobic groups. The other active site was called cellobiase and presents 4 subsites that bind glucose residues weaker as they get far from the cleavage point. The cDNA that codes the &#946;gly50 was cloned and sequenced. Amino acid sequence alignment, substrate competition experiments and inhibitions proved that this enzyme has just one active site. The -1 subsite specificity is controlled by a hydrogen bond network as it was showed comparing the kinetic parameters (Kcat and KcatlKm) for some NP&#946;glycosides hydrolysis. The aglycone binding region, a hydrophobic cleft, was studied with alkyl &#946;-glucosides and oligocellodextrins as competitive inhibitors. Amino acid sequence alignment between the &#946;gly50 and other glycosil hydrolases showed the amino acids responsible for the substrate binding and that the GIU<SUB.187 (proton donor - pKa = 7.5) and GIU399 (nucleophile - pKa = 4.5) are directly involved in the catalysis. Beside this, Arg97 and Tyr331 participate indirectly in the catalysis, modulating the nucleophile pKa

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