A degradação enzimática rápida, eficiente e robusta de polissacarídeos derivados de biomassa lignocelulósica é atualmente um grande desafio na produção de biocombustíveis e considerada uma alternativa viável e promissora para se enfrentar a crise energética mundial e diminuir a dependência das fontes fósseis de energia. O bagaço de cana-de-açúcar no Brasil é a principal matéria lignocelulósica sustentável de grande potencial para a produção do etanol de 2ª geração. O principal requisito para a consolidação dessa abordagem é a disponibilidade de enzimas que hidrolisam a celulose, hemicelulose e outros polissacarídeos em açúcares fermentescíveis e em condições adequadas para a utilização industrial. O presente estudo visou à caracterização molecular, estrutural e funcional da endoglucanase GH12 do fungo Aspergillus terreus (AtGH12) por diferentes técnicas. O gene que codifica para essa enzima foi clonado e expressado no fungo filamentoso A. nidulans linhagem A773. A cepa com maior secreção foi selecionada e a sequência da enzima confirmada por espectrometria de massas MALDI TOF MS. Posteriormente, através de estudos funcionais de parametrização enzimática como pH e temperatura ótimos, estabilidade térmica, efeitos supressores e potencializadores de aditivos, a enzima AtGH12 foi caracterizada bioquímica e fisicamente. A espectrometria de massas do substrato hidrolisado pela catálise enzimática foi tomada como uma forma de investigar o padrão de clivagem da hidrólise e estudo do reconhecimento enzima/substrato para a AtGH12. As caracterizações estruturais das enzimas recombinantes obtidas utilizando as técnicas de espalhamento dinâmico de luz, dicroísmo circular, espalhamento de raios X a baixo ângulo e gel nativo serviram para determinação do enovelamento e estado oligomérico em solução da AtGH12. Com o intuito de fornecer subsídios para o desenvolvimento de coquetéis enzimáticos mais eficazes para hidrólise da biomassa lignocelulósica, a atividade da AtGH12 foi avaliada frente ao bagaço de cana-de-açúcar pré-tratados pelos processos hidrotérmicos e organossolve. Posteriormente, o seu grau de sinergismo nesse tipo de substrato foi determinado com o coquetel enzimático comercial Acellerase&reg. / Fast, more efficient and robust enzymatic degradation of lignocellulosic biomassderived polysaccharides is currently a major challenge in the production of biofuels and considered a feasible and promising alternative to confront the global energy crisis and reduce the dependence on fossil energy resources. The sugarcane bagasse in Brazil is the most abundant and sustainable lignocellulosic material for the production of 2nd generation ethanol. The main requirement for the consolidation of this approach is the availability of enzymes that hydrolyze cellulose, hemicelluloses and other polysaccharides into fermentable sugars suitable for industrial use. The present study was aimed at molecular, structural and functional characterization of an endoglucanase from the fungus Aspergillus terreus (AtGH12) using different techniques. The gene encoding this enzyme has been cloned and expressed in the filamentous fungus Aspergillus nidulans strain A773. The strain with increased secretion was selected and the enzyme sequence was confirmed by mass spectroscopy MALDI TOF MS. Later, functional studies such as analysis of optimal pH and temperature, thermal stability, suppression and enhance effects of additives were applied to the AtGH12 characterization. The mass spectrometry of hydrolyzed substrate from the enzyme catalysis was acquired as a way to investigate the cleavage pattern of hydrolysis and the study of the enzyme/substrate interaction. Structural characterization of the recombinant enzymes was obtained using techniques such as dynamic light scattering, circular dichroism as well as small angle X-ray scattering and native gel, aided to determine the folding and oligomeric state of AtGH12 in solution. In order to provide support for the development of more effective enzyme cocktails for hydrolysis of lignocellulosic biomass, the activity of AtGH12 was evaluated using sugarcane bagasse pretreated by hydrothermal and organosolv processes. Subsequently, the degree of synergism in this type of substrate was measured using a commercial enzyme cocktail Acellerase&reg.

