O emprego de enzimas lignocelulolíticas secretadas por microrganismos para a produção de etanol de segunda geração tem motivado pesquisas na área da engenharia de processos fermentativos, genômica e secretômica. Entre os microrganismos com potencial para a produção de celulases destacam-se variantes genéticos do fungo filamentoso Penicillium echinulatum caracterizados por produzirem altos títulos enzimáticos. Neste trabalho, estudouse a secretômica da linhagem selvagem 2HH e do mutante S1M29 de P. echinulatum, em cultivo submerso, empregando diferentes fontes de carbono: glicose, glicerol, celulose e bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor. Análises enzimáticas possibilitaram identificar que P. echinulatum produz celulases, hemicelulases, esterases e, em menor proporção, pectinases e amilases. Outrossim, os maiores títulos enzimáticos para a maioria das enzimas foram verificados na linhagem mutante. Nos meios formulados com bagaço de cana-de-açúcar ou celulose verificou-se a indução das maiores produções enzimáticas para ambas as linhagens. A análise do secretoma por 1D-PAGE seguido de LCMS/ MS das amostras de 96 horas de cultivo permitiu identificar que em ambas as linhagens há predominância de enzimas CAZy, sendo celulases, hemicelulases e enzimas degradadoras de parede celular fúngica as mais predominantes. Celobiohidrolases, endoglicanases, β-glicosidases, xilanases, β-xilosidases e mananases foram identificadas e, em quantidades menores, ligninases, pectinases, amilases, esterases e solenina, entre outras proteínas (adesão, chaperonas, oxidoredutases, proteases, peptidases, lipases, glutaminases e hipotéticas). Os meios elaborados com glicose ou glicerol foram utilizados pelo fungo para a produção de amilases, ligninases e enzimas degradadoras da parede celular fúngica. Destaca-se a secreção 2 a 3 vezes maior de celulases pela linhagem mutante, sendo que o meio de cultivo elaborado com bagaço de cana-de-açúcar proporcionou a secreção de maiores quantidades de celulases para o mutante. Nesta condição, o complexo celulolítico da linhagem S1M29 constitui-se de 55% de celobiohidrolases, 38% de endoglicanases e 1% de β-glicosidases. Estes dados sugerem que durante o melhoramento genético do fungo ocorreram mudanças, embora não direcionais, possivelmente em nível da regulação da expressão gênica, modificações póstraducionais e alterações na capacidade para secretar proteínas extracelulares que tornaram a linhagem mutante S1M29 com potencial para ser empregada na hidrólise de lignocelulósicos. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2015-02-12T12:51:30Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Willian Daniel Hahn Schneider.pdf: 2455680 bytes, checksum: 6b4ce5e7e2a0bd9fc7714d8979b4ee29 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-12T12:51:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Willian Daniel Hahn Schneider.pdf: 2455680 bytes, checksum: 6b4ce5e7e2a0bd9fc7714d8979b4ee29 (MD5) / The use of lignocellulolytic enzymes secreting by microorganisms for the production of second-generation ethanol has motivated research in the field of fermentation processes engineering, genomics and secretomics. Among the microorganisms with the potential for cellulases production are genetic variants of the filamentous fungus Penicillium echinulatum characterized by produce high enzymatic titers. In this work, it was studied the secretome of the wild type 2HH and mutant S1M29 of P. echinulatum in submerged cultivation on different carbon sources: glucose, glycerol, cellulose and sugar cane bagasse pretreated by steam explosion). Enzymatic analysis allowed verifying that P. echinulatum produces cellulases, hemicellulases, esterases, and minor proportion, pectinases and amylases. Furthermore, the major enzymes titers for most enzymes dosed were verified in the mutant strain. It was verified in the media formulated with sugar cane bagasse or cellulose the induction of the highest enzyme production for both strains. The analysis of secretome by 1DPAGE followed by LC-MS/MS, of samples collected at 96 hours of cultivation, showed that in both strains there is a predominance of CAZy enzymes, being cellulases, hemicellulases and fungal cell wall degrading enzymes the most prevalent. Cellobiohydrolases, endoglucanases, β-glucosidase, xylanase, endoxylanase, β-mannanases and xylosidases were identified and, in smaller amounts, ligninases, pectinases, amylases, esterases and swollenin, among other proteins (adhesion, chaperones, oxidoreductases, proteases, peptidases, lipases, glutaminases and hypothetical). The media elaborated with glucose or glycerol were used for producing of amylases, ligninases and fungal cell wall degrading enzymes. Highlights the secretion of 2-3 times more cellulases by the mutant, being the medium prepared with sugar cane bagasse afforded the secretion of large cellulases quantities for the mutant. In this condition, the cellulolytic complex of S1M29 strain consists of 55% cellobiohydrolases, 38% endoglucanases and 1% β-glucosidase. These data suggest that during the genetic improvement of the fungus changes occurred, although not directional, possibly at the level of regulation of gene expression, post-translational modifications and changes in the ability to secrete extracellular proteins, that have made the mutant S1M29 a potential strain to be employed in hydrolysis of lignocellulose.

Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2015-10-01T16:43:18Z No. of bitstreams: 1 Tese Carla Eliana Todero Ritter.pdf: 192233 bytes, checksum: 7751f00ffe27681835ffe3c324f029fa (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-01T16:43:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Carla Eliana Todero Ritter.pdf: 192233 bytes, checksum: 7751f00ffe27681835ffe3c324f029fa (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES.

Orientador: Lee Tseng Sheng Gerald / Banca: Maria Barreto Figueiredo / Banca: Sâmia Maria Tauk-Tornisielo / Banca: Siu Mui Tsai / Banca: Dejanira de Franceschi de Angelis / Resumo: A diversidade do gênero Trichoderma no estado de São Paulo (BRASIL) foi analisada sob diferentes aspectos. Foi estabelecida uma coleção de 539 linhagens obtidas a partir de 52 pontos de coleta, distribuídos pelo estado, e uma coleção de referência com 30 linhagens. Durante o período de trabalho avaliou-se a viabilidade das culturas de acordo com os métodos de preservação utilizados Castellani e câmara fria. As avaliações do potencial de biocontrole pelas técnicas de pareamento e difusão de metabólitos inibidores não apresentaram uma correspondência clara com os testes em casa de vegetação. Para as observações microscópicas de culturas de lâminas foi desenvolvida uma técnica que permitiu visualizar mais facilmente o sistema de ramificação dos conidióforos. A avaliação celulolítica dos isolados permitiu identificar linhagens com atividade superior a da linhagem de referência, indicando alto potencial biotecnológico. A análise molecular dos isolados a partir do seqüenciamento da região ITS1-5,8S-ITS2 mostrou a ocorrência de 17 espécies distribuídas no estado, sobretudo nas áreas de mata e capoeira. As espécies mais freqüentes, T. harzianum, T. spirale e T. koningii ocorreram em quase todos os ecossistemas avaliados, enquanto a ocorrência da seção Longibrachiatum foi pouco expressiva. A técnica de RAPD se mostrou eficiente na identificação de linhagens redundantes indicando seu potencial de uso durante procedimentos de triagem. A aplicação de métodos de taxonomia numérica permitiu gerar fenogramas e gráficos multidimensionais coerentes com os dados morfológicos e moleculares em diversos casos. É sugerida a aplicação de métodos topológicos para a melhor descrição do sistema de ramificação e diferenciação de hifas e da teoria de sistemas não-lineares para a compreensão do seu comportamento morfológico in e ex vitro... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The diversity of the genus Trichoderma in São Paulo State (BRAZIL) was analised under different views. A collection of 539 strains was isolated from 52 different areas and a reference collection of 30 strains was established from different brazilian culture collections. The preservation techniques of Castellani and cold storage were evaluated during the course of the study. The biocontrol potential was evaluated through pairing cultures methodology and inhibitory metabolites production. There was no clear evidence of correspondence between the data obtained in vitro and under greenhouse conditions. For microscopic observation a new technique of slide culture was developed in order to visualise the branching system easily. Cellulolytic activitiy assay identified several high-producing cellulase strains comparing to the reference QM9414 indicating a biotechnological potential. The molecular analysis from the sequencing of ITS1-5,8S-ITS2 region indicated the ocurrency of 17 different species all over the state with predominance in forest and 'capoeira' ecossystems. The most frequently species were T.harzianum, T.spirale and T.koningii, ocurring in almost all environmental conditions sampled, while the presence of section Longibrachiatum was inexpressive. The RAPD technique in separate redundants strains was demonstrated indicating its potential for using in screening procedures. Numerical taxonomy methods produced phenograms and multidimensional graphics consistent with molecular and morphological data in some cases. The use of topological methods in describing the branching system and the non-linear system theory in the comprehension of its morphological behaviour in and ex vitro (anamorphic, teleomorphic and synanomorphic states) is suggested. For the first time the total evidence analysis was applied to the genus, showing consistent results with those reported in literature / Doutor

