No presente trabalho foi avaliada a capacidade de síntese de nanopartículas de cobre pelo fungo filamentoso Hypocrea lixii. Para tanto, o cultivo do fungo foi otimizado em função da concentração celular e do aspecto das hifas. Verificou-se que o cultivo realizado com inóculo de suspensão de esporos congelados em meio contendo extrato de malte forneceu concentração celular de 10g/L consistentemente, além de um aspecto sem aglomerados de células. A capacidade de biossorção de íons cobre (II) da biomassa não viável do fungo Hypocrea lixii foi avaliada, utilizando-se isotermas de biossorção. Verificou-se que o valor máximo de remoção calculado através do modelo de Langmuir é de 17,4mg/g, que foi considerado condizente com o valor reportado na literatura para o mesmo fungo. Para a síntese de partículas, inicialmente foram utilizadas biomassa viável e não viável do fungo. Após análise de microscopia eletrônica de transmissão (MET) constatou-se a formação de nanopartículas de diâmetro médio de 15nm no interior e na parede das células para a biomassa não viável. Para a biomassa viável verificou-se a formação de partículas apenas no exterior das células, com diâmetro médio de 30nm. Foi investigado o uso de extratos de suspensão de biomassa viável e não viável, obtidos através do contato das biomassas com água deionizada por 24 horas. Análises de microscopia eletrônica para esses extratos indicaram a formação de partículas de diâmetro médio de 12nm, para o extrato de biomassa viável, e de 10nm para o extrato de biomassa não viável. Um método de obtenção de extrato através de centrifugação de células não viáveis também foi investigado para a síntese de nanopartículas. Análises de microscopia eletrônica de transmissão confirmaram a formação de nanopartículas de diâmetro médio igual a 13nm. Foi realizada análise de EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) nas partículas obtidas em amostras de extrato proveniente de centrifugação de células não viáveis e verificou-se que são compostas apenas de cobre, confirmando a capacidade de síntese de nanopartículas metálicas. Outras técnicas de caracterização como difração de raios-X (DRX), espectroscopia de infravermelho (FT-IR) e espectrofotometria (UV-Vis) foram realizadas, porém não forneceram resultados conclusivos. Como forma de verificar os compostos que poderiam estar envolvidos na síntese das partículas através dos diferentes extratos, foram realizadas análises de espectrometria de massas (MALDI-TOF) e cromatografia gasosa. Através dessas análises foi possível verificar que os compostos que interagem com os íons cobre (II) são aminoácidos, ácidos graxos e açúcares. Apenas no extrato de centrifugação de células não viáveis foi possível verificar a presença de compostos com peso molecular na faixa entre 4kDa e 20kDa, compatível com proteínas. Uma vez confirmada a capacidade de síntese através de diferentes métodos, foi realizado um delineamento de experimentos central rotacional completo como forma de investigar a influência dos parâmetros pH e temperatura no diâmetro das partículas formadas com o extrato de centrifugação de células não viáveis. O diâmetro das partículas sintetizadas em cada ensaio foi medido através de análise de espalhamento de luz dinâmico (DLS). Através dos resultados, um modelo de segundo grau foi calculado utilizando-se o software Minitab® e verificou-se que tanto o pH quanto a temperatura não possuem contribuição significativa no tamanho das partículas sintetizadas. Além disso, observou-se que os diâmetros obtidos para os ensaios foram consideravelmente maiores que o obtido através das análises de microscopia eletrônica de transmissão (MET). Considerou-se que essa observação é resultado da presença de ligantes que atuam como estabilizadores das partículas e que contribuem para o aumento virtual do diâmetro medido. Esses ligantes podem ser compostos presentes no extrato e que não aparecem nas análises de microscopia por falta de contraste. Além disso, a análise de DLS é uma medida indireta de diâmetro e são necessárias outras análises para confirmar os resultados obtidos. Através dos resultados obtidos no presente trabalho, houve confirmação da capacidade de síntese de nanopartículas