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 degradação enzimática rápida, eficiente e robusta de polissacarídeos derivados de biomassa lignocelulósica é atualmente um grande desafio na produção de biocombustíveis e considerada uma alternativa viável e promissora para se enfrentar a crise energética mundial e diminuir a dependência das fontes fósseis de energia. O bagaço de cana-de-açúcar no Brasil é a principal matéria lignocelulósica sustentável de grande potencial para a produção do etanol de 2ª geração. O principal requisito para a consolidação dessa abordagem é a disponibilidade de enzimas que hidrolisam a celulose, hemicelulose e outros polissacarídeos em açúcares fermentescíveis e em condições adequadas para a utilização industrial. O presente estudo visou à caracterização molecular, estrutural e funcional da endoglucanase GH12 do fungo Aspergillus terreus (AtGH12) por diferentes técnicas. O gene que codifica para essa enzima foi clonado e expressado no fungo filamentoso A. nidulans linhagem A773. A cepa com maior secreção foi selecionada e a sequência da enzima confirmada por espectrometria de massas MALDI TOF MS. Posteriormente, através de estudos funcionais de parametrização enzimática como pH e temperatura ótimos, estabilidade térmica, efeitos supressores e potencializadores de aditivos, a enzima AtGH12 foi caracterizada bioquímica e fisicamente. A espectrometria de massas do substrato hidrolisado pela catálise enzimática foi tomada como uma forma de investigar o padrão de clivagem da hidrólise e estudo do reconhecimento enzima/substrato para a AtGH12. As caracterizações estruturais das enzimas recombinantes obtidas utilizando as técnicas de espalhamento dinâmico de luz, dicroísmo circular, espalhamento de raios X a baixo ângulo e gel nativo serviram para determinação do enovelamento e estado oligomérico em solução da AtGH12. Com o intuito de fornecer subsídios para o desenvolvimento de coquetéis enzimáticos mais eficazes para hidrólise da biomassa lignocelulósica, a atividade da AtGH12 foi avaliada frente ao bagaço de cana-de-açúcar pré-tratados pelos processos hidrotérmicos e organossolve. Posteriormente, o seu grau de sinergismo nesse tipo de substrato foi determinado com o coquetel enzimático comercial Acellerase&reg. / Fast, more efficient and robust enzymatic degradation of lignocellulosic biomassderived polysaccharides is currently a major challenge in the production of biofuels and considered a feasible and promising alternative to confront the global energy crisis and reduce the dependence on fossil energy resources. The sugarcane bagasse in Brazil is the most abundant and sustainable lignocellulosic material for the production of 2nd generation ethanol. The main requirement for the consolidation of this approach is the availability of enzymes that hydrolyze cellulose, hemicelluloses and other polysaccharides into fermentable sugars suitable for industrial use. The present study was aimed at molecular, structural and functional characterization of an endoglucanase from the fungus Aspergillus terreus (AtGH12) using different techniques. The gene encoding this enzyme has been cloned and expressed in the filamentous fungus Aspergillus nidulans strain A773. The strain with increased secretion was selected and the enzyme sequence was confirmed by mass spectroscopy MALDI TOF MS. Later, functional studies such as analysis of optimal pH and temperature, thermal stability, suppression and enhance effects of additives were applied to the AtGH12 characterization. The mass spectrometry of hydrolyzed substrate from the enzyme catalysis was acquired as a way to investigate the cleavage pattern of hydrolysis and the study of the enzyme/substrate interaction. Structural characterization of the recombinant enzymes was obtained using techniques such as dynamic light scattering, circular dichroism as well as small angle X-ray scattering and native gel, aided to determine the folding and oligomeric state of AtGH12 in solution. In order to provide support for the development of more effective enzyme cocktails for hydrolysis of lignocellulosic biomass, the activity of AtGH12 was evaluated using sugarcane bagasse pretreated by hydrothermal and organosolv processes. Subsequently, the degree of synergism in this type of substrate was measured using a commercial enzyme cocktail Acellerase&reg.

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).

Atomic force microscopy was used to image the action of cellulolytic enzymes in situ on never-dried native cellulose films. Cellomonas fimi, CenA was used as a model enzyme for proof of concept experiments and for the identification of different enzyme action on different cellulose structures. Inactive and active Trichoderma reesei enzymes EGI and CBHI were studied to disentangle the action of the cellulose binding domain from the catalytic domain. A novel procedure, volume analysis, was developed to quantify changes in cellulose fibers as a result of this action. Volume analysis was used to compare fibers in different experiments (with different structural features and enzymes) regardless of where the change in the fiber occurred. The site-specific nature of cellulose-enzyme interactions is accessible using this analysis technique. Additionally, the reported volume change reflects a change in mass that is of interest for industrial purposes. From inactive CBHI action there was no distinguishable change between enzyme action on defect or crystalline regions of the cellulose fiber. From the active enzyme results a quantifiable degradation event was measured. Digestion was initially quick then after one hour the volume plateaued. The crystalline cellulose region plateaued at -20 ± 1% and the defect region at -31 ± 2%. The inactive EGI enzyme was found to have significant non-hydrolytic action on insoluble cellulose fibers. There was more significant swelling effect on the defect than the crystalline regions of the cellulose fiber. From the active EGI results a quantifiable degradation event was measured followed by swelling events. Degradation was initially quick with the total mass loss occurring within the first hour of the experiment. The volume then increased as the enzyme induced swelling of the fiber structure. The extent of degradation and swelling is structure limited with more disordered regions showing larger decreases in volume and predominantly crystalline regions showing mainly swelling events.