As celulases e as xilanases são enzimas que hidrolisam a celulose e a xilana, respectivamente, contidas nos resíduos lignocelulósicos. A possibilidade de aplicar estas enzimas na produção de etanol vem sendo objeto de diversos estudos. No entanto, ainda não há uma tecnologia economicamente viável para a produção deste biocombustível a partir da biomassa lignocelulósica. Entre os microrganismos que apresentam altos títulos para estas enzimas, incluem-se linhagens de Penicillium echinulatum; porém, ainda faltam dados de sua fisiologia e estudos da produção de enzimas em biorreator. Neste trabalho, empregou-se a linhagem mutante celulolítica desreprimida S1M29 de P. echinulatum e o meio de cultivo foi composto por celulose, sacarose, solução de sais, Tween 80, farelo trigo e farelo de soja. Avaliou-se o efeito de diferentes temperaturas e pHs na produção das enzimas. O efeito da concentração da celulose sobre as atividades enzimáticas foi avaliada em regime descontínuo (RD) e regime descontínuo alimentado (RDA). Verificou-se que a temperatura mais apropriada para a produção de celulases e xilanases é de 28ºC e dentre os valores de pHs avaliados, o pH 6,0 apresentou a maior produção das enzimas. O aumento da concentração da celulose no RD proporcionou maiores atividades para endoglicanases, porém o mesmo não foi obtido para xilanases. Para FPA (Filter Paper Activity), aumentos proporcionais nas atividades foram obtidos somente com concentrações de até 3% de celulose em RD, condição que também proporcionou as maiores atividades de - glicosidases. O RDA incrementou as atividades de FPA, endoglicanases e xilanases, mas não de -glicosidases. Estes resultados contribuem para a otimização de processos e para a produção econômica de enzimas por P. echinulatum, visando o desenvolvimento de tecnologias economicamente viáveis para produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Cellulases and xylanases are enzymes that hydrolyze cellulose and xylan respectively, which are found in lignocellulosic residues. Although the applicability of these enzymes in the ethanol production has been the subject of several studies, an economically viable technology for the production of biofuel from lignocellulosic biomass is currently not available. Strains of Penicillium echinulatum are among the microorganisms that have high titers of these enzymes. However, data related to physiology and enzyme production in bioreactor for such strains are still missing. A cellulolytic mutant strain of P. echinulatum S1M29 and a culture medium composed of cellulose, sucrose, salt solution, Tween 80, wheat bran and soybean meal were used in this study. The effect of different temperatures and pHs during the enzymes production was evaluated. The effect of cellulose concentration in the enzymatic activity was evaluated in batch cultivation (BC) and fed-batch cultivation (FBC). It was found that the appropriate temperature for the production of cellulases and xylanases is 28°C, while the higher enzyme production occurred at pH 6.0. The high cellulose concentration in BC provided the greatest activities for endoglicanases, but the same result was not obtained for xylanases. For Filter Paper Activity (FPA), proportional increases in activity were obtained only with concentrations up to 3% of cellulose in BC, which is also linked to the highest activities for -glucosidases. FBC increased the activities of FPA, endoglucanases and xylanases, but it did not increase the -glucosidases activities. Such results contribute towards the optimization of enzyme production using P. echinulatum and the development of economically viable technologies for the production of ethanol from lignocellulosic materials.

