<p>The use of DNA as a polymeric building material transcends its function in biology and is exciting in bionanotechnology for applications ranging from biosensing, to diagnostics, and to targeted drug delivery. These applications are enabled by DNA’s unique structural and chemical properties, embodied as a directional polyanion that exhibits molecular recognition capabilities. Hence, the efficient and precise synthesis of high molecular weight DNA materials has become key to advance DNA bionanotechnology. Current synthesis methods largely rely on either solid phase chemical synthesis or template-dependent polymerase amplification. The inherent step-by-step fashion of solid phase synthesis limits the length of the resulting DNA to typically less than 150 nucleotides. In contrast, polymerase based enzymatic synthesis methods (e.g., polymerase chain reaction) are not limited by product length, but require a DNA template to guide the synthesis. Furthermore, advanced DNA bionanotechnology requires tailorable structural and self-assembly properties. Current synthesis methods, however, often involve multiple conjugating reactions and extensive purification steps.</p><p>The research described in this dissertation aims to develop a facile method to synthesize high molecular weight, single stranded DNA (or polynucleotide) with versatile functionalities. We exploit the ability of a template-independent DNA polymerase−terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT) to catalyze the polymerization of 2’-deoxyribonucleoside 5’-triphosphates (dNTP, monomer) from the 3’-hydroxyl group of an oligodeoxyribonucleotide (initiator). We termed this enzymatic synthesis method: TdT catalyzed enzymatic polymerization, or TcEP.</p><p>Specifically, this dissertation is structured to address three specific research aims. With the objective to generate high molecular weight polynucleotides, Specific Aim 1 studies the reaction kinetics of TcEP by investigating the polymerization of 2’-deoxythymidine 5’-triphosphates (monomer) from the 3’-hydroxyl group of oligodeoxyribothymidine (initiator) using in situ 1H NMR and fluorescent gel electrophoresis. We found that TcEP kinetics follows the “living” chain-growth polycondensation mechanism, and like in “living” polymerizations, the molecular weight of the final product is determined by the starting molar ratio of monomer to initiator. The distribution of the molecular weight is crucially influenced by the molar ratio of initiator to TdT. We developed a reaction kinetics model that allows us to quantitatively describe the reaction and predict the molecular weight of the reaction products.</p><p>Specific Aim 2 further explores TcEP’s ability to transcend homo-polynucleotide synthesis by varying the choices of initiators and monomers. We investigated the effects of initiator length and sequence on TcEP, and found that the minimum length of an effective initiator should be 10 nucleotides and that the formation of secondary structures close to the 3’-hydroxyl group can impede the polymerization reaction. We also demonstrated TcEP’s capacity to incorporate a wide range of unnatural dNTPs into the growing chain, such as, hydrophobic fluorescent dNTP and fluoro modified dNTP. By harnessing the encoded nucleotide sequence of an initiator and the chemical diversity of monomers, TcEP enables us to introduce molecular recognition capabilities and chemical functionalities on the 5’-terminus and 3’-terminus, respectively.</p><p>Building on TcEP’s synthesis capacities, in Specific Aim 3 we invented a two-step strategy to synthesize diblock amphiphilic polynucleotides, in which the first, hydrophilic block serves as a macro-initiator for the growth of the second block, comprised of natural and/or unnatural nucleotides. By tuning the hydrophilic length, we synthesized the amphiphilic diblock polynucleotides that can self-assemble into micellar structures ranging from star-like to crew-cut morphologies. The observed self-assembly behaviors agree with predictions from dissipative particle dynamics simulations as well as scaling law for polyelectrolyte block copolymers.</p><p>In summary, we developed an enzymatic synthesis method (i.e., TcEP) that enables the facile synthesis of high molecular weight polynucleotides with low polydispersity. Although we can control the nucleotide sequence only to a limited extent, TcEP offers a method to integrate an oligodeoxyribonucleotide with specific sequence at the 5’-terminus and to incorporate functional groups along the growing chains simultaneously. Additionally, we used TcEP to synthesize amphiphilic polynucleotides that display self-assemble ability. We anticipate that our facile synthesis method will not only advance molecular biology, but also invigorate materials science and bionanotechnology.</p> / Dissertation

Le but des travaux de cette thèse a été de mettre en place des protocoles de synthèse et de polymérisation de composés phénoliques. Le premier objectif a été de développer et optimiser des modes opératoires robustes et reproductibles permettant de polymériser de manière contrôlée ces derniers en présence d’oxydases, et particulièrement de laccase. Les études mécanistiques menées dans le cadre de ces nouveaux procédés ont mené à une meilleure compréhension de la réactivité des phénols (oxydation, dismutation) et à de nouveaux modes de valorisation de ces composés. Ainsi, ces procédés nous ont permis d’accéder sélectivement à des composés phénoliques de complexité structurale et fonctionnalité variées (dimères, trimères ou oligomères peu polydisperses) pouvant être utilisés en tant qu’antioxydants ou encore monomères/synthons pour la chimie des polymères. Pour illustrer le potentiel de ces composés phénoliques dans le domaine des polymères, ils ont été mis en jeu dans des réactions de polymérisation par métathèse (ADMET) et polymérisation radicalaire (thiol-ène). / The purpose of this thesis was to develop experimental protocols for the polymerization of phenoliccompounds.The first objective was to develop and optimize robust and reproducible procedures to control thepolymerization of phenolic compounds in the presence of oxidases, such as laccase. Mechanisticstudies were conducted during these new processes in order to have a better understanding of thereactivity of phenols (oxidation, dismutation) and find new ways of valorization of such compounds.Thus, these methods have enabled us to selectively access phenolic compounds of structuralcomplexity and variable functionalities (dimers, trimers or oligomers) that can be used asantioxidants or monomers for the polymer chemistry. To illustrate the potential of these phenoliccompounds in the field of polymers, they have been involved in polymerization reactions such asADMET and radical polymerizations (thiol-ene).