Cellulose is the most plentiful biopolymer on the planet, and as such, is a large potential energy source. Converting cellulose into ethanol first requires the disruption of the crystallinity of cellulose fibers and subsequent hydrolysis into glucose. The glucose can then be fermented, producing ethanol. The conversion of cellulose fibers to glucose is an energy intensive and costly step, which is a barrier to industrial production of cellulosic ethanol. The use of enzymes to facilitate this conversion is a promising approach. In the present study, the action of individual enzymes and combinations of enzymes from the Hypocrea jecorina secretome on bacterial cellulose fibers has been studied, to better understand their individual and synergistic action. I have used a custom Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) device to measure changes in the thickness of cellulose fiber coverage of a thioglucose-functionalized gold substrate upon exposure to enzymes. The cellulose fibers were deposited using a Langmuir-Blodgett technique, resulting in non-uniform cellulose coverage of the substrate. By defining local Regions of Interest (ROIs) of the cellulose-covered gold film, and by measuring the SPR curves at elevated temperature for the ROIs as a function of time, we are able to determine the rate and extent of degradation of the cellulose fibers within individual ROIs. We have fit the change in SPR angle over time after exposure to enzyme to an exponential decay function that allows us to determine the average time constant of action of these enzymes on the deposited cellulose fibers. We have used the above procedure to measure the average time constants of action and the average degradation fraction (the change in average thickness divided by the initial average thickness) of cellulose fibers exposed to CBH-1, CBH-2, and EG-1, as well as combinations of these enzymes. We have measured an increase in the average degradation fraction and a decrease in the average time constants of action for cellulose fibers exposed to 23 μg/mL CBH-2 compared to fibers exposed to the same concentration of CBH-1. Additionally, for concurrent exposure of CBH-1 and EG-1 (with individual concentrations of 23 μg/mL), as well as concurrent introduction of CBH-1, CBH-2 and EG-1, we observed increases in the average degradation fraction and decreases in average time constants relative to the values measured for the individual enzymes. These measurements allow us to determine the relative activity of these enzymes and they demonstrate cooperativity and complementarity of action of the different enzymes.

Submitted by Maria Cecilia Maia Chierotti null (cissamaiaa@hotmail.com) on 2016-08-02T23:38:56Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Maria Cecilia Maia Chierotti.pdf: 1902348 bytes, checksum: 9383b2dfba46a401d81aef89a3138440 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-08-05T13:36:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 chierotti_mcm_me_sjrp.pdf: 1902348 bytes, checksum: 9383b2dfba46a401d81aef89a3138440 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-05T13:36:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 chierotti_mcm_me_sjrp.pdf: 1902348 bytes, checksum: 9383b2dfba46a401d81aef89a3138440 (MD5) Previous issue date: 2016-07-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Um dos interesses biotecnológicos e econômicos da atualidade é otimizar o emprego da biomassa em processos industriais mediado por biocatalisadores, como as enzimas. O objetivo do presente trabalho foi purificar e caracterizar uma endoglucanase produzida pelo fungo Rasamsonia emersonii S10, em fermentação em estado sólido, tendo como substrato resíduos lignocelulósicos. A partir de solução enzimática bruta detectou-se 2 isoformas da enzima, com massas moleculares de 45 e 60 kDa, sendo escolhida a primeira para ser purificada. A solução foi clarificada em carvão ativado e concentrada por ultrafiltração tangencial. A endoglucanase foi purificada em coluna cromatográfica iônica e de exclusão molecular, intermediada por diálise. O processo levou a um fator de purificação de 6,7 e rendimento de 8,8%. A enzima apresentou temperatura ótima de 85,3 ºC e pH 4,0. Ativação foi evidenciada quando a enzima foi mantida de 40 até 60 ºC. A enzima foi estável, quando mantida em temperaturas de 65 a 80 ºC e faixa de pH entre 6 e 7,5. Estudo do efeito de íons e compostos orgânicos revelaram ativação em presença de MnCl2 e inibição por HgCl2 e ácido 4-hidroxibenzóico e 5-hidroximetilfurfural. A enzima mostrou afinidade por CMC, porém também foi capaz de hidrolisar Avicel®. A CMCase exibiu Km de 3,53 mg.mL-1 e Vmax de 2,86 µmol/min.mL. Os parâmetros termodinâmicos indicaram uma endoglucanase estável a altas temperaturas, com tempo de meia vida de 355 min