de cobre do fungo Hypocrea lixii e apresentação de metodologias promissoras que podem, após mais estudos, tornar-se um processo industrial. / In this work, the synthesis of copper nanoparticles using fungus Hypocrea lixii was evaluated. Therefore, the culture of the fungus was optimized in terms of cell concentration and hyphae qualitative aspect. It was found that cultures inoculated through frozen spore suspensions and using nutrient rich medium containing malt extract reached cell concentrations of 10g/L consistently, in addition to an aggregates-free hyphae aspect. The biossorption of copper (II) ions using non-viable biomass of Hypocrea lixii was measured, and sorption isotherms were constructed. It was found that the maximum removal calculated using the Langmuir model was 17,4mg/g, which was considered consistent with the value previously reported for this fungus. For the nanoparticle synthesis, the viable and non-viable biomasses of the fungus were initially used. Transmission electron microscopy (TEM) analysis demonstrated the formation of nanoparticles of 15nm of mean diameter inside the cells and in the cell wall for the non-viable biomass. For the viable biomass the particles obtained had 30nm of mean diameter and were located exclusively outside the cells. The use of viable and non-viable biomass suspension extracts was also investigated. The extracts were obtained after contact with double deionized water for 24 hours. Transmission electron microscopy (TEM) analysis showed the formation of particles with mean diameter of 12nm, for the viable biomass extract, and 10nm for the non-viable biomass extract. A method of obtaining cell extracts through centrifugation was also evaluated for the synthesis of copper nanoparticles. Transmission electron microscopy (TEM) analysis confirmed the formation of nanoparticles with mean diameter of 13nm. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was performed on the particles found in samples of the centrifuged cells extract and they were found to be composed of copper only, endorsing the ability of synthesis for this extract. Other characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and spectrophotometry (UV-Vis) were performed but the results were inconclusive. In order to define which compounds present in the cell extracts could be involved in the synthesis reaction, mass spectrometry (MALDI-TOF) and gas chromatography analyses were performed for the different extracts produced. Through the results of those analyses it was seen that the compounds that interact with the copper (II) ions are amino acids and sugars. Only for the centrifuged cells extract it was possible to confirm the presence of compounds with molecular weights between 4kDa and 20kDa, compatible with proteins. Having confirmed the ability of the fungus of synthesizing copper nanoparticles through different methods, a central rotational composite design of experiments was established as a way of assessing the influence of the pH and temperature on the diameter of the particles formed using the centrifuged cells extract. The diameter of the particles was measured using dynamic light scattering (DLS). Through the results, a second order model was calculated using the software Minitab® and it was found that neither the pH nor the temperature had significant contributions to the size of the particles. Moreover, the diameter found for the experiments were considerably larger than the observed through transmission electron microscopy. It was considered that this observation was a result of the presence of ligands that act as stabilizers for the particles and that contribute to a virtual increase of the diameter measured. These ligands are compounds present in the extract and that are not shown in electron microscopy due to the lack of contrast. Furthermore, the DLS analysis is an indirect measurement of the diameter and other analyses are needed to confirm the results obtained. Through the results found in this work, there was a confirmation of the ability of the fungus Hypocrea lixii to synthesize copper nanoparticles. Promising methodologies were proposed that might, after further studies, become an industrial process.