A produção de enzimas do complexo celulases e de xilanases se destaca no cenário mundial, pois estas são importantes para a geração de biocombustíveis, resinas, álcoois, xilitol, sorbitol, e para a indústria de detergentes e ração animal e processos de biobranqueamento, extração de óleos, pigmentos e essências a partir de biomassa lignocelulósica. A secreção e produção destas enzimas são afetadas pela repressão catabólica, devido à presença da glicose liberada. O objetivo do presente estudo foi verificar o efeito sobre a produção enzimática de Penicillium echinulatum de metabólitos e açúcares durante o cultivo submerso. As estratégias utilizadas para a remoção de substâncias do meio de cultivo incluíram filtração e uso de pellets com adsorventes e uso de filmes adsorventes. O preparo de membranas de suporte cerâmico e polimérico, impregnadas com os polímeros poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) e poliamida (PA), foi realizado por inversão de fases, sendo que a membrana cerâmica impregnada com solução 10% (m/v) de PVDF (C1) reteve 88% da proteínas totais da solução enzimática. A remoção de 10 ou 20% do permeado durante a filtração com membranas planas, em períodos de tempo entre 8h e 24h, resultou em aumento da atividade de β- glicosidase e endoglicanase em frascos Erlenmeyer. Com relação à atividade de xilanases, os títulos observados no 4º dia foram entre 40% e 30% superiores quando houve a filtração em 42 e 44 h, respectivamente. Quando adsorventes foram utilizados em biorreator, a atividade de endoglicanase, CBH e xilanase apresentaram um aumento de 50%, 43% e 12%, respectivamente, em meio concentrado utilizando carvão ativado quando comparado ao padrão. Os ensaios com membranas de nanofiltração permitiram retenção de 95% das enzimas do complexo e, quando utilizadas na remoção de 10% e 20% da fase líquida em frascos, resultaram em aumento na atividade enzimática. Os ensaios 18/20, 24/10, 24/20, 44/10 e 44/20 (tempo de processo, em horas, em que foi feita a filtração / volume percentual de permeado removido) apresentaram, em média, em 72 h, um incremento de 33% na atividade de endoglicanase, enquanto o ensaio 44/20, em 96h, apresentou atividade superior a 40% do padrão. Para os cultivos com Trichoderma reesei Rut C30, os ensaios com filtração de 10 % do volume dos frascos, em 12 h e 20 h apresentaram aumento da atividade de FPA, em 60 h de cultivo, de 15% e 11%, respectivamente. Nos mesmos ensaios, a atividade de endoglicanase apresentou incremento de 40,7% e 52,2%, respectivamente, demonstrando o efeito positivo da remoção de 10% de permeado sobre a produção enzimática. Já para FPA, o aumento representou 15% e 11 % para as mesmas condições / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES. / Cellulases and xylanases enzymes complex production stands out in the world because these enzymes are important for the generation of biofuels, resins, alcohols, xylitol, sorbitol, and for the detergents industry, animal feed, pulp bleaching, and in the extraction of oils, pigments and essences from lignocellulose biomass. Secretion and production of cellulases and xylanases are affected under catabolic repression conditions due to glucose release. The purpose of the present study was to verify the effect on enzymatic production of Penicillium echinulatum compared to metabolites and sugars during submerged cultivation. The strategies used for the substances removal from the medium included filtration application, the use of pellets with adsorbents, and the use of adsorbents films. Membranes preparation from both ceramic and polymeric supports impregnated with polymers PVDF and PA were performed by phase inversion method, and eventually the ceramic membrane impregnated with solution 10% (w/v) of PVDF (C1) held 88% of the total proteins from the enzymatic solution. The removal consisting in 10% or 20% from the permeate during filtration with flat membranes, in periods between 8h and 24h resulted in a rise in the activity regarding β-glucosidase and endoglucanase in Erlenmeyer flasks. In relation to xylanases activity, the titles observed on the fourth day were between 40% and 30% superiors when filtration was made in 42 and 44h, respectively. Subsequently, when adsorbents were used in the bioreactor, activity involving endoglucanase, CBH and xylonase increased 50%, 43% and 12% respectively, in concentration applying activated charcoal comparable to standard source. Moreover, tests performed with nanofiltration membranes allowed 95% retention of the enzymes from the complex, and when they were used in the removal consisted of 10% and 20% in liquid phase in flasks, results showed a rise on the enzymatic activity. The tests 18/20, 24/10, 24/20, 44/10 and 44/20 ( in relation to filtration day and volume permeated) presented, on average, in 72 hours, a 33% increment in the endoglucanase activity and, in 96 hours, the test 44/20 presented activity superior to 40% from standard value. Therefore, for tests with Trichoderma reesei Rut C30, filtration experiments with 10% of the volume of the flasks in 12h and 20 h presented an increase in FPA activity, and in 60 h, the amount found was 15% and 11%, respectively. Subsequently, for endoglucanase enzyme, the activity presented increment levels evaluated in 40,7% and 52, 2% respectively for the mentioned tests, demonstrating the positive factor of the permeate 10% removal from the enzymatic production. Lastly, for FPA the rise represented 15% and 11% in the same test conditions.