Esse trabalho teve como objetivo a obtenção e caracterização de uma cepa transformante de Aspergilus nidulans para produção de uma lipase de Beauveria bassiana (denominada Bbl1) por meio do vetor pExpyr, utilizando xarope de milho como fonte de carbono indutora. Para isso utilizou-se o gene sob referência XP_008602131.1 (denominado bbl1) do NCBI que foi introduzido em vetores de pGEM-T, para multiplicação, e no pExpyr, para expressão. Foi feita a modelagem molecular dessa enzima, revelando cavidades hidrofóbicas para interação com substrato, e a \"tampa\", considerada característica comum das lipases \"verdadeiras\". A produção de Bbl1 em cultivos contendo maltose foi aproximadamente o dobro em relação à cepa selvagem B. bassiana. Posteriormente, com o intuito de melhorar a produção e baratear os custos de fermentação desta cepa, a maltose e o tampão HEPES (insumos caros e utilizados em escala laboratorial, porém inviáveis em padrão industrial) foram substituídos respectivamente por xarope de milho e tampão fosfato de sódio; o resultado foi a obtenção de quase 40 U.mL-1 de atividade de lipases em Erlenmeyer de 125 mL, quadruplicando a produção em relação a cepa selvagem. A Bbl1 foi purificada em colunas de Octyl-Sepharose e DEAE-celulose. Essa enzima demonstrou-se estável em solução com 0,5% de tween-20 e tween-80, e hiper-ativada na presença destes dois detergentes e de Triton X-100. Além disso, os ácidos oleico e linoleico demonstraram-se como inibidores análogos a não-competitivos. O estudo de imobilização revelou que o suporte de Octyl-Sepharose é o mais ideal para ativação de Bbl1, sendo que a atividade relativa da mesma foi cerca de 123%, em relação a mesma enzima em solução aquosa. Quanto à estabilidade térmica e ao pH, a imobilização promoveu um ganho de estabilidade nas temperaturas de 30°C até 60°C nos derivados de Octyl, Phenyl, Butyl, DEAE-celulose, MANAE e PEI, e na faixa de pH de 3 até 9 nesses mesmos suportes estudados, em comparação à enzima em solução. Por meio de estudos cinéticos, observou-se que a velocidade máxima de Bbl1 imobilizada em Octyl foi 2,39 vezes maior e o respectivo valor de K0,5, 2,7 vezes menor em relação à Bbl1 livre. O padrão de inibição pelos ácidos oleico e linoleico sofreu alteração em Bbl1 imobilizada, sendo dependente da concentração destes inibidores. Os produtos hidrólise dos óleos de açaí e buriti foram fracionados em fases polares e apolares e aplicados em culturas de monocamada de linhagens celulares de glioblastoma LN-18. Observou-se os produtos de hidrólise do óleo de buriti provocaram redução na viabilidade respiratório das células de glioblastoma até 120 horas de exposição, enquanto que nos cultivos de células de fibroblasto observou-se um \"ganho\" de viabilidade neste mesmo período de cultivo. Por fim, esse trabalho permitiu a gratificação em obter uma cepa de A. nidulans transformante para expressão de lipase - uma enzima comercialmente onerosa e com poucos trabalhos envolvendo sua produção de forma heteróloga. Além disso, tornou-se a utilização destas enzimas na hidrólise de óleos brasileiros como um potencial agente à obtenção de insumos para o tratamento de glioblastoma. / The objective of this work was to obtain and characterize a transforming strain of Aspergilus nidulans to produce a Beauveria bassiana lipase (called Bbl1) using the pExpyr vector, having corn syrup as inducing carbon source. For this purpose, the NCBI reference gene XP_008602131.1 (designated bbl1) was used, which was introduced into pGEM-T vectors for storage, and pExpyr for expression. The molecular modeling of this enzyme was performed, revealing hydrophobic cavities for the interaction with substrate, and the \"lid\", considered a common characteristic of \"true\" lipases. Production of Bbl1 in cultures containing maltose was approximately double that of B. bassiana wild strain. Later, in order to improve the production and to reduce the costs of fermentation of this strain, maltose and HEPES buffer (expensive and laboratory-grade inputs, however, not viable in an industrial standard) were replaced by corn syrup and sodium phosphate buffer; the result was the obtaining of almost 40 U.mL-1 of lipase activity in Erlenmeyer of 125 mL, quadrupling the production in relation to the wild strain. Bbl1 was purified on Octyl-Sepharose and DEAE-cellulose columns. This enzyme showed to be stable in solution with 0.5% tween-20 and tween-80, and hyperactivated in the presence of these two detergents and Triton X-100. In addition, oleic and linoleic acids have shown to be non-competitive analogues. The immobilization study revealed that Octyl-Sepharose support is the most ideal for the activation of Bbl1, and the relative enzymatic activity was about 123% in relation to the same non-immobilized enzyme. As for thermal stability and pH, immobilization promoted a stability gain at temperatures of 30 ° C to 60 ° C in the Octyl, Phenyl, Butyl, DEAEcellulose, MANAE and PEI derivatives, and in the pH range of 3 up to 9 in these same supports, compared to the enzyme in solution. By means of kinetic studies, it was observed that the maximum rate of Bbl1 immobilized on Octyl was 2.39 higher and the respective value of K0.5, 2.7 lower than the free Bbl1. The inhibition pattern for oleic and linoleic acids was altered in immobilized Bbl1, being dependent on the concentration of these inhibitors. The hydrolysis products of açai and buriti oils were fractionated in polar and nonpolar phases and applied to monolayer cultures of LN-18 glioblastoma cell lines. It was observed that the buriti oil hydrolysis products were able to cause a reduction in the respiratory viability of glioblastoma cells up to 120 hours of exposure, whereas in the fibroblast cell cultures a viability \"gain\" was observed in the same culture period. Finally, this work allowed the gratification in obtaining a strain of transforming A. nidulans for lipase expression - a commercially expensive enzyme with few studies involving its production in a heterologous way. In addition, the use of these enzymes in the hydrolysis of Brazilian oils has become a potential agent to obtain inputs for the treatment of glioblastoma.