No presente trabalho foi avaliada a capacidade de síntese de nanopartículas de cobre pelo fungo filamentoso Hypocrea lixii. Para tanto, o cultivo do fungo foi otimizado em função da concentração celular e do aspecto das hifas. Verificou-se que o cultivo realizado com inóculo de suspensão de esporos congelados em meio contendo extrato de malte forneceu concentração celular de 10g/L consistentemente, além de um aspecto sem aglomerados de células. A capacidade de biossorção de íons cobre (II) da biomassa não viável do fungo Hypocrea lixii foi avaliada, utilizando-se isotermas de biossorção. Verificou-se que o valor máximo de remoção calculado através do modelo de Langmuir é de 17,4mg/g, que foi considerado condizente com o valor reportado na literatura para o mesmo fungo. Para a síntese de partículas, inicialmente foram utilizadas biomassa viável e não viável do fungo. Após análise de microscopia eletrônica de transmissão (MET) constatou-se a formação de nanopartículas de diâmetro médio de 15nm no interior e na parede das células para a biomassa não viável. Para a biomassa viável verificou-se a formação de partículas apenas no exterior das células, com diâmetro médio de 30nm. Foi investigado o uso de extratos de suspensão de biomassa viável e não viável, obtidos através do contato das biomassas com água deionizada por 24 horas. Análises de microscopia eletrônica para esses extratos indicaram a formação de partículas de diâmetro médio de 12nm, para o extrato de biomassa viável, e de 10nm para o extrato de biomassa não viável. Um método de obtenção de extrato através de centrifugação de células não viáveis também foi investigado para a síntese de nanopartículas. Análises de microscopia eletrônica de transmissão confirmaram a formação de nanopartículas de diâmetro médio igual a 13nm. Foi realizada análise de EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) nas partículas obtidas em amostras de extrato proveniente de centrifugação de células não viáveis e verificou-se que são compostas apenas de cobre, confirmando a capacidade de síntese de nanopartículas metálicas. Outras técnicas de caracterização como difração de raios-X (DRX), espectroscopia de infravermelho (FT-IR) e espectrofotometria (UV-Vis) foram realizadas, porém não forneceram resultados conclusivos. Como forma de verificar os compostos que poderiam estar envolvidos na síntese das partículas através dos diferentes extratos, foram realizadas análises de espectrometria de massas (MALDI-TOF) e cromatografia gasosa. Através dessas análises foi possível verificar que os compostos que interagem com os íons cobre (II) são aminoácidos, ácidos graxos e açúcares. Apenas no extrato de centrifugação de células não viáveis foi possível verificar a presença de compostos com peso molecular na faixa entre 4kDa e 20kDa, compatível com proteínas. Uma vez confirmada a capacidade de síntese através de diferentes métodos, foi realizado um delineamento de experimentos central rotacional completo como forma de investigar a influência dos parâmetros pH e temperatura no diâmetro das partículas formadas com o extrato de centrifugação de células não viáveis. O diâmetro das partículas sintetizadas em cada ensaio foi medido através de análise de espalhamento de luz dinâmico (DLS). Através dos resultados, um modelo de segundo grau foi calculado utilizando-se o software Minitab® e verificou-se que tanto o pH quanto a temperatura não possuem contribuição significativa no tamanho das partículas sintetizadas. Além disso, observou-se que os diâmetros obtidos para os ensaios foram consideravelmente maiores que o obtido através das análises de microscopia eletrônica de transmissão (MET). Considerou-se que essa observação é resultado da presença de ligantes que atuam como estabilizadores das partículas e que contribuem para o aumento virtual do diâmetro medido. Esses ligantes podem ser compostos presentes no extrato e que não aparecem nas análises de microscopia por falta de contraste. Além disso, a análise de DLS é uma medida indireta de diâmetro e são necessárias outras análises para confirmar os resultados obtidos. Através dos resultados obtidos no presente trabalho, houve confirmação da capacidade de síntese de nanopartículas de cobre do fungo Hypocrea lixii e apresentação de metodologias promissoras que podem, após mais estudos, tornar-se um processo industrial. / In this work, the synthesis of copper nanoparticles using fungus Hypocrea lixii was evaluated. Therefore, the culture of the fungus was optimized in terms of cell concentration and hyphae qualitative aspect. It was found that cultures inoculated through frozen spore suspensions and using nutrient rich medium containing malt extract reached cell concentrations of 10g/L consistently, in addition to an aggregates-free hyphae aspect. The biossorption of copper (II) ions using non-viable biomass of Hypocrea lixii was measured, and sorption isotherms were constructed. It was found that the maximum removal calculated using the Langmuir model was 17,4mg/g, which was considered consistent with the value previously reported for this fungus. For the nanoparticle synthesis, the viable and non-viable biomasses of the fungus were initially used. Transmission electron microscopy (TEM) analysis demonstrated the formation of nanoparticles of 15nm of mean diameter inside the cells and in the cell wall for the non-viable biomass. For the viable biomass the particles obtained had 30nm of mean diameter and were located exclusively outside the cells. The use of viable and non-viable biomass suspension extracts was also investigated. The extracts were obtained after contact with double deionized water for 24 hours. Transmission electron microscopy (TEM) analysis showed the formation of particles with mean diameter of 12nm, for the viable biomass extract, and 10nm for the non-viable biomass extract. A method of obtaining cell extracts through centrifugation was also evaluated for the synthesis of copper nanoparticles. Transmission electron microscopy (TEM) analysis confirmed the formation of nanoparticles with mean diameter of 13nm. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was performed on the particles found in samples of the centrifuged cells extract and they were found to be composed of copper only, endorsing the ability of synthesis for this extract. Other characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and spectrophotometry (UV-Vis) were performed but the results were inconclusive. In order to define which compounds present in the cell extracts could be involved in the synthesis reaction, mass spectrometry (MALDI-TOF) and gas chromatography analyses were performed for the different extracts produced. Through the results of those analyses it was seen that the compounds that interact with the copper (II) ions are amino acids and sugars. Only for the centrifuged cells extract it was possible to confirm the presence of compounds with molecular weights between 4kDa and 20kDa, compatible with proteins. Having confirmed the ability of the fungus of synthesizing copper nanoparticles through different methods, a central rotational composite design of experiments was established as a way of assessing the influence of the pH and temperature on the diameter of the particles formed using the centrifuged cells extract. The diameter of the particles was measured using dynamic light scattering (DLS). Through the results, a second order model was calculated using the software Minitab® and it was found that neither the pH nor the temperature had significant contributions to the size of the particles. Moreover, the diameter found for the experiments were considerably larger than the observed through transmission electron microscopy. It was considered that this observation was a result of the presence of ligands that act as stabilizers for the particles and that contribute to a virtual increase of the diameter measured. These ligands are compounds present in the extract and that are not shown in electron microscopy due to the lack of contrast. Furthermore, the DLS analysis is an indirect measurement of the diameter and other analyses are needed to confirm the results obtained. Through the results found in this work, there was a confirmation of the ability of the fungus Hypocrea lixii to synthesize copper nanoparticles. Promising methodologies were proposed that might, after further studies, become an industrial process.

This thesis reports the viability of E. coli cell extracts prepared using equipment that is both common to biotechnology laboratories and able to process small volume samples and expression of proteins containing unnatural amino acids (UAAs) at higher level using PCR amplified linear DNA templates (LETs) in cell-free protein synthesis (CFPS) system. E. coli-based cell extracts are a vital component of inexpensive and high-yielding CFPS reactions. However, effective preparation of E. coli cell extract is limited to high-pressure homogenizers (French press style or impinge-style) or bead mill homogenizers, which all require a significant capital investment. This work specifically assessed the following capital cost lysis techniques: (1) sonication, (2) bead vortex mixing, (3) freeze-thaw cycling, and (4) lysozyme incubation to prepare E. coli cell extract for CFPS. In this work, simple shake flask fermentation with a commercially available E. coli strain was used. Additionally, the RNA polymerase was over expressed in the E. coli cells prior to lysis which eliminated the need to add independently purified RNA polymerase to the CFPS reaction. As a result, high yielding E. coli-based cell extract was prepared using equipment requiring reduced capital investment and common to biotechnology laboratories. To our knowledge, this is the first successful prokaryote-based CFPS reaction to be carried out with extract prepared by sonication or bead vortex mixing. LETs are an attractive alternative to plasmids for site-specific incorporation of unnatural amino acids in proteins in the CFPS system because of their short preparation time and ease of production. However, major limitations associated with LETs are: (1) their degradation by RecBCD enzyme present in the cell-extract used for CFPS and (2) high CFPS energy costs. In this work, we report the optimization of LET-based CFPS for improved protein yield by inhibiting the RecBCD enzyme with small inhibitor molecules resulting in three fold increment in yield of protein containing UAA. We also assessed alternative energy sources such as glucose, fructose-1,6-bisphospate, creatine phosphate/creatine kinase, and high glutamate salt for cost reduction. This work could be important for high-throughput applications based on linear expression templates. This work demonstrates simple E. coli extract preparation and improved yield with linear expression templates for further advancements of cell-free protein synthesis system.