Made available in DSpace on 2015-04-22T22:12:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 carolinie.pdf: 1105289 bytes, checksum: fb4a9af7cf4012e7784dfbcf92246455 (MD5) Previous issue date: 2010-03-09 / FAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas / In the Amazon agricultural soils are found in soil called Anthropogenic Dark Earths (ADE), a soil rich in organic matter and minerals. The biodiversity is a source of very high value of non-cultivable microorganisms that can be isolated through construction of metagenomic libraries, using vectors of large fragments, with the goal of finding new biocatalytic enzymes. Enzymes widely used in the industrial market are amylase and protease, are applied in industry: chemical, pharmaceutical, textile, detergent and food industries. Amylases degrade starch into smaller units of saccharides, as proteases catalyze the hydrolysis of peptide bonds. The aim of this study was to isolate and partially characterize enzymes amylase and protease of clones isolated from a selection of functional metagenomic library of TPI in the Amazon region. In this study were isolated 1.344 clones, only 4 producing halo of starch hydrolysis and 3 proteolytic clones belonging to metagenomic library constructed with total DNA extracted from microorganisms present in soil samples of the TPI, were partially characterized the enzymes produced by 4 clones amilolytic and 1 proteolytic clone. After isolation, the clones were inoculated in culture medium Luria Bertani (LB) at 37ºC under agitation of 150 rpm and subjected to assays at pHs of 3 to 10 and temperatures ranging from 25 to 100ºC for up to 90 of incubation. Amylases had its highest production in 24 h (4.3 U/mL) and its activity was optimal at neutral pH to slightly alkaline, the clone P1C4 showed the highest production at 70°C (6.93 U/mL), since the clones P5C4 and P6C12 reported higher thermostability at 80°C, these results indicate that the gene for alpha-amylase to be cloned encoding a thermostable enzyme, such as the enzyme produced by Bacillus liqueniformis. Since the clone P3A3 produced 26.3 U/mL protease in 10 hours of production, its activity was optimal at neutral pH, and its optimum temperature at 30ºC (56.0 U/mL) and its thermostability was demonstrated in 50°C (22,0 U/mL). These features contribute to the implementation of these enzymes in industrial sectors as in food production, chemical industry and production of detergents. The enzymes isolated in this study demonstrated new features and performance when compared to enzymes described today, which proves the efficiency of the construction of metagenomic libraries for isolation of new bioproducts. / Na floresta Amazônica são encontrados solos agricultáveis denominado de solo de Terra Preta de Índio (TPI), um solo rico em matéria orgânica e em minerais. A biodiversidade da Amazônia constitui uma fonte de valor altíssimo de micro-organismos não-cultiváveis que podem ser isolados através das construções das bibliotecas metagenômicas, utilizando vetores de grandes fragmentos, com o objetivo de encontrar novas enzimas biocatalíticas. As enzimas de maior aplicação no mercado industrial são as amilases e proteases, aplicadas nas indústrias: química, farmacêutica, têxtil, de detergentes e alimentícia. As amilases são capazes de degradar o amido em unidades de sacarídeos menores, já as proteases catalisam a hidrólise de ligações peptídicas. O objetivo deste trabalho foi isolar e caracterizar parcialmente enzimas amilolíticas e proteolíticas de clones isolados a partir de uma seleção funcional da biblioteca metagenômica de TPI da região Amazônica construída com DNA total extraído dos micro-organismos presentes nas amostras de solos de TPI, inseridos no vetor