A conservação do potencial fisiológico das sementes de amendoim durante o armazenamento é considerada de grande importância pelas empresas produtoras de sementes, pois a composição química das sementes dessa espécie, ricas de lipídios, e as condições de armazenamento inadequadas interferem diretamente na longevidade das sementes. Diante disso, o objetivo desta pesquisa foi avaliar a conservação do potencial fisiológico de sementes de amendoim armazenadas em ambientes distintos, procurando identificar possíveis alterações fisiológicas durante esse período. Foram utilizados dois cultivares de amendoim (IAC OL3 e RUNNER IAC 886), cada um representado por três lotes de sementes produzidos em diferentes regiões e armazenados, durante 9 meses, em câmara fria e seca (11°C / 24% de umidade relativa do ar - UR), câmara seca (19°C / 40% UR) e ambiente natural (24°C / 66% UR), precedidos ou não da operação de debulha. O desempenho das sementes foi avaliado em épocas trimestrais, por meio dos testes de germinação e vigor (envelhecimento acelerado tradicional e com solução saturada de NaCl, condutividade elétrica, emergência de plântulas em campo, análise computadorizada de imagens de plântulas - SVIS&#174;) e teste de sanidade; também foram determinadas a atividade das enzimas superóxido dismutase, catalase, malato desidrogenase e esterase, por meio da técnica de eletroforese. Os dados foram submetidos, separadamente para cada cultivar, a análise da variância, em delineamento inteiramente casualizado (testes em laboratório) e em blocos ao acaso (testes em campo); as médias foram comparadas pelo teste de Tukey (p &#8804; 0,05). Verificou-se que o potencial fisiológico de sementes dos cultivares IAC OL3 e RUNNER IAC 886 é preservado quando armazenadas em câmara fria e seca, sendo o teor de água seguro para redução da velocidade de deterioração das sementes tanto no interior das vagens quanto debulhadas, durante o armazenamento, em ambos cultivares, é de 4,4%. O armazenamento em ambiente natural com condições sub-ótimas de temperatura e umidade relativa do ar, promove maior interferência negativa na velocidade de deterioração das sementes do que os sistemas de debulha. Alterações nos sistemas enzimáticos da superóxido dismutase e da catalase permitem identificar o progresso de deterioração de sementes de amendoim em diferentes condições de armazenamento precedidas ou não da operação de debulha. / The conservation of the physiological potential of peanut seeds during storage is considered of great importance by seed companies, since the chemical composition of the seeds which are rich in lipids, combined with inadequate storage conditions can directly interfere in the seed longevity. Thus, the objective of this research was to evaluate the conservation of the physiological potential of peanut seeds stored in different environments, seeking to identify possible physiological changes during this period. Two peanut cultivars (IAC OL3 and RUNNER IAC 886) were used, each represented by three seed batches produced in different regions and stored for 9 months in the following conditions: Cold and dry chamber (11°C / 24% relative humidity - RH), dry chamber (19°C / 40% RH), and natural environment (24°C / 66% RH), preceded or not by the threshing. Seed performance was evaluated in quarterly seasons through germination and vigor tests (traditional accelerated aging and saturated NaCl solution, electric conductivity, emergence of field seedlings, computerized analysis of seedlings images - SVIS&#174;) and test of sanity. The activity of the enzymes superoxide dismutase, catalase, malate dehydrogenase and esterase was also determined by the electrophoresis technique. The data were submitted, separately for each cultivar, to the analysis of variance, in a completely randomized design (laboratory tests) and in randomized blocks (field tests); the means were compared by the Tukey\'s test (&#945; &#8804; 0.05). It was found that the physiological potential of seeds of IAC OL3 and RUNNER IAC 886 is preserved when stored in a cold and dry chamber, being the water content safe to reduce the deterioration rate of the seeds both inside the pods and threshed, during storage, both cultivars, is 4.4%. The storage sub-optimal conditions of temperature and relative humidity as the natural environment, promotes greater negative interference in the speed of deterioration of the seeds of the threshing system. Changes in enzyme systems of superoxide dismutase and catalase identifying the progress of deterioration of peanut seeds at different storage conditions preceded or not the threshing operation.