a 40 ºC e temperatura de fusão em 89 ºC. / Nowadays, one of the technological and economic interests is to optimize the use of biomass in industrial processes mediated by biocatalysts such as enzymes. The objective of this study was to purify and characterize an endoglucanase produced by the fungus Rasamsonia emersonii S10 in solid state fermentation, as substrate lignocellulosic residues. From the crude enzyme solution was detected 2 isoform of the enzyme, with a molecular weight of 45 kDa and 60, the first being chosen to be purified. The solution was clarified by activated carbon and concentrated by tangential ultrafiltration. The endoglucanase was purified by ion chromatographic and molecular exclusion mediated by dialysis. The process led to a purification factor of 6.7 and 8.8% yield. The enzyme showed optimum temperature of 85.3 °C and pH 4.0. Activation was observed when the enzyme was maintained at 40 to 60 °C. The enzyme was stable when maintained at temperatures 65-80 °C and pH between 6 and 7.5. Study of the effect of ions and organic compounds showed activation in the presence of MnCl2 and HgCl2 inhibition and 4- hydroxybenzoic acid and 5-hydroxymethylfurfural. The enzyme showed affinity for CMC, but was also able to hydrolyze Avicel®. The CMCase exhibited Km 3.53 mg.mL-1 and Vmax of 2.86 mmol/min.mL-1 . The thermodynamic parameters indicated endoglucanase stable at high temperatures, with half-life of 355 min at 40 °C and the melting temperature at 89 °C.

Fungos de podridão branca e fungos de podridrão parda são capazes de degradar a biomassa lignocelulósica utilizando diferentes mecanismos. Os fungos de podridão parda degradam a celulose e a hemicelulose enquanto modificam a lignina, sendo, portanto, as enzimas hidrolíticas ativas em substrato rico em lignina. O arsenal enzimático diferenciado desses fungos torna-os alvos para prospecção de enzimas que podem ser aplicadas em diversos processos biotecnológicos. O fungo Gloeophyllum trabeum é uma das espécies mais compreendidas deste grupo, e sabe-se que é capaz de degradar a celulose sem produzir CBHs. Além disso já foi reportado uma GH5 proveniente desse organismo com caraterísticas processivas. Nossa tentativa de clonagem dessa enzima (GtGH5) em A. nidulans A773 não foi bem sucedida, todavia nosso grupo esta repetindo os passos de clonagem e expressão. No genoma desse organismo esta presente um gene que codifica uma GH45. A GtGH45 foi a clonada e expressa com alto rendimento em A. nidulans cepa A773. A expressão, secreção e acumulaçao da GtGH45 foi positiva após 72 h de incubação em meio líquido (maltose como indutor), confirma por eletroforese SDS-PAGE do extrato enzimático concentrado e dialisado. A massa molar de 18,4 kDa foi consistente com a predição da sequência de 204 amino-ácidos obtída apartir da sequência gênica e corrobora com a caracterização por espectometria de massas (18,9 kDa). A análise filogenética é consistente com estudos anteriores, agrupando a proteína alvo com outras GH45s de basidiomicetos na subfamília C. A enzima purificada foi testada para determinação da especificidade pelo substrato apresentando maior atividade em arabinoxilana, xilana, arabinoxilana e CMC e foi capaz de gero celo-oligômeros a partir da hidrólise de PASC. O pH ótimo em CMC foi 2,5, além se demonstrar ser temoestável em ensaio de Thermoflour. A hidrólise enzimática de substratos lignocelulósicos derivados de cana-de-açúcar mostrou que a GtGH45 foi eficiente para suplementar coqueteis enzimáticos comerciais, principalmente na conversão de xilana. / White-rot and brown-rot basidiomycetes are able to transform lignocellulosic materials through different mechanisms. The brown-rot fungi are able to degrade cellulose and hemicellulose meanwhile modifies lignin. The hydrolytic enzymes of these fungi act on a lignin-enriched substrate, which makes them targets to prospect new enzymes for polysaccharides hydrolysis. Gloeophyllum trabeum is one of the best understood fungal species in this group. An interesting processive GH5-endoglucanase (EG) has been described in this species suggesting an unusual pathway for lignocellulosic degradation without cellobiohydrolases (CBH). Our first attempt to clone this GtGH5 was default but our grup is trying a new attempt of heterologous expression of this protein. Furthermore, G. trabeum genome points out for a low molar mass GH45-EG. Here we report on a recombinant high-yield G. trabeum ATCC 11539 GtGH45 production system. Expression and secretion of endoglucanase GtGH45 was positive after 72 h incubation of the transformed A. nidulans stain A773 in stationary liquid cultures (maltose as inductor). The SDS-PAGE electrophoresis of ultra-filtrated extract showed a single-band GtGH45 over expressed band. The molar mass of 18,4 KDa was consistent with the predicted 204 amino acids sequence derived from gene sequence analyses and corroborates with mass spectometry characterization (18,9 KDa). Even more, the phylogenetic analyze is consistent to previews studies, clustering the target protein with others GH45 from basidiomycetes at subfamily C. The purified protein was assayed for substrate specificity showing activity against xylan, arabinoxylan and PASC. GtGH45 was able to produce cello-oligomers from PASC. The optimum pH was 2.5 with CMC as the substrate. Xylan conversion was enhanced when GtGH45 was mixed with commercial enzymes in enzymatic hydrolysis of alkaline-sulfite pretreated sugar cane bagasse.