O estudo de fungos celulolíticos tem-se mostrado relevante, tendo em vista o interesse econômico do complexo celulases, especialmente na indústria têxtil e, mais recentemente, para propósitos energéticos. No presente trabalho, a fusão de protoplastos foi utilizada para combinar genótipos de mutantes parcialmente desreprimidos para produção de celulases de Penicillium echinulatum (9A02S1B9) e richoderma harzianum (AS5CH3), utilizando a técnica do doador morto, buscando-se obter recombinantes com maior produção de celulases. Nesta estratégia, ambas as linhagens tiveram seu micélio tratado com Glucanex 0,01 g/mL, para quebra da parede celular. Os protoplastos resultantes da linhagem portadora de marca de resistência ao benomil (9A02S1B9) foram inativados por calor (técnica do doador morto) de 60oC antes da etapa de fusão, a qual após foi induzida por PEG4000 e Ca2+, com protoplastos da linhagem sensível ao benomil (AS5CH3). A partir de um produto de fusão, foram selecionados 24 sub-clones, após estratégias de estabilização e seleção para precocidade e eficiência na formação de halo de hidrólise de celulose em placas de Petri. Os produtos de fusão apresentaram morfologia e esporulação semelhantes a um dos parentais, sendo treze semelhantes à Penicillium, nove semelhantes à Trichoderma e dois mostrando formas alteradas. Os produtos de fusão que segregaram para morfologia de T. harzianum apresentaram a característica de resistência ao benomil, sendo capazes de crescer e esporular em meios contendo até 100 μg/mL deste inibidor. A morfologia, o perfil de bandas, obtidos por RAPD, e o padrão de secreção de celulases dos produtos de fusão foram sempre mais semelhantes a um dos parentais. Os clones apresentaram variação quanto ao halo de hidrólise de celulose em placas de Petri e na atividade sobre papel filtro FPAases, -glicosidase ou endoglicanase, quando crescidas em cultivo submerso ou em estado sólido. Desta variabilidade, verificaram-se aumentos significativos para algumas das linhagens em relação aos parentais. A aplicação da metodologia de fusão de protoplastos para obter recombinantes entre P. echinulatum e T. harzianum, empregando a técnica do doador morto, mostrou-se adequada na geração de variabilidade para produção de celulases. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The study of cellulolytic fungi has proved to be important, considering economic interest of the cellulase complex, especially in the textile industry and, more recently, for energy purposes. In this work, the protoplast fusion was used to combine genotypes of mutants partially non repressed for cellulases production of Penicillium echinulatum (9A02S1B9) and Trichoderma harzianum (AS5CH3) using the technique dead donor, intending to obtain recombinants with higher cellulases production. In this strategy, both strains had their mycelium treated with Glucanex  0,01 g/mL, to lyse the cell wall. The protoplast obtained from the benomyl-resistant (9A02S1B9) were heat-inactivated (technique of dead donor) at 60ºC, before the step of fusion, induced by PEG4000 and Ca2+, with protoplast of the sensitive-benomyl strain (AS5CH3). Twenty four sub-clones were selected from one fusion product, after stabilization and selection strategies for precocity and efficiency in the formation clearing zones of by cellulose hydrolysis in Petri plates. The fusion products showed similar morphology and sporulation to one of parents, thirteen similar to Penicillium, nine similar to Trichoderma and two showed altered forms. The fusion products which segregate to the morphology of T. harzianum resistance to benomyl, being able to grow and sporulate in media containing up to 100 μg/mL of this inhibitor. The morphology, the profile of bands, obtained by RAPD, and the pattern of cellulase secretion by fusion products were ever more similar to one of parents. The fusants presented variation in the halo of cellulose hydrolysis in Petri plates, and in the activity on filter paper (FPAases), - glicosidase or endoglicanase, when grown submerged cultivation or solid state. From this variability, significant improvement was verified for some of the parental strains. The application of the protoplast fusion methodology to obtain recombinant between P. echinulatum and T. harzianum, using the technique of dead donor, has proved to be adequate to generate variability in the production of cellulases.