fosmidial (pCC1Fos ) e clonado na célula hospedeira Escherichia coli (EPI300). De 1.344 clones pertencente a biblioteca metagenômica, apenas 4 clones foram produtores de halo de hidrólise de amido e 3 clones foram proteolíticos, além disso, todas as enzimas produzidas pelos 4 clones amilolíticos e 1 clone proteolítico foram caracterizadas parcialmente. Após o isolamento, os clones foram inoculados em meio de cultura Luria Bertani (LB) a 37oC, sob agitação de 150 rpm e submetidos aos ensaios enzimáticos nos pHs de 3 a 10 e temperatura variando de 25 a 100ºC por até 90 minutos de incubação. As amilases tiveram sua maior produção em 24 horas (4,3 U/mL) e sua atividade ótima foi em pH neutro a levemente alcalino, o clone P1C4 demonstrou a maior produção a 70ºC (6,93 U/mL), já os clones P5C4 e P6C12 demonstraram a maior termoestabilidade a 80°C, tais resultados indicam que o gene de alfa-amilase clonado deve ser codificador de uma enzima termoestável, como por exemplo, a enzima produzida por Bacillus liqueniformis. Já o clone P3A3 produziu 26,3 U/mL de proteases em 10 horas de produção, sua atividade ótima foi em pH neutro, sendo sua temperatura ótima em 30ºC (56,0 U/mL) e sua termoestabilidade foi demonstrada em 50ºC (22,0 U/mL). Estas características contribuem para a aplicação destas enzimas em setores industriais como na produção de alimentos, indústria química e produção de detergentes. As enzimas isoladas neste trabalho demonstraram características e atuações novas quando comparadas a enzimas descritas atualmente, a qual comprova a eficiência da construção de bibliotecas metagenômicas para o isolamento de novos bioprodutos.

Os microrganismos constituem dois terços da diversidade biológica na Terra, no entanto, muitos deles não podem ser cultivados por técnicas tradicionais. Portanto, o acesso a esta diversidade tem sido feita através da utilização de técnicas independentes de cultivo. Diante deste panorama, a metagenômica apresenta-se como uma alternativa, pois dispensa a necessidade de cultivo. Tal técnica possibilita inclusive a identificação e utilização do potencial metabólico destes organismos para o desenvolvimento de novos processos e produtos. Os polihidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres bacterianos, acumulados intracelularmente em forma de grânulos, cujas propriedades são similares a de alguns plásticos de origem petroquímica. O objetivo deste trabalho foi identificar e avaliar a diversidade de genes relacionados à produção de PHAs em bibliotecas metagenômicas de solo. A prospecção realizada resultou na identificação de clones contendo o gene phaC. De uma forma geral, pôde-se concluir que ainda há uma grande diversidade deste gene a ser descoberta no ambiente estudado. / Microorganisms constitute two third of the Earth\'s biological diversity, however, many of them cannot be cultured by standard techniques. Therefore, access to this diversity has been achieved through the use of culture-independent techniques. Facing this scenario, the metagenomic presents itself as an alternative, since it eliminates the need for cultivation. This technique also allows the identification and use of the metabolic pathways of these organisms to develop new processes and products. The polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bacterial polyesters accumulated as granules, whose properties are similar to some plastics of petrochemical origin. The aim of this work was to identify and access the diversity of genes related to PHAs production in soil metagenomic libraries. The screening resulted in the identification of clones containing the phaC gene. In a general way, it was concluded that there is still a considerable diversity of this gene to be discovered in the study environment.