Fumarato hidratases ou fumarases (FH) catalisam a reação estereoespecífica reversível de hidratação do fumarato em L-malato. Essas enzimas se apresentam em todas as classes de organismos, desde procariotos a eucariotos, e podem ser encontradas nas formas mitocondrial e citosólica. A enzima tem papel importante na produção de energia pois participa do ciclo do ácido cítrico, na resposta ao dano do DNA e como supressor tumoral. A fumarase humana (HsFH), que pertence à classe II, é codificada pelo gene 1q42.1, possui 467 aminoácidos em cada monômero com peso molecular de 50,2 kDa cada. Estudos associaram mutações no gene da FH com diversas doenças humanas como acidúria fumárica, leiomiomatoses de útero e pele (MCUL), que quando associadas com um agressivo carcinoma múltiplo de células é conhecido como leiomiomatose hereditária e câncer renal (HLRCC). Apesar da grande importância da fumarase humana no metabolismo energético, ainda há pouca informação em relação ao mecanismo catalítico adotado pela enzima e o efeito estrutural e cinético causado pelas mutações envolvidas com essas doenças. Diante disso, nosso trabalho utilizou uma abordagem híbrida que envolve a caracterização biofísica, bioquímica e estrutural da enzima HsFH, e seus mutantes: N107THsFH, H180RHsFH, Q185RHsFH, K230RHsFH, G282VHsFH, E362QHsFH, S365GHsFH e N373DHsFH, identificados em pacientes. Estudos cinéticos foram realizados em sete diferentes pHs e, pela primeira vez para fumarases, o ensaio foi realizado com os dois substratos presentes na mesma mistura reacional, confirmando a contribuição da reação reversa para a velocidade global da enzima. De acordo com os estudos de termoflúor a proteína é estabilizada em pHs alcalinos e através da ligação de compostos no sítio ativo. A estrutura da enzima HsFH nativa foi resolvida a 1,8 Å e identificou a presença de moléculas de HEPES complexadas na região C-terminal da enzima. Os estudos cinéticos demonstraram um aumento da eficiência catalítica na presença do HEPES, sugerindo um possível papel alostérico de seu sítio de ligação para a atividade catalítica. Foram determinadas as estruturas para os mutantes N107THsFH, H180RHsFH, Q185RHsFH, K230RHsFH, E362QHsFH, S365GHsFH e N373DHsFH. As mutações Q185R, E362Q, S365G e N373D foram identificadas no sítio ativo afetando diretamente a capacidade da proteína em ligar os substratos, enquanto que a mutação H180R foi localizada no sítio B, que conduz os substratos e produtos para dentro e fora do sítio ativo. Já a mutação K230R está localizada no domínio central, mas os resultados de termoflúor demonstram um efeito direto na capacidade da enzima em acomodar o substrato. A mutação N107T, localizada longe do sítio ativo foi a única que permaneceu ativa e teve seus parâmetros cinéticos residuais determinados. O presente trabalho contribui para o entendimento das bases estruturais que correlacionam mutações na HsFH, deficiência enzimática e patologia. / Fumarate hydratases or fumarases (FH) catalyze the reversible stereospecific hydration of fumarate to L-malate. They are present in all classes of organisms, from prokaryotes to eukaryotes, and can be found in the mitochondrial and cytosolic forms. The enzyme has an important role in energy production as part of the well-known Citric Acid Cycle, in DNA damage response and as tumor suppressor. Human fumarase (HsFH) belongs to class II and is encoded by 1q42.1 gene. HsFH is tetrameric and has 467 amino acids per monomer, with predicted molecular weight of 50.2 kDa. Several studies associated FH gene mutations with some human diseases such as fumaric aciduria, multiple cutaneous and uterine leiomyomatosis (MCUL), which when associated with an aggressive form of multiple cell carcinoma is known as hereditary leiomyomatosis and renal cancer (HLRCC) syndrome. Although the major role of HsFH in energetic metabolism, there are still little structural and kinetic information about the mutants involved in these diseases. Thus, this study aims, through a hybrid approach, composed by biophysics, biochemical and structural characterization of mutants N107THsFH, H180RHsFH, Q185RHsFH, K230RHsFH, G282VHsFH, E362QHsFH, S365GHsFH and N373DHsFH identified from patients. Steady-state kinetics studies were performed in seven different pHs and, for the first time, the contribution of both substrates was analyzed simultaneously in a single kinetic assay and allowed to quantify the contribution of the reverse reaction for kinetics. According to thermofluor studies, structural stability can be achieved at alkaline pHs and suggests that ligand binding can modulate the protein stability. HsFH crystal structure was solved at 1.8 Å resolution and identified HEPES molecules complexed with the enzyme C-terminal region. Kinetics studies with HEPES showed an increase of the catalytic efficiency and suggests that HEPES binding site might have an allosteric role. Crystal structures for the mutants N107THsFH, H180RHsFH, Q185RHsFH, K230RHsFH, E362QHsFH, S365GHsFH and N373DHsFH were determined. The mutations Q185R, E362Q, S365G and N373D were identified in the active site and affect the substrate binding capacity directly, while mutation H180R was localized in the B site, which conducts the substrates and products in and out the active site. The mutation K230R is localized in the central domain, but thermofluor results demonstrate a direct effect on the ability of the enzyme to accommodate the substrate. The N107T mutation located far from the active site was the only one that remained active and had its residual kinetic parameters determined. The present work contributes to the understanding of the structural bases that correlate mutations in HsFH, enzymatic deficiency and pathology.