O emprego de enzimas lignocelulolíticas secretadas por microrganismos para a produção de etanol de segunda geração tem motivado pesquisas na área da engenharia de processos fermentativos, genômica e secretômica. Entre os microrganismos com potencial para a produção de celulases destacam-se variantes genéticos do fungo filamentoso Penicillium echinulatum caracterizados por produzirem altos títulos enzimáticos. Neste trabalho, estudouse a secretômica da linhagem selvagem 2HH e do mutante S1M29 de P. echinulatum, em cultivo submerso, empregando diferentes fontes de carbono: glicose, glicerol, celulose e bagaço de cana-de-açúcar pré-tratado por explosão a vapor. Análises enzimáticas possibilitaram identificar que P. echinulatum produz celulases, hemicelulases, esterases e, em menor proporção, pectinases e amilases. Outrossim, os maiores títulos enzimáticos para a maioria das enzimas foram verificados na linhagem mutante. Nos meios formulados com bagaço de cana-de-açúcar ou celulose verificou-se a indução das maiores produções enzimáticas para ambas as linhagens. A análise do secretoma por 1D-PAGE seguido de LCMS/ MS das amostras de 96 horas de cultivo permitiu identificar que em ambas as linhagens há predominância de enzimas CAZy, sendo celulases, hemicelulases e enzimas degradadoras de parede celular fúngica as mais predominantes. Celobiohidrolases, endoglicanases, β-glicosidases, xilanases, β-xilosidases e mananases foram identificadas e, em quantidades menores, ligninases, pectinases, amilases, esterases e solenina, entre outras proteínas (adesão, chaperonas, oxidoredutases, proteases, peptidases, lipases, glutaminases e hipotéticas). Os meios elaborados com glicose ou glicerol foram utilizados pelo fungo para a produção de amilases, ligninases e enzimas degradadoras da parede celular fúngica. Destaca-se a secreção 2 a 3 vezes maior de celulases pela linhagem mutante, sendo que o meio de cultivo elaborado com bagaço de cana-de-açúcar proporcionou a secreção de maiores quantidades de celulases para o mutante. Nesta condição, o complexo celulolítico da linhagem S1M29 constitui-se de 55% de celobiohidrolases, 38% de endoglicanases e 1% de β-glicosidases. Estes dados sugerem que durante o melhoramento genético do fungo ocorreram mudanças, embora não direcionais, possivelmente em nível da regulação da expressão gênica, modificações póstraducionais e alterações na capacidade para secretar proteínas extracelulares que tornaram a linhagem mutante S1M29 com potencial para ser empregada na hidrólise de lignocelulósicos. / The use of lignocellulolytic enzymes secreting by microorganisms for the production of second-generation ethanol has motivated research in the field of fermentation processes engineering, genomics and secretomics. Among the microorganisms with the potential for cellulases production are genetic variants of the filamentous fungus Penicillium echinulatum characterized by produce high enzymatic titers. In this work, it was studied the secretome of the wild type 2HH and mutant S1M29 of P. echinulatum in submerged cultivation on different carbon sources: glucose, glycerol, cellulose and sugar cane bagasse pretreated by steam explosion). Enzymatic analysis allowed verifying that P. echinulatum produces cellulases, hemicellulases, esterases, and minor proportion, pectinases and amylases. Furthermore, the major enzymes titers for most enzymes dosed were verified in the mutant strain. It was verified in the media formulated with sugar cane bagasse or cellulose the induction of the highest enzyme production for both strains. The analysis of secretome by 1DPAGE followed by LC-MS/MS, of samples collected at 96 hours of cultivation, showed that in both strains there is a predominance of CAZy enzymes, being cellulases, hemicellulases and fungal cell wall degrading enzymes the most prevalent. Cellobiohydrolases, endoglucanases, β-glucosidase, xylanase, endoxylanase, β-mannanases and xylosidases were identified and, in smaller amounts, ligninases, pectinases, amylases, esterases and swollenin, among other proteins (adhesion, chaperones, oxidoreductases, proteases, peptidases, lipases, glutaminases and hypothetical). The media elaborated with glucose or glycerol were used for producing of amylases, ligninases and fungal cell wall degrading enzymes. Highlights the secretion of 2-3 times more cellulases by the mutant, being the medium prepared with sugar cane bagasse afforded the secretion of large cellulases quantities for the mutant. In this condition, the cellulolytic complex of S1M29 strain consists of 55% cellobiohydrolases, 38% endoglucanases and 1% β-glucosidase. These data suggest that during the genetic improvement of the fungus changes occurred, although not directional, possibly at the level of regulation of gene expression, post-translational modifications and changes in the ability to secrete extracellular proteins, that have made the mutant S1M29 a potential strain to be employed in hydrolysis of lignocellulose.