Orientador: Valéria Maia Merzel / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-16T14:04:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_CynthiaCanedoda_D.pdf: 9736339 bytes, checksum: 506af9b64177978ae4c3c5c0588e1b28 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Os efluentes de refinarias contêm vários compostos tóxicos, que podem provocar sérios danos aos seres vivos se não tratados previamente. Os fenóis são poluentes encontrados em efluentes de diversas indústrias, incluindo as refinarias de petróleo, e são conhecidos como um dos compostos mais tóxicos encontrados no meio ambiente. Portanto, há necessidade constante de buscar formas de remover ou reduzir a presença destas substâncias nos efluentes. Este trabalho teve como objetivos analisar e explorar a diversidade microbiana presente em lodo de sistemas de tratamento de efluentes de refinarias petróleo, através da construção de bibliotecas de genes RNAr 16S e bibliotecas metagenômicas em vetores do tipo fosmídeo. Análises filogenéticas das bibliotecas de genes RNAr 16S e metagenômicas mostraram uma comunidade bacteriana bastante diversa, com predominância do Filo Proteobacteria, seguido de Actinobacteria, Planctomycetes, Verrucomicrobia, Cloroflexi e Bacteroidetes. Dentre os gêneros mais abundantes, se destacaram Thauera, Comamonas, Diaphorobacter e Thiobacillus. Espécies pertencentes a estes gêneros realizam o processo de desnitrificação e espécies de Thauera e Comamonas estão relacionadas com a degradação de compostos aromáticos. A grande diversidade bacteriana refletiu em uma ampla diversidade metabólica, sendo obtido um grande número de resultados para genes relacionados com processos biológicos importantes para o tratamento de efluentes, como o metabolismo de nitrogênio, enxofre, fósforo, além de genes relacionados com o catabolismo de compostos aromáticos, tais como benzoato, bifenil e fenol. Adicionalmente, foram observadas possíveis novas sequências para os genes que codificam enzimas-chaves responsáveis pela meta-clivagem de fenol e outros aromáticos, como fenol hidroxilase e catecol 2,3-dioxigenase. No presente estudo foram também realizadas triagens funcionais dos 13.200 clones para enzimas hidrolíticas, com detecção de dois hits para esterase e um para lipase. Este trabalho mostrou que a bioprospecção genômica microbiana é uma estratégia inovadora na área de tratamento de efluentes, que pode contribuir para o conhecimento da microbiota responsável pela degradação dos poluentes. / Abstract: Refinery wastewater has several toxic compounds that may cause serious damage to life. Phenolic compounds are found in several industrial effluents, including petroleum refinery, and represent a significant environmental toxicity hazard. Therefore, there is a constant need to search for new technologies able to remove and reduce the presence of these substances in wastewater. This study aimed to analyze and explore the microbial diversity present in sludge from refinery wastewater treatment systems through the construction of 16S rRNA genes libraries and metagenomic libraries in fosmid vectors. Sequencing and phylogenetic analyses of libraries showed a highly diverse bacterial community, with predominance of the Proteobacteria phylum, followed by Actinobacteria, Planctomycetes, Verrucomicrobia, Cloroflexi and Bacteroidetes. The most abundant genera were Thauera, Comamonas, Diaphorobacter and Thiobacillus. Species belonging to these genera are facultative anaerobic and may be involved with the denitrification process, and Thauera and Comamonas species are related with degradation of aromatic compounds. This bacterial diversity reflected in a broad metabolic diversity. Analysis of the metagenomic data derived from pyrosequencing revealed a lot of hits related with biological processes of great relevance for wastewater treatment, such as genes for nitrogen, sulfur and phosphorus metabolism, in addition to genes related to the catabolism of aromatic compounds, such as benzoate, biphenyl and phenol. Additionally, sequences representing possible new genes encoding for key-enzymes responsible for the meta-cleavage of phenol and other aromatic compounds, such as phenol hydroxylase and cathecol 2,3-dioxygenase, were found in the fosmid libraries. Finally, high-throughput functional screening of 13,200 clones for hydrolytic enzymes yielded two positive hits for lipase and one for esterase. The data gathered together in this work showed that microbial genomic prospection is an innovative strategy for the wastewater treatment system that may undoubtedly contribute to the knowledge of microorganisms responsible by pollutant degradation. / Doutorado / Genetica de Microorganismos / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