A descoberta de inibidores seletivos é extremamente importante para o desenvolvimento de novos fármacos que possam ser usados no tratamento de pacientes diagnosticados com a doença de Alzheimer (DA). Neste contexto, o desenvolvimento de métodos de triagem para a identificação de novos compostos biologicamente ativos se torna interessante. Butirilcolinesterase (BChE, EC 3.1.1.8) é uma serina hidroxilase que está classicamente associada à hidrólise do neurotransmissor acetilcolina (ACh) formando colina e ácido acético. Este trabalho descreve a imobilização covalente da BChE de soro humano nas paredes internas de capilares de sílica fundida utilizando o agente espaçador glutaraldeído, e sua aplicação na triagem de inibidores seletivos. O ICER-BChE resultante foi conectado a um sistema de cromatografia líquida de alta eficiência com monitoramento on line da atividade catalítica, envolvendo detecção UV. Após os estudos das melhores condições cromatográficas, variações de pH e vazão e a influência de solventes orgânicos na atividade enzimática o método foi validado com o uso de inibidores padrões. O maior valor obtido com o ICER-BChE no parâmetro cinético, constante de Michaelis KM = 33,6 ± 6,9 mM, comparado com a enzima em solução, KM = 0,12 ± 0,02 mM, evidencia o efeito da imobilização sobre a afinidade pelo substrato. No entanto, houve retenção da atividade catalítica e seletividade frente a inibidores padrão. O método foi aplicado na triagem de novos ligantes utilizando cinco coleções de diferentes classes de compostos, entre derivados cumarínicos, complexos metálicos com cobre (Cu), complexos metálicos com cobalto (Co) e zinco (Zn), glicosídeos, e derivados de fenilpropanóides e ácido barbitúrico. Desta triagem foram selecionados sete compostos promissores com os quais foram realizados os estudos sobre a potência mínima inibitória (IC50) e destes quatro foram escolhidos para estudos de mecanismos de ação utilizando o ICER-BChE. Dos complexos metálicos os melhores compostos foram o HPTBCu (IC50 = 8,74 ± 1,5 µM, Ki = 9,6 ± 0,5 M), o NarBCu (IC50 = 8,0 ± 1,4 µM, Ki = 2,0 ± 0,1 M) ambos com mecanismo competitivo o HesFCu (IC50 = 13,6 ± 2,9 µM), o NNINABCu (IC50 = 94,8 ± 16) e o NarFCu (IC50 = 81,7 ± 13). Dos derivados cumarínicos os compostos 17 (IC50 =109 ± 21 µM, Ki = 108 ± 10 M) e 19 (IC50 =128 ± 28 µM, Ki =36.0 ± 5.0 M) apresentaram mecanismo incompetitivo. Os resultados demonstraram que a abordagem proposta é útil na triagem on line de inibidores seletivos, pois fornece resultados rápidos, precisos e reprodutíveis. / The discovery of selective inhibitors is extremely important for the development of drugs that can be used in the treatment of patients diagnosed with the Alzheimer disease (AD). In this context, the development of screening methods for the identification of new, biologically active compounds is a challenging task. Butyrylcholinesterase (BChE, EC 3.1.1.8) is a serine hydroxylase that is classically associated with the hydrolysis of the neurotransmitter acetylcholine (ACh), which yields choline and acetic acid. This paper describes the development of capillary enzyme reactors (ICERs) containing BChE from the human serum, covalently immobilized onto silica fused capillaries, using glutaraldehyde as spacer, and its application in the screening of selective inhibitors. The resulting BChE-ICER was connected to a liquid chromatography system high efficiency where monitoring of activity was online involving UV detection. After studying the best chromatographic conditions, pH variations, flow-rate and the influence of organic solvents on enzyme activity method was validated using standard inhibitors. The higher value obtained with the BChE-ICER in kinetic parameter, constant Michaelis KM = 33.6 ± 6.9 mM, compared with the enzyme in solution, KM = 0.12 ± 0.02 mM, shows the effect of immobilized on the affinity substrate. However, there was retention of catalytic activity and selectivity towards standard inhibitors. The method was applied in the screening of new ligands using collections of five different compounds, among coumarin derivatives, metal complexes with copper (Cu) metal complexes with cobalt (Co) and zinc (Zn), glycosides, phenylpropanoids and derivatives, and barbituric acid. These screenings were selected seven promising compounds with which the studies were made on the minimum inhibitory potency (IC50) and these four were chosen for studies of mechanisms of action using the ICER-BChE. Of the compounds metal complexes best were HPTBCu (IC50 = 8,74 ± 1,5 µM, Ki = 9,6 ± 0,5 M), NarBCu (IC50 = 8,0 ± 1,4 µM, Ki = 2,0 ± 0,1 M) both competitive mechanism, the HesFCu (IC50 = 13.6 ± 2.9 µM), NNINABCu (IC50 = 94.8 ± 16 µM) and NarFCu (IC50 = 81.7 ± 13 µM). Of coumarin derivatives, 17 (IC50 =109 ± 21 µM, Ki = 108 ± 10 M) and 19 (IC50 =128 ± 28 µM, Ki =36.0 ± 5.0 M) showed mechanism uncompetitive. The results demonstrated that the proposed approach is useful in screening for selective inhibitors online because it provides quick results, accurate and reproducible.

Atualmente, o aquecimento global, a deterioração ambiental, a eminente escassez das limitadas reservas de combustíveis fósseis e a forte demanda e dependência da matriz energética mundial face a esses combustíveis constituem sérias ameaças à sustentabilidade do desenvolvimento mundial, o que se têm revertido a favor de um crescente interesse por fontes alternativas de energia renováveis, dentre os quais a biomassa lignocelulósica se destaca como uma das mais promissoras. Neste contexto, a produção de etanol a partir do bagaço de cana-de-açúcar pela via enzimática e bioquímica se apresenta como uma das mais oportunas alternativas para a produção integrada e sustentável de biocombustível visando otimização de recursos, redução de resíduos e minimização de impactos ambientais nefastos. Todavia, o desenvolvimento de um pré-tratamento eficaz, a par da produção de enzimas hidrolíticas, constitui a chave para a viabilização da produção de etanol a partir de lignocelulósicos. Assim sendo, o propósito deste trabalho foi determinar os efeitos produzidos pelo pré-tratamento hidrotérmico catalisado com sulfito sobre a composição química do bagaço de cana e correlacionar esses valores com a eficiência da sacarificação enzimática e fermentabilidade do hidrolisado obtido desse bagaço. Após caracterização química inicial, o bagaço in natura foi pré-tratado com sulfito neutro e alcalino e verificou-se que a celulose foi recuperada quase que integralmente nas frações sólidas da reação. Por seu turno, as xilanas obtiveram solubilizações máximas de 72,0% e 35,4% enquanto a deslignificação máxima foi de 43,5% e 76,7%, para as reações catalisadas com sulfito neutro e sulfito alcalino respectivamente. Verificou-se maior efetividade do sulfito alcalino no enriquecimento de carboidratos no bagaço pré-tratado bem como uma maior deslignificação, pelo que, foi escolhido para as etapas seguintes do projeto. A partir de um planejamento fatorial 33, foram obtidos substratos pré-tratados que levaram aos máximos de sacarificação enzimática de 79,91% e 70,69% para celulose e xilanas, respectivamente, utilizando 10 UPF de celulases e 10 UCB de ?-glucosidase. Pela análise do rendimento global de glucanas foi definida a condição ótima para o prétratamento empregando 10% (m/m) de sulfito alcalino a 150ºC, por 30 min, o que foi corroborada pela análise estatística. Hidrolisados enzimáticos de bagaços pré-tratados em condições otimizadas foram fermentados a etanol com eficiência de, praticamente, 100% pela Saccharomyces cerevisiae PE-2 e 80,41% pela Scheffersomyces (Pichia) stipitis CBS 5773. Para as duas leveduras, os parâmetros fermentativos do hidrolisado foram em tudo semelhantes aos verificados para os meios semissintéticos contendo glicose e xilose puras. Conclui-se assim, que o pré-tratamento adotado neste trabalho apresentou grande potencialidade em gerar substratos com alta digestibilidade enzimática e hidrolisados tão fermentáveis quanto meios semissintéticos. / Currently, global warming, environmental degradation, imminent shortage of limited fossil fuel reserves and an intense demand and dependence of global energy on these fuels constitute serious threats to the sustainability of world development, which have led to a growing interest in alternative sources of renewable energy, among which lignocellulosic biomass stands out as one of the most promising. In this context, the production of ethanol from sugarcane bagasse by enzymatic and biochemical routes appears as the most promising alternative for integrated and sustainable production of biofuel aiming resource optimization, waste reduction and mitigation of adverse environmental impacts. However, the development of an effective pretreatment, as well as the production of hydrolytic enzymes, is the key to enabling the production of ethanol from lignocellulosics. Therefore, the purpose of this study was to determine the effects of hydrothermal pretreatment catalyzed by sulfite on the chemical composition of sugarcane bagasse and establish a correlation of these values with the efficiency of enzymatic saccharification and fermentability of these bagasse hydrolyzate. After the initial chemical characterization, the bagasse was pretreated with neutral and alkaline sulfite and was found that cellulose was almost fully recovered in the solid fraction of the reaction. In turn, xylan obtained its maximum solubilization of 72.0% and 35.4% while the maximum delignification was 43.5% and 76.7%, for the reactions catalyzed by neutral and alkaline sulfite, respectively. The alkaline sulfite was found more effective for carbohydrates enrichment in the pretreated bagasse and led to a greater delignification, therefore, it was chosen for the following stages of the project. From a 33 full factorial experiments were obtained pretreated substrates which led to maximum enzymatic saccharification of 79.91% and 70.69% for cellulose and xylans, respectively, using 10 FPU cellulases and 10 CBU ?- glucosidase. By analysis of the glucans overall yield the optimal condition for the pretreatment has been defined as 10% (w/w) alkaline sulfide at 150°C for 30 min, which was confirmed by statistical analysis. Enzymatic hydrolysates of bagasse pretreated in optimized conditions were fermented into ethanol with efficiency of virtually 100% by Saccharomyces cerevisiae PE-2 and 80.41% by Scheffersomyces (Pichia) stipitis CBS 5773. For both yeasts, the hydrolyzate fermentation parameters were at all similar to those seen for the semisynthetic media containing pure glucose and xylose. Therefore, we concluded that the pre-treatment used in this work showed great potential to generate substrates with high enzymatic digestibility and hydrolysates as fermentable as semisynthetic media.

Sabe-se que as águas residuárias, contendo elevadas concentrações de lipídios, causam problemas às unidades convencionais de tratamento podendo gerar lodo altamente biodegradável e sistemas com baixos rendimentos na remoção da matéria orgânica. Com o intuito de estudar a possibilidade de se obter eficiências maiores de remoção de matéria orgânica no tratamento de águas residuárias com elevados teores de lipídios, empregou-se na presente pesquisa processo alternativo de tratamento denominado de sistema combinado, composto de um reator enzimático (R1) e de um reator de lodos ativados (R2). Visando realizar a pré-hidrólise dos lipídios afluentes, o reator enzimático, contendo a enzima lipase LIPOLASE 100T, imobilizada em suporte de polietileno, foi instalado antecedendo o reator de lodos ativados. Paralelamente, foi construída outra unidade de lodos ativados (Rc) similar a primeira, porém sem o reator enzimático acoplado, denominada sistema de controle, visando possibilitar a comparação dos resultados obtidos. A unidade experimental foi operada durante 94 dias, em regime contínuo com a temperatura em torno de 30ºC. Os reatores de lodos ativados, R2 e Rc, foram operados, cada, com TDH de 8 horas e vazão de 3,4 L/dia. As eficiências médias de remoção de DQO bruta obtidas foram respectivamente de 85% e 79% para os sistemas combinado e de controle. A eficiência média de remoção de óleos e graxas do sistema combinado foi de 91%, enquanto que para o sistema de controle a eficiência média foi de 84%. Assim, os resultados obtidos no presente trabalho, demonstraram que as vantagens obtidas com o emprego do sistema combinado proposto, sob as condições específicas da presente pesquisa, foram significativas. / The wastewaters containing high concentrations of lipids, cause problems to the conventional units of treatment being able to produce highly biodegradable sludge and systems with low organic matter removal. In order to study the possibility of obtaining high efficiencies of organic matter removal in the treatment of wastewater with high contents of lipids, it was used in the present research an alternative procedure of treatment named combined system, composed of an enzymatic reactor (R1) and an activated sludge reactor (R2). In order to achieve the pre-hydrolysis of the affluent lipids, the enzymatic reactor, containing the lipase enzyme LIPOLASE 100T immobilized in polyethylene support, was installed preceding the activated sludge. Parallely, it was built another unit of activated sludge (Rc) similar to the first, but without the enzymatic reactor coupled, named control system, in order to enable the comparisons of the results obtained. The experimental unit was operated during 94 d, in continuous operation, with the temperature around 30°C. The activated sludge reactors, R2 and Rc, were operated, respectively, with hydraulic time residence of 8 h and flow rate of 3,4 L/d. The average efficiencies of removal raw COD obtained were respectively, of 85% and 79% for the combined and control systems. The average efficiency of removal of oil and greases of the combined system was of 91%, while for the control system the average efficiency was of 84%. So, the results obtained in this present work, showed that the advantages obtained with the use of the proposed system, under the specific conditions of the present research, were significant.

As reações aldólicas vêm ganhando destaque com os recentes avanços na área de biocatálise. Uma alternativa para o uso de aldolases, que não atuam sobre uma grande variedade de substratos e possuem custos elevados, é o emprego de enzimas de outras classes que possam exercer como função promíscua a atividade aldolase. Neste trabalho lipases e celulases foram capazes de catalisar a reação aldólica entre o 4-nitrobenzaldeído e a cicloexanona. A lipase de Rhizopus niveus (RNL) catalisou a reação aldólica em solventes orgânicos na presença de água e também em tampões aquosos. As reações condicionais influenciaram o rendimento (0-99%) e a enantiosseletividade do produto aldólico anti (6-55% eeanti). O produto aldólico com enantiosseletividade foi observado mesmo com a enzima inativa e em condições desnaturantes. Portanto, as reações aldólicas procederam por catálise proteica inespecífica com enantiosseletividades moderadas e não por atividade promíscua. Contudo, este estudo identificou um novo catalisador verde para reações aldólicas, pois foram obtidos produtos com bons rendimentos, ee e excesso diastereoisomérico (ed), demonstrando novas possibilidades para lipases, especialmente para a RNL que é pouco estudada na literatura. A partir destes resultados obtidos, uma nova abordagem baseada em sistemas reacionais de miniemulsão foi elaborada. Superando limitações para este sistema fluido não convencional como o emprego de reagente sólido (4-nitrobenzaldeído), substratos relativamente polares, solução tampão e o desenvolvimento de um procedimento de isolamento do produto. Desta maneira, foram descritos neste trabalho métodos de produção de sistemas reacionais de miniemulsão estáveis e aplicáveis, como relatado para reações aldólicas pela RNL. Empregando planejamento experimental minimizou-se a quantidade de catalisador (de 20 para 6 mg mL-1) em comparação com as reações realizadas em mistura de solvente orgânico e água. Mesmo com menor quantidade de enzima, o rendimento aumentou de 25% para valores de até 65% para 48 h de reação e o eeanti de 10% foi maximizado para valores acima de 30%, valor não considerado satisfatório, entretanto bem superior ao observado inicialmente. Com a interpretação estatística dos dados obtidos foi possível apresentar compreensões satisfatórias para as variações observadas de ee, ed, rendimento e tamanho médio de diâmetro das gotículas de miniemulsão, possibilitando uma compreensão mais completa deste sistema e permitindo uma melhor racionalização deste meio reacional que ainda não foi amplamente estudado e divulgado na literatura para promover reações biocatalíticas. Este estudo demonstrou a potencialidade deste método para diferentes tipos de reações orgânicas. / The aldol reactions have received attention with the recent advances in biocatalysis. In this sense, studies showed that an alternative for the use of aldolases, which do not act on a great variety of substrates and have high costs, is the use of enzymes of other classes that can present the promiscuous aldolase activity. In this work lipases and cellulases were able to catalyze the aldol reaction between 4-nitrobenzaldehyde and cyclohexanone. Rhizopus niveus lipase (RNL) catalyzed the aldol reaction in organic solvents with water or aqueous buffers. The reactional conditions affected the yield (0-99%) and the enantioselectivity of the anti-aldol product (6-55% eeanti). The aldol product with enantioselectivity was observed even with the inactive enzyme and under denaturing conditions. Therefore, the aldol reaction proceeded by non-specific protein catalysis with moderate enantioselectivity and not by promiscuous activity. However, this study identified a new green catalyst for aldol reactions, since products with good yields, ee and diastereoisomeric excess (ed) were obtained, and new possibilities for lipases, especially for RNL that is understudied. From these results, a new approach based on the miniemulsion reactional system was developed. Overcoming limitations to this unconventional fluid system such as the use of a solid reagent (4-nitrobenzaldehyde), relatively polar substrates, buffer solutions and the development of a product isolation method. In this way, we have described in this work methods for the production of stable and applicable miniemulsion reaction systems for aldol reactions by RNL. Using experimental design, the amount of catalyst (from 20 to 6 mg mL -1) was minimized in comparison with the reactions performed in organic solvent and water. Even with a lower amount of enzyme, the yield increased from 25% to 65% for 48 hours of reaction and the eeanti of 10% was maximized to values above 30%, a value not considered satisfactory, however higher than the enantioselectivity initially observed. The statistics applied to the obtained data presented satisfactory interpretations for the observed ee, ed, yield and average diameter size of the miniemulsion droplets, allowing a more complete understanding of the miniemulsion system and allowing a better rationalization of this reactional medium that is understudied to promote biocatalytic reactions. This study demonstrated the potential of this methodology for different types of organic reactions.

O presente trabalho avaliou a recalcitrância de diferentes regiões do entrenó de plantas de cana-de-açúcar que apresentavam teores contrastantes de lignina total. As amostras com baixo teor de lignina corresponderam aos híbridos experimentais denominados de H58 e H89, com 18,6% e 16,8% de lignina, respectivamente. As amostras com elevado teor de lignina corresponderam ao híbrido H140 e a um cultivar comercial (CR), com 21,5% e 24,5% de lignina, respectivamente. De cada cana foram obtidas quatro regiões distintas dos entrenós: medula, interface medula-córtex, córtex e fração externa (epiderme mais córtex periférico). Cada uma das amostras foi submetida à hidrólise enzimática com celulases comerciais. Os resultados mostraram uma maior conversão de celulose e hemicelulose na região da medula (celulose: 86%, 78%, 85% e 50%; xilanas: 50%, 36%, 31% e 30% após 72h, para CR, H58, H89 e H140, respectivamente). O córtex e a fração externa foram as regiões mais recalcitrantes, já que as conversões de celulose e xilanas atingiu somente 10% a 38% no córtex e 6% a 10% na fração externa. Embora seja pouco recalcitrante, a medula representou menos do que 10% do volume e da massa do entrenó. Em contraste, o córtex representou 49% do volume do entrenó e 48% a 63% da massa, dependendo do híbrido estudado. A região medular também mostrou a predominância de glucanas (41% - 55%) e menor teor de hemiceluloses (16,8% - 20,5%; exceto H140) e lignina total (12,6% - 18,5%) em relação às demais frações. A determinação de ácidos hidroxicinâmicos nas amostras indicou a predominância de ligações destes ácidos na forma de éster com a hemicelulose e simultaneamente éter com a lignina, independentemente da fração de cana avaliada. Dentre os híbridos, o H89 e o H140 se destacaram por sua baixa e alta recalcitrância, respectivamente. Nas análises microscópicas, o número de feixes vasculares por área foi maior na região do córtex (13 a 22 feixes por 16 mm2) quando comparada com outras regiões, enquanto a fração externa apresentou apenas fibras. A medula se mostrou preenchida, em sua maior parte, por células do parênquima, contendo menos feixes vasculares (5 a 8 feixes por 16 mm2). Dentre os híbridos, o H140 foi o que apresentou menos feixes por área, porém com os maiores diâmetros (entre 390 e 583 ?m, dependendo da região). A presença de feixes vasculares mostrou ser muito importante para explicar a recalcitrância das amostras. Dentre os estudos de correlação realizados, foi possível notar que a recalcitrância das canas estudadas pode ser relacionada não apenas com o teor de lignina total, mas também com a densidade do material, a disponibilidade de celulose e a extensão dos feixes vasculares por área. / This study evaluated the recalcitrance of different regions of the internodes of sugarcane plants which presented contrasting lignin contents. Samples with low lignin content corresponded to the experimental hybrids termed H58 and H89, each one with 18,6% and 16,8% of lignin, respectively. The samples with high lignin content corresponded to the hybrid H140 and a commercial variety of sugarcane (CR), with 21,5% and 24,5%, respectively. Different fractions of the internodes were obtained from each plant: pith, pith-rind interface, rind and outermost rind (epidermis plus peripheral rind). Each sample was submitted to enzymatic hydrolysis with commercial cellulases. Results showed a higher conversion of cellulose and hemicellulose in the pith (cellulose: 86%, 78%, 85% and 50%, xylan: 50%, 36%, 31% and 30% after 72 hours for CR, H58, H89 and H140, respectively). Rind and outermost rind were the most recalcitrant regions, since the cellulose and xylan conversions reached only 10% to 38% in rind and 6% to 10% in the outermost rind. Despite its low recalcitrance, the pith region represented less than 10% of the volume and the dry mass of the internode. In contrast, the rind represented 49% of the internode volume and 48% to 63% of the dry mass, depending on the evaluated hybrid. The pith region also showed the predominance of glucan (41% - 55%) and the lowest contents of hemicellulose (16.8% - 20.5%, except for H140) and total lignin (12.6% - 18.5%). From the hydroxycinnamic acids determination, it was found that these acids were mostly linked to hemicellulose as esters and, simultaneously, to lignin as ether, regardless which fraction was analyzed. Among the hybrids, H89 and H140 stood out for its low and high recalcitrance, respectively. In microscopic analysis, the number of vascular bundles per area was greater in the rind region (13 to 22 bundles per 16 mm2) when compared to other regions, meanwhile the outermost rind showed only fiber cells. The pith showed itself occupied mostly by parenchyma cells, containing less vascular bundles (5 to 8 bundles per 16 mm2). Among the hybrids, H140 showed the smallest number of vascular bundles per area, but with the largest diameters (between 390 and 583 ?m, depending on the region type). The presence of the vascular bundles was found to be very important in order to explain the recalcitrance of the samples. Among the correlation analysis performed, it was noticeable that the recalcitrance of the studied sugarcanes could be related, not only to the total lignin content, but also to the biomass density, the cellulose availability and the extent of vascular bundles per area.