Orientadores: Fabiana Fantinatti Garboggini, Suzan Pantaroto de Vasconcellos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-24T14:10:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kimura_GiselleKobata_M.pdf: 1372257 bytes, checksum: 0fad6fec65eb0d479d24daeddec4aeef (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Bactérias e fungos têm sido largamente explorados devido às suas habilidades em produzir uma grande variedade de enzimas, entre elas, as celulases que se destacam devido ao seu potencial em degradar materiais lignocelulósicos em açúcares fermentáveis, que podem então ser convertidos, por exemplo, em biocombustíveis. O presente trabalho visou a bioprospecção de bactérias isoladas a partir do processo de compostagem realizado pela Fundação Parque Zoológico de São Paulo (FPZSP), quanto à produção de enzimas celulolíticas, além da caracterização taxonômica das linhagens de interesse. Para tanto, os micro-organismos oriundos do processo de compostagem da FPZSP foram isolados, preservados e caracterizados macroscopicamente. Dentre as linhagens isoladas, 168 foram testadas numa triagem qualitativa para a produção de celulases, obtendo-se 135 micro-organismos com potencial celulolítico evidenciado pela formação de halos de hidrólise em meio de cultura contendo carboximetilcelulose. Destes, 10 linhagens apresentaram halos translúcidos com diâmetros entre 1,3 cm e 1,9 cm, as quais foram avaliadas quanto a atividade celulotíca em ensaios quantitativos monitorados durante 7 dias, em duas condições de pH distintas: 4,8 e 7,4. Os melhores tempos de incubação verificados foram de sete e cinco dias para os valores de pH 4,8 e 7,4, respectivamente. Em seguida, foram selecionados linhagens para os ensaios de delineamento experimental e otimização das atividades enzimáticas. No planejamento P&B, a melhor atividade celulolítica verificada foi de 3,6392 FPU/mL obtida a partir da linhagem FPZSP 143, no pH 4,8. Esta linhagem foi então selecionada e o planejamento do tipo Delineamento Composto Central Rotacional ¿ DCCR aplicado, promovendo dessa maneira, um aumento 0,4574 FPU/mL em relação ao experimento do planejamento anterior. Posteriormente, o experimento foi validado e o resultado máximo alcançado para atividade celulolítica da linhagem FPZSP 143 foi de 4,6435 FPU/mL. Cinco linhagens selecionadas com atividade celulolítica foram identificadas por análise de sequências do gene RNA ribossomal 16S como membros do gênero Bacillus, bactérias frequentemente encontradas em ambientes da compostagem e que tem sido largamente reportada como produtoras de enzimas celulolíticas. O processo de compostagem demonstrou ser um ambiente em potencial para a produção de celulases de interesse para diversos ramos da indústria, sendo os representantes do gênero Bacillus os melhores produtores de enzimas celulolíticas. Embora as bactérias tenham sido isoladas de um ambiente com pH em torno de 7,4, há um potencial para a produção de celulases em pH mais ácidos, evidenciando sua aplicabilidade em diferentes condições. Essa característica torna-se relevante quando se leva em consideração os processos industriais, onde uma condição diferente e específica é exigida em cada processo, tornando as enzimas celulolíticas oriundas de processo de compostagem grandes aliadas no desenvolvimento e otimização de processos industriais / Abstract: Bacteria and fungi have been extensively explored due to their ability to produce a variety of enzymes, including the cellulases that stand out because of their potential to degrade lignocellulosic materials to fermentable sugars, which can then be converted, for example, in biofuels. The present work aimed bioprospecting of bacteria isolated from the composting process conducted by Fundação Parque Zoológico de São Paulo (FPZSP), for the production of cellulolytic enzymes and the taxonomic characterization of strains of interest. For both, the microorganisms derived from the composting process of FPZSP were isolated, preserved and characterized macroscopically. Among the isolates, 168 were tested for production in a qualitative screening of cellulases, obtaining 135 cellulolytic microorganisms with potential evidenced by the formation of halos of hydrolysis in culture medium containing carboxymethylcellulose. These, 10 strains showed translucent halos with diameters between 1.3 cm and 1.9 cm, which were evaluated for activity in cellulolytic quantitative assays monitored for 7 days under two different pH conditions: 4.8 and 7.4. The best times of incubation recorded were seven and five days to pH 4.8 and 7.4, respectively. Then, strains for testing experimental design and optimization of enzymatic activities were selected. In Planning P&B, the best cellulolytic activity verified was 3.6392 FPU/mL obtained from FPZSP 143, at pH 4.8. This strain was selected and the DCCR applied, thus promoting an increase of 0.4574 FPU/mL compared to the previous experiment planning. Subsequently, the experiment was validated and the maximum score achieved for cellulolytic activity FPZSP 143 strain was 4.6435 FPU/mL. Five strains with cellulolytic activity were identified by sequence analysis of the 16S ribosomal RNA gene as members of the genus Bacillus, bacteria frequently encountered in composting environments and has been widely reported as producing cellulolytic enzymes. The composting process proved to be a potential environment for the production of cellulases of interest for various branches of industry, being the representatives of the genus Bacillus the best producers of cellulolytic enzymes. Although bacteria have been isolated from an environment with a pH around 7.4, there is a potential for the production of cellulases in more acidic pH, indicating their applicability in different conditions. This feature becomes important when one takes into account the industrial processes, where a different and specific condition is required in each case, making the cellulolytic enzymes derived from composting process a good allied in developing and industrial process optimization / Mestrado / Microbiologia / Mestra em Genética e Biologia Molecular

There is increasing concern regarding alternative, sustainable energy sources, such as biofuels, to replace declining oil reserves. The abundance of lignocellulosic biomass makes it the only imaginable resource that can potentially substitute a substantial portion of the fossil fuels we use today, but current methods for producing biofuels from non-food crops are cost intensive and not economically viable. Synthetic biology provides several potential approaches for developing biologically mediated processes for the conversion of lignocellulosic biomass into biofuels. Such systems are based on engineered microbes that produce enzymes for catalysing the conversion of cellulose into fermentable sugars and subsequently into high value products. Effective degradation of cellulose requires multiple classes of enzyme working together. In naturally occurring cellulose degrading microbes, bioconversion is catalysed by a battery of enzymes with different catalytic properties. However, naturally occurring cellulases with multiple catalytic domains seem to be rather rare in known cellulose-degrading organisms. Using synthetic biology approaches, seven cellulases with multiple catalytic domains were engineered and tested to determine the usefulness of such chimeric enzymes to replace cloning of multiple enzymes for biomass conversion. Catalytic domains were taken from Cellulomonas fimi endoglucanases CenA, CenB and CenD, exoglucanase Cex, and β-glucosidase, Cfbglu as well as Cytophaga hutchinsonii cellodextrinase CHU2268. All fusions retained both catalytic activities of the parental enzymes. To investigate the benefits of fusion, Citrobacter freundii NCIMB11490 was transformed with either fused or non-fused enzymes and cultured with cellulose blotting papers as main carbon source. Cells expressing fusions of Cex with CenA or CenD reproducibly showed higher growth than cells expressing non-fused versions, as well as more rapid physical destruction of paper. The opposite was observed for the other combinations. Comparing two different Cex and CenA fusions, CxnA2, which contains two carbohydrate binding modules (CBMs), degraded filter paper faster and led to better growth than CxnA1, which contains only one CBM. It was observed that CxnA1 was exported to the supernatant of E. coli and C. freundii cultures, as also seen for Cex and CenA, although there is no clear biological mechanism for this. Monitoring of growth using colony counts is laborious, but the use of optical density is not possible for cellulose-based cultures as it is affected by the insoluble cellulose particles. The SYBR Green I/propidium iodide live/dead staining protocol was therefore evaluated for growth measurements and was found to allow rapid measurements of large numbers of samples. In conclusion, these studies have demonstrated a simple and useful method for making chimeric proteins from libraries of multiple parts. The results demonstrate that use of fusion proteins can improve biomass conversion in vivo, and could potentially reduce the necessity for cloning of multiple enzymes and improve product yields. A simple and effective method for monitoring growth of bacteria in turbid cultures using a fluorimeter has also been developed.

Biological sulph ate reduction has been identi fied as a potentially valuable process for removing sulphate and heavy metals from indllstrial effluents. The role of sulphate reducing bacteria (SRB) in this process has attracted the attention of biotechnologists and recently of enzymologists due to its fundamental properties and possible role in AMD bioremediation. These obligatory anaerobic sulphate-reducing bacteria are commonly known to dissimilate sulphate for energy. Under anaerobic conditions SRB oxidize simple organic compounds such as lactic acid with the sulphate and thereby generate hydrogen sulphide (a stTong reducing agent) and bicarbonate ions. The hydrogen sulphide in turn reacts with contaminant metals contained in AMD and precipitates them out of solution as metal sulphides. Bicarbonate ions neutralize AMD by reaction with protons to form carbon dioxide and water. Organic matter in the municipal sewage sludge has been identified as a potential source of electron donors for su lphate reduction. However, this organic matter is in the polymeric form that cannot be util ised by SRB. The latter depend on the activities of other hydrolytic bacteria for the degradation of complex polymers. Hence the availability of these monomeric substrates is a major factor, which may constrain further process development and is considered a rate-limiting step. Thi s study is therefore undertaken to investigate the bacterial glucohydrolase enzymes involved in the digestion of the polysaccharides present in the sewage sludge with specific interest in cellulases and/or p-glucosidase enzymes. The goals of the research are to: isolate, identify, purify and quantify these enzymes; study their distribution with respect to time, pH, and temperature; maximize and quantify the hydrol ys is products; study whether sulphide and sulphate have an enhancing or an inhibitory effect on the activity of enzymes; optimize the enzyme activity against substrate and/or product inhibition and soluble heavy metal salts. / KMBT_363 / Adobe Acrobat 9.54 Paper Capture Plug-in