Os microrganismos constituem dois terços da diversidade biológica na Terra, no entanto, muitos deles não podem ser cultivados por técnicas tradicionais. Portanto, o acesso a esta diversidade tem sido feita através da utilização de técnicas independentes de cultivo. Diante deste panorama, a metagenômica apresenta-se como uma alternativa, pois dispensa a necessidade de cultivo. Tal técnica possibilita inclusive a identificação e utilização do potencial metabólico destes organismos para o desenvolvimento de novos processos e produtos. Os polihidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres bacterianos, acumulados intracelularmente em forma de grânulos, cujas propriedades são similares a de alguns plásticos de origem petroquímica. O objetivo deste trabalho foi identificar e avaliar a diversidade de genes relacionados à produção de PHAs em bibliotecas metagenômicas de solo. A prospecção realizada resultou na identificação de clones contendo o gene phaC. De uma forma geral, pôde-se concluir que ainda há uma grande diversidade deste gene a ser descoberta no ambiente estudado. / Microorganisms constitute two third of the Earth\'s biological diversity, however, many of them cannot be cultured by standard techniques. Therefore, access to this diversity has been achieved through the use of culture-independent techniques. Facing this scenario, the metagenomic presents itself as an alternative, since it eliminates the need for cultivation. This technique also allows the identification and use of the metabolic pathways of these organisms to develop new processes and products. The polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bacterial polyesters accumulated as granules, whose properties are similar to some plastics of petrochemical origin. The aim of this work was to identify and access the diversity of genes related to PHAs production in soil metagenomic libraries. The screening resulted in the identification of clones containing the phaC gene. In a general way, it was concluded that there is still a considerable diversity of this gene to be discovered in the study environment.

Biofilme sind eine der widerstandsfähigsten Formen mikrobiellen Lebens. Ihr frühzeitiges Auftreten in der Erdgeschichte konnte durch Stromatolithfunde bewiesen werden. Heutige Biofilme und mikrobielle Matten bieten somit eine Möglichkeit wichtige Einblicke und Erkenntnisse über das erste Leben auf unserem Planeten zu geben. In dieser Arbeit wurden die prokaryotischen Lebensgemeinschaften von verschiedenen Ökosystemen mittels metagenomischer und metatranskriptomischer Methoden analysiert. Mithilfe von „Next-Generation Sequencing“ wurden 16S rRNA Genanalysen, metatranskriptomische Analysen und funktionsbasierte Durchmusterungen von Fosmid-Metagenombanken durchgeführt. Die bakterielle Zusammensetzung und Diversität von kalzifizierenden Biofilmen und dem unterliegenden Kalktuff des Frischwasserbachs Westerhöfer Bach wurden analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Biofilm hauptsächlich von filamentösen Cyanobacteria, aeroben Vertretern aus allen Klassen der Proteobacteria und Chloroflexi bevölkert wurde. Die bakterielle Diversität nahm flussabwärts zu, was auf Änderungen der physikochemischen Parameter zurückgeführt wird. Aufgrund geringerer UV-Einstrahlung waren im Kalktuff mehr Proteobacteria als Cyanobacteria vorhanden. Des Weiteren gab es deutliche Unterschiede zwischen den relativen Abundanzen der gesamten und aktiven proteobakteriellen Klassen im Biofilm. Die aktiven Funktionen der Biofilm-Mikrobiota einer Westerhöfer Bach Probe wurden mittels metatranskriptomischer Methoden genauer analysiert. Die meisten Transkripte der mikrobiellen Biofilmgemeinschaft umfassten Gene der Photosynthese, des Proteinmetabolismus, des Kohlenstoffmetabolismus und der Zellatmung. Um das metagenomische Potential des Westerhöfer Bach Biofilms zu erschließen, wurden vier „large-insert“ Metagenombanken konstruiert. Funktionsbasierende Durchmusterungsverfahren führten zur Identifikation von fünf bisher unbekannten Genen, die für proteolytische Enzyme kodieren und einem Gen-Cluster, welches für cellulolytische Enzyme kodiert. Bei dem zweiten untersuchten Habitat handelt es sich um eine mikrobielle Matte des hypersalinen Lake 21 auf Kiritimati. Die Mikrobialith-bildende Matte besteht aus neun klar abgegrenzten, unterschiedlich gefärbten Lagen, welche separat auf ihre bakterielle und archaelle Zusammensetzung analysiert wurden. Anhand der prokaryotischen Zusammensetzung und dem Sauerstoff- und Lichtgradienten ergab sich eine Einteilung der mikrobiellen Matte in drei Zonen. Im Allgemeinen erhöhte sich die prokaryotische Diversität mit Tiefe der Matte, wohingegen das Redoxpotential und der pH-Wert sanken. Passend zu den hydrochemischen Daten änderte sich die prokaryotische Zusammensetzung von der photisch-oxischen Zone, welche aus halophilen, oxygenen und anoxygenen Phototrophen und aeroben Heterotrophen bestand, zu Sulfat-reduzierenden Bakterien (SRB), Fermentierern und potentiell Sulfat-reduzierenden Archaeen in der Übergangszone. In der anoxischen Zone konnten hauptsächlich SRB, Fermentierer, Ammonium-oxidierende Archaea und geringe Mengen methanogene Archaeen detektiert werden. Von den kenianischen Natronseen Bogoria, Sonachi, Elementeita und Magadi wurde die prokaryotische Zusammensetzung und Diversität von Boden-, Sediment-, Wasser-, und mikrobiellen Mattenproben analysiert. Hier zeigte sich, dass Boden- sowie Sedimentproben hauptsächlich von Proteobacteria, Gemmatimonadetes, Firmicutes, Actinobacteria, Acidobacteria und Bacteroidetes bevölkert wurden, wohingegen in den Wasserproben Cyanobacteria vorherrschten. Die Archaeen wurden überwiegend von unterschiedlichen Vertretern der Halobacteria repräsentiert. In den humiden Proben wurden außerdem methanogene Archaeen und Thaumarchaeota nachgewiesen. Letztlich wurde in dieser Arbeit die bakterielle Zusammensetzung des Biofilms und des dazugehörigen Planktons von mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) untersucht. Der erzeugte Datensatz demonstrierte, dass die aktive und gesamte bakterielle Lebensgemeinschaft in den einzelnen Replikaten minimal variierte. Generell zeigte sich, dass stromproduzierende MBZ eine niedrigere bakterielle Diversität aufwiesen als nicht stromproduzierende MBZ. Des Weiteren zeigte die Analyse, dass bisher unkultivierte Vertreter der Spezies Geobacter und Clostridium mit der Stromproduktion verbunden waren.

Restriction endonucleases are a group of enzymes that cleave DNA at or around specific sequences, which are typically palindromic. A fosmid library was constructed from a metagenome isolated from soil from the Kogelberg Nature Reserve, Western Cape and was functionally screened for restriction endonucleases. Next-generation (NGS) Illumina sequencing technology was used to identify putative endonucleases. The sequence data generated was assembled and analysed using CLC Bio Genomics Workbench and bioinformatics tools (NCBI BLAST, REBASE and MG-RAST). Using these tools, genes encoding restriction-modification systems and endonuclease homologues were discovered. Three genes were identified and were recombinantly produced in Rosetta™ (DE3) pLysS and purified with IMAC using Ni-TED resin and subsequently characterised. These three genes were selected based on the identity percentage when compared to sequences on the NCBI database. Production of Endo8 was scaled up using 2 l fermenter and the purification done using ÄKTA Avant 150 FPLC using a HiScale 50 column packed with Ni-TED resin and the total amount of protein achieved was 58.82 mg.g-1. The productivity achieved at 17 hours (8 h harvest) was 2-fold greater than at 12 hours. Endonuclease activity of endo8 and endo52 was tested, both exhibited strong non-specific activity at 37 °C with an incubation period of 30 min. This work demonstrates that environmental soil samples are a valuable source for discovery of novel enzymes and also the utility of functional metagenomics to discover and purify these enzymes. These endonucleases may contribute to the next generation of reagent enzymes for molecular biology research. / Chemistry / M. Sc. (Life Sciences)