A importância do estudo das celulases não se limita à aquisição de conhecimento científico, mas também ao grande potencial biotecnológico que elas representam. Isso se deve ao fato da celulose ser a molécula mais abundante presente na natureza e prover uma vasta gama de produtos e processos sustentáveis. Muitas famílias de celulases já foram bem caracterizadas, enquanto outras permanecem ainda desconhecidas. Dentre estas últimas, a família 45 das hidrolases de glicosídeos é a família de celulases fúngicas menos caracterizada tanto estruturalmente quanto funcionalmente. Recentemente foi proposta a divisão dessa família em três subfamílias e, até agora, apenas membros da subfamília A tiveram enzimas estruturalmente elucidadas. Nesse trabalho reportamos a estrutura cristalográfica da proteína recombinante endoglucanase de Phanerochaete chrysosporium (PcCel45A), a primeira das hidrolases de glicosídeos da subfamília C, e seu complexo com celobiose a 1,4 Å e 1,7 Å de resolução, respectivamente. A PcCel45A é uma enzima de domínio único, com uma estrutura em β-barril e seu empacotamento geral remete ao formato de âncora. O sítio ativo da enzima forma um longo sulco na superfície da estrutura, sendo que o seu centro catalítico é diferente das outras enzimas publicadas dessa família e o aspartato catalítico, que atua como aceptor de próton na reação de inversão, (Asp10) não é conservado. Adicionalmente, a estrutura cristalográfica dessa enzima apresenta mais similaridades com as β-expansinas (proteínas de plantas) e transglicosilases líticas (proteínas que clivam o peptidoglicano de bactérias) do que com as outras representantes da família 45, o que a torna ainda mais singular. Para entendermos melhor seu funcionamento foram realizadas mutações sítio-dirigidas nos principais resíduos do sítio ativo. O Asp121, conhecido por participar da reação de inversão das outras enzimas da família como doador de próton, mostrou-se essencial para a atividade da enzima, enquanto que outros resíduos conservados como a Tyr25, o Trp161 e o Asp92 afetaram, mas não aniquilaram a atividade da enzima, apresentando aproximadamente 20%, 50% e 10% da atividade da enzima nativa, respectivamente. / The importance of the study of the cellulases is not limited to generating significant scientific knowledge, since these enzymes represents an enormous potential in biotechnology. This is partly because cellulose is the most abundant molecule in nature and provides a wide range of products and sustainable process. Many cellulases families have been well characterized, while others still remain unknown. Among them, the glycoside hydrolase family 45 is the least well characterized both structurally and functionally, between fungal cellulases. It was recently proposed the subdivision of this family into three subfamilies, with structural information available only for subfamily A. In this work, we report the chrystallographic structure of the recombinant endoglucanase from Phanerochaete chrysosporium (PcCel45A), the first GH45 subfamily C and its complex with cellobiose at 1.4 Å and 1.7 Å respectively. The PcCel45A is a single domain enzyme, which has a β-barrel structure with the overall shape resembling an anchor. The active site of the enzyme has a long cleft on the surface, being remarkably different from those members of subfamily A, and the catalytic aspartate responsible for acting as proton acceptor (Asp10) is not present. Additionally, the chrystallographic structure of this enzyme has shown more similarity with β -expansins (plant proteins) and lytic transglycosylase (proteins that cleave the peptidoglycan of bacteria) than others representants of family 45, which makes it more singular. For a better understanding of its function, we perform pontual mutations in the main residues from active site. The Asp121, known for acting as proton acceptor in the inversion reaction of others enzymes, proved to be essential for the enzyme activity, while others conserved residues as Tyr25, Trp161 and Asp92 affected but not annihilated the enzyme activity, leaving approximately 20%, 50% and 10% of the native enzyme activity.

Celulose nanocristalina (CNC) é um material de grande ascensão e desenvolvimento no mercado, com um número cada vez maior de aplicações em diversos setores industriais. Contudo, suas aplicações dependem fortemente das propriedades químicas, físicas e ópticas inerentes da CNC, bem como a capacidade de subsequente modificação química. A produção de CNC por via enzimática é um processo controlado e ambientalmente correto que permite obter as CNCs com propriedades desejáveis, porém o processo ainda é pouco estudado. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi aumentar a seletividade da endoglucanase para as regiões amorfas e produzir CNC com alta cristalinidade e alto grau de pureza (baixo teor de hemicelulose). Para isso, foi investigado, pela primeira vez, os efeitos de um preparo enzimático rico em xilanase (Cellic HTec2 ®) para auxiliar na produção de CNC por hidrólise enzimática a partir de polpa kraft de eucalipto branqueada (BEKP). Surpreendentemente, combinações de enzimas com cargas mais elevadas de xilanase em relação a de endoglucanase, mostrou ter um maior potencial para produção de CNC, uma vez que esta foi a única condição que levou ao isolamento de nanopartículas. Essas nanopartículas apresentaram tamanho médio de 420-720nm, índice de cristalinidade entre 65-70%, suas suspensões aquosas permaneceram estáveis por um período maior do que 48h, e apresentaram termoestabilidade muito superior a CNCs obtidas pelo método tradicional de hidrólise com H2SO4. A combinação com carga de xilanase 3 e 7 vezes maior do que a de endoglucanase mostrou ser uma combinação ideal para produção de CNCs. Apesar da xilanase utilizada neste trabalho ter solubilizado mais 70% da xilana de BEKP, o teor de xilana encontrado nas CNCs mantiveram alto (13-15%) e não houve correlação com a composição química o resíduo de BEKP após a hidrólise enzimática. / Cellulose nanocrystal (CNC) is a high-value, emerging nanomaterial with an increasing number of applications in various industrial sectors. However, its applications depend heavily on the inherent chemical, physical and optical properties as well as its suitability for subsequent chemical modification. The enzymatic production of CNC is a controlled and ecofriendly process that allows to obtain CNC with improved properties, but the process is still poorly studied. In this context, the objective of this work was to increase the selectivity of an endoglucanase to the amorphous regions of cellulose and to produce CNC with high crystallinity and purity (low hemicellulose content). We investigated, for the first time, the ability of an endoxylanase enriched enzyme preparation (Cellic HTec2 ®) to aid in the production of CNC by enzymatic hydrolysis from a bleached eucalyptus kraft pulp (BEKP). Interestingly, it was found that combinations of enzymes with xylanase load higher than endoglucanase resulted in greater potential for CNC production, since this was the only condition that led to the isolation of nanoparticles. These nanoparticles showed an average particle size of 420- 720nm, crystallinity index between 65-70%, and their aqueous suspension could remain stable for a period longer than 48h. The enzymatically produced CNCs showed much higher thermostability than the CNC obtained by the traditional hydrolysis with H2SO4. The combination of xylanase loading 3 and 7 times greater than endoglucanase was shown to be an ideal combination for CNC production. Although the xylanase employed in this work solubilized more than 70% of the xylan in BEKP, the content of xylan found in CNC produced remained high (13-15%) and did not correlated with the chemical composition of the enzymatic hydrolysis cellulosic residue.