A sacarose é uma matéria-prima em franca expansão de produção no Brasil, seu maior produtor e exportador. Essa molécula pode ser convertida, através de um processo multienzimático, em produtos de maior valor agregado: frutose e ácido glicônico, os quais são importados pelo país, e amplamente utilizados em indústrias químicas, de produção de fármacos e setores alimentícios. Neste estudo, avaliou-se a hidrólise da sacarose pela invertase assim como a conversão da glicose em ácido glicônico, pela ação da glicose oxidase, ambas em processo descontínuo-alimentado. A solução de substrato (64g/L-sacarose; 32g/L-glicose) foi adicionada segundo as seguintes leis: constante, linear crescente, linear decrescente, exponencial crescente e exponencial decrescente. No caso da glicose, foi necessária a utilização de enzima auxiliar, a catalase, para degradar a água oxigenada formada durante a conversão da glicose. Mediante os resultados dos testes com os dois substratos, realizou-se teste de conversão direta da sacarose em frutose e ácido glicônico, utilizando-se invertase, glicose oxidase e catalase em regime descontínuo-alimentado, com alimentação linear decrescente (melhor resultado para ambos os substratos). No procedimento contínuo, alvo principal do trabalho, utilizou-se reator com membrana, da marca MILLIPORE ®, integrando em uma única etapa a conversão catalítica, a separação/concentração do produto e a recuperação do biocatalisador. A temperatura foi controlada por circulação de água, tendo acoplado uma bomba peristáltica (para controlar a vazão de alimentação do substrato) e um sistema de pressurização. O reator operou com membrana de ultrafiltração (corte molecular = 100 kDa) e foi mantido sob agitação constante. Os parâmetros de partida foram, a princípio, fixados de acordo com os valores otimizados no reator descontínuo-alimentado com o emprego simultâneo das enzimas. / Sucrose is a commodity largely produced in Brazil and one of the most used and commercialized product in food industry. It can be converted through a multienzyme process in fructose and gluconic acid, which have commercial values higher than sucrose. Both products are imported by Brazil, being largely employed in the chemical, food and pharmaceutical industry. This work dealt with the hydrolysis of sucrose by invertase into fructose and glucose, and the oxidation of glucose to gluconic acid by glucose oxidase and catalase. Catalase was added in order to decompose the hydrogen peroxide an inhibitor of glucose oxidase formed as by-product of the oxidation. Two processes were employed. Fed-batch in which the hydrolysis and oxidation reactions were carried out separately by adding invertase followed by glucose oxidase and catalase was conducted by adding the solution of substrate according to a constant, increasing linear, decreasing linear, increasing exponential or decreasing exponential mode. The best fed-batch performance was attained through the decreasing linear addition of sucrose (64g/L) and glucose (32g/L). Setting this kind of addition and using all enzymes simultaneously, the direct conversion of sucrose to fructose and gluconic acid occurred at a yield of 72%. The continuous process was carried out in a cell-type membrane reactor (membrane cut off = 100 kDa), in which the sucrose conversion was made by using all enzymes simultaneously, leading to a final yield of about 76%

Mediu-se a atividade invertásica de células intactas de levedura (S. cerevisiae) cultivadas por processo contínuo em meio preparado a partir de melaço de cana-de-açúcar, nas seguintes condições: a) aerobiose, com adição de nutrientes ao meio D(h-1): 0,10 e 0,24 Φ (l/l.min): 1 e 2 N(min-1): 500 e 700 b) aerobiose, sem adição de nutrientes ao meio D(h-1): 0,11; 0,14 e 0,23 Φ (l/l.min): 1 e 2 N(min-1): 500 c) anaerobiose, com e sem adição de nutrientes ao meio D(h-1): 0,24 N(min-1): 500 Nas condições referidas obtiveram-se cultivos contínuos em regime permanente e transiente. Realizou-se, também, cultivo descontínuo de células (mosto suplementado, Φ = 2 l/l.min e N = 500 min-1), constatando-se que a atividade invertásica específica (v) variava no decorrer do processo. A análise dos resultados deste ensaio permitiu concluir que a variação de v poderia ser o resultado de um mecanismo de repressão-desrepressão controlado pela concentração de glicose no meio. Outrossim, o valor constante de v no final do processo refletiria o fato de que a enzima na realidade está imobilizada na parede celular. No caso dos cultivos contínuos foi observado que os valores de v, em função do tempo, oscilaram, sendo que o período de oscilação não foi maior que 10 min. Outrossim, deve ser destacado que o P.O.M da atividade invertásica guardou certa dependência com as condições operacionais usadas nos ensaios. Assim, no caso de cultivos em aerobiose com mosto não suplementado o P.O.M de v em regime permanente é menor do que em regime transiente. De outra parte, no caso de cultivos em aerobiose com mosto suplementado o P.O.M foi de mesma magnitude tanto em regime transiente como permanente. Através de balanços materiais adequados foi possível calcular as velocidades específicas de crescimento celular (µ), de consumo de AR (µS) e de consumo de sacarose (µS\'-S) em função do tempo. Em regime transiente não se encontrou nenhuma lei que correlacionasse estas velocidades específicas entre si. Contudo, nos casos em que foi empregado mosto acrescido de nutrientes, verificou-se graficamente que deve existir correlação entre µS e µ(S\'-S), o que evidenciaria o acoplamento existente entre a decomposição da sacarose e o consumo de AR pelas células, intermediada pela invertase. Ressalte-se, também, que v e µ(S\'-S) não mostraram correlação aparente, o que é de se estranhar, pois nas condições de trabalho a hidrólise da sacarase só poderia se dar por via enzimática. Em regime transiente observou-se que a atividade invertásica específica apresentava alguma correlação com a velocidade de crescimento celular (µX). Dependendo das condições do experimento v e µX eram funções crescentes ou decrescentes com o tempo. Esta correlação ficou bem demonstrada nos cultivos em regime permanente, onde v- era função crescente de µX, obedecendo à relação: v- = 0,54 + 10,66 &#181X (r = 0,94) Em regime permanente foi verificado, também, que: a) µS e µ(S\'-S) para os cultivos em anaerobiose eram superiores àquelas dos cultivos em aerobiose, independente do fato do mosto ter sido ou não suplementado; b) v- diminuia, de acordo com as condições operacionais empregadas, na seguinte ordem: cultivo em aerobiose com mosto suplementado, cultivo em anaerobiose com ou sem mosto suplementado e cultivo em aerobiose e mosto não suplementado; c) o fator de conversão de substrato em microrganismo decresceu na seguinte ordem: cultivo em aerobiose e mosto suplementado, cultivo em aerobiose e mosto não suplementado e cultivo em anaerobiose com e sem mosto suplementado. A correlação existente entre v e µX mostrou que os valores de v determinados referem-se à atividade global da invertase imobilizada na parede celular e não àquela parcela da atividade que gerou os açúcares redutores realmente consumidos pela célula. Além disso, do modo como foi feito o tratamento das amostras, é possível admitir que não ocorreram modificações significativas nas características morfo-fisiológicas das células, representando estas a população existente na dorna no momento da amostragem. Por conseguinte a oscilação de v poderia ser vista como sendo uma variação na interação da invertase com a sacarose, devido aos posicionamentos distintos que as moléculas da enzima teriam na parede celular durante as várias etapas do ciclo celular. / The invertase specific activities of intact yeast cells obtained from continuous cultures on sugar-cane molasse media were determined. The experiments were carried out under the following conditions: a) aerated and supplemented medium: D(h-1): 0,10 and 0,24 Φ (l/l.min): 1 and 2 N(min-1): 500 and 700 b) aerated and non supplemented medium: D(h-1): 0,11; 0,14 and 0,23 Φ (l/l.min): 1 and 2 N(min-1): 500 c) non aerated, supplemented and non supplemented medium: D(h-1): 0,24 N(min-1): 500 The above conditions lead to unsteady and to steady-state cultures. It was observed that the invertase specific activity (v) varied during a batch growth experiment carried out under the following conditions: supplemented molasses, Φ = 2 l/l.min and N= 500 min-1. The observed variation was probably caused by a repression-desrepression phenomenon on the biosynthesis of invertase, controlled by glucose concentration in the medium. Nevertheless, v was approximately constant at the end of the process, which could be explained as a result of the enzyme immobilization on the cell wall. It was also observed that in continuous test v oscillated, and the oscillatory period was not greater than 10 min. Otherwise, it must be enhanced that there were some correlations between average oscillatory period and the experimental conditions. Considering the aerated continuous tests carried out with non supplemented medium, it was found that average oscillatory period in steady-state was lower than in unsteady-state. Nevertheless, in aerated continuous cultures carried out with supplemented medium average oscillatory period was the same, regardless if the system would be in unsteady ar steady-state. The following parameters were calculated: specific growth rate of the yeast (µ), specific consumption rate of reducing sugar (µS) and specific hydrolysing rate of sucrose (µS\'-S). Such parameters didn\'t show any correlation among them during unsteady states. Nevertheless, the curves µS=f(t) and (µS\'-S) = f(t), when supplemented molasses were used, show some correlation between µS and (µS\'-S), which could show a coupling between sucrose hydrolysis and reducing sugar consumption by cells, intermediated by invertase. In spite of the fact that only invertase could hydrolyse sucrose under the experimental conditions used, it wasn\'t possible to find any correlation between (µS\'-S) and v. Otherwise, it was found a correlation between v and µX (growth rate) during unsteady-state. Such correlation was well demonstrated in steady-state tests: v- - 0.54 + 10.66 µX (r = 0.94) The other main features of the experimental results obtained in steady-state continuous experiments are: a) µX and (µS\'-S), for experiments carried out under anaerobic conditions, were higher than the same parameters for experiments carried out under aerobic conditions, regardless if the molasses had been supplemented or not; b) v- varied as follows: (aerated culture with supplemented medium) > (non aerated culture with or without supplemented medium) > (aerobic culture with non supplemented medium); c) the yield factor varied as follows: (aerated culture with supplemented medium) > (aerated culture with non supplemented medium) > (non-aerated culture with or without supplemented medium). The correlation between v and µX was an evidence that the measured values of v represent the total invertase activity of the cell, and has no relation with the fraction of invertase that produced the reducing sugars assimilated by the cells. Otherwise, it seems possible to assure that the sample manipulatian did not affect the cell structure and that, cansequently, the measured enzyme activity represents the actual invertase activity af the growing cells. The oscillatory phenomena could then be considered as a variation of the invertase-sucrose interaction due to different positions of the invertase molecules on the cell wall during the cell growth.

A sacarose é uma matéria-prima em franca expansão de produção no Brasil, seu maior produtor e exportador. Essa molécula pode ser convertida, através de um processo multienzimático, em produtos de maior valor agregado: frutose e ácido glicônico, os quais são importados pelo país, e amplamente utilizados em indústrias químicas, de produção de fármacos e setores alimentícios. Neste estudo, avaliou-se a hidrólise da sacarose pela invertase assim como a conversão da glicose em ácido glicônico, pela ação da glicose oxidase, ambas em processo descontínuo-alimentado. A solução de substrato (64g/L-sacarose; 32g/L-glicose) foi adicionada segundo as seguintes leis: constante, linear crescente, linear decrescente, exponencial crescente e exponencial decrescente. No caso da glicose, foi necessária a utilização de enzima auxiliar, a catalase, para degradar a água oxigenada formada durante a conversão da glicose. Mediante os resultados dos testes com os dois substratos, realizou-se teste de conversão direta da sacarose em frutose e ácido glicônico, utilizando-se invertase, glicose oxidase e catalase em regime descontínuo-alimentado, com alimentação linear decrescente (melhor resultado para ambos os substratos). No procedimento contínuo, alvo principal do trabalho, utilizou-se reator com membrana, da marca MILLIPORE ®, integrando em uma única etapa a conversão catalítica, a separação/concentração do produto e a recuperação do biocatalisador. A temperatura foi controlada por circulação de água, tendo acoplado uma bomba peristáltica (para controlar a vazão de alimentação do substrato) e um sistema de pressurização. O reator operou com membrana de ultrafiltração (corte molecular = 100 kDa) e foi mantido sob agitação constante. Os parâmetros de partida foram, a princípio, fixados de acordo com os valores otimizados no reator descontínuo-alimentado com o emprego simultâneo das enzimas. / Sucrose is a commodity largely produced in Brazil and one of the most used and commercialized product in food industry. It can be converted through a multienzyme process in fructose and gluconic acid, which have commercial values higher than sucrose. Both products are imported by Brazil, being largely employed in the chemical, food and pharmaceutical industry. This work dealt with the hydrolysis of sucrose by invertase into fructose and glucose, and the oxidation of glucose to gluconic acid by glucose oxidase and catalase. Catalase was added in order to decompose the hydrogen peroxide an inhibitor of glucose oxidase formed as by-product of the oxidation. Two processes were employed. Fed-batch in which the hydrolysis and oxidation reactions were carried out separately by adding invertase followed by glucose oxidase and catalase was conducted by adding the solution of substrate according to a constant, increasing linear, decreasing linear, increasing exponential or decreasing exponential mode. The best fed-batch performance was attained through the decreasing linear addition of sucrose (64g/L) and glucose (32g/L). Setting this kind of addition and using all enzymes simultaneously, the direct conversion of sucrose to fructose and gluconic acid occurred at a yield of 72%. The continuous process was carried out in a cell-type membrane reactor (membrane cut off = 100 kDa), in which the sucrose conversion was made by using all enzymes simultaneously, leading to a final yield of about 76%

In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um das Verständnis des Saccharose-zu-Stärke Stoffwechselweges in sich entwickelnden Kartoffelknollen zu untersuchen. Zunächst wurde ein induzierbares Genexpressions-System aus dem Schimmelpilz Aspergillus nidulans für die Untersuchung des Metabolismus von Kartoffelknollen optimiert. Es wurde herausgefunden, dass dieses sogenannte alc system schneller auf Acetaldehyd reagiert als auf Ethanol, und dass Acetaldehyd weniger Seiteneffekte auf den Metabolismus hat. Die optimalen Induktionsbedingungen wurden dann benutzt um die Effekte einer zeitlich kontrollierten zytosolischen Expression einer Hefe-Invertase auf den Metabolismus der Kartoffelknolle zu untersuchen. Die beobachteten Unterschiede zwischen induzierter und konstitutiver Expression der Invertase führten zu der Feststellung, dass die Glycolyse erst induziert wird nachdem ein ATP-Mangel durch erhöhtes Saccharose-Cycling kreiert wurde. Weiterhin lassen die Ergebnisse darauf schließen, dass Maltose in der Kartoffelknolle eher ein Produkt der Kondensation zweier Glucose-Einheiten ist statt ein Produkt des Stärke-Abbaus zu sein. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Expression einer Hefe-Invertase in der Vakuole von Kartoffelknollen ähnliche Effekte auf deren Metabolismus hat wie die Expression des gleichen Enzymes im Apoplasten. Diese Beobachtung ist ein weiterer Beleg für die Präsenz eines Mechanismus, bei dem Saccharose mittels Endozytose in die Vakuole aufgenommen wird anstatt über Transporter direkt ins Zytosol aufgenommen zu werden. Zum Schluß wird ein kinetisches Modell des Saccharose-Abbaus vorgestellt, das in der Lage ist diesen Teil des Stoffwechsels der Kartoffelknolle quantitativ zu simulieren. Weiterhin kann dieses Modell die metabolischen Effekte der Einführung einer Hefe-Invertase in das Zytosol von Kartoffelknollen mit erstaunlicher Präzision vorhersagen. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass induzierbare Genexpression sowie Computermodelle von Stoffwechselwegen nützliche Hilfsmittel für eine Verbesserung des Verständnisses des Pflanzenmetabolismus sind. / In this work different approaches are undertaken to improve the understanding of the sucrose-to-starch pathway in developing potato tubers. At first an inducible gene expression system from fungal origin is optimised for the use of studying metabolism in the potato tuber. It is found that the alc system from Aspergillus nidulans responds more rapidly to acetaldehyde than ethanol, and that acetaldehyde has less side-effects on metabolism. The optimal induction conditions then are used to study the effects of temporally controlled cytosolic expression of a yeast invertase on metabolism of potato tubers. The observed differences between induced and constitutive expression of the invertase lead to the conclusion that glycolysis is induced after an ATP demand has been created by an increase in sucrose cycling. Furthermore, the data suggest that in the potato tuber maltose is a product of glucose condensation rather than starch degradation. In the second part of the work it is shown that the expression of a yeast invertase in the vacuole of potato tubers has similar effects on metabolism than the expression of the same enzyme in the apoplast. These observations give further evidence to the presence of a mechanism by which sucrose is taken up via endocytosis to the vacuole rather than via transporters directly to the cytosol. Finally, a kinetic in silico model of sucrose breakdown is presented that is able to simulate this part of potato tuber metabolism on a quantitative level. Furthermore, it can predict the metabolic effects of the introduction of a yeast invertase in the cytosol of potato tubers with an astonishing precision. In summary, these data prove that inducible gene expression and kinetic computer models of metabolic pathways are useful tools to greatly improve the understanding of plant metabolism.

Mediu-se a atividade invertásica de células intactas de levedura (S. cerevisiae) cultivadas por processo contínuo em meio preparado a partir de melaço de cana-de-açúcar, nas seguintes condições: a) aerobiose, com adição de nutrientes ao meio D(h-1): 0,10 e 0,24 Φ (l/l.min): 1 e 2 N(min-1): 500 e 700 b) aerobiose, sem adição de nutrientes ao meio D(h-1): 0,11; 0,14 e 0,23 Φ (l/l.min): 1 e 2 N(min-1): 500 c) anaerobiose, com e sem adição de nutrientes ao meio D(h-1): 0,24 N(min-1): 500 Nas condições referidas obtiveram-se cultivos contínuos em regime permanente e transiente. Realizou-se, também, cultivo descontínuo de células (mosto suplementado, Φ = 2 l/l.min e N = 500 min-1), constatando-se que a atividade invertásica específica (v) variava no decorrer do processo. A análise dos resultados deste ensaio permitiu concluir que a variação de v poderia ser o resultado de um mecanismo de repressão-desrepressão controlado pela concentração de glicose no meio. Outrossim, o valor constante de v no final do processo refletiria o fato de que a enzima na realidade está imobilizada na parede celular. No caso dos cultivos contínuos foi observado que os valores de v, em função do tempo, oscilaram, sendo que o período de oscilação não foi maior que 10 min. Outrossim, deve ser destacado que o P.O.M da atividade invertásica guardou certa dependência com as condições operacionais usadas nos ensaios. Assim, no caso de cultivos em aerobiose com mosto não suplementado o P.O.M de v em regime permanente é menor do que em regime transiente. De outra parte, no caso de cultivos em aerobiose com mosto suplementado o P.O.M foi de mesma magnitude tanto em regime transiente como permanente. Através de balanços materiais adequados foi possível calcular as velocidades específicas de crescimento celular (µ), de consumo de AR (µS) e de consumo de sacarose (µS\'-S) em função do tempo. Em regime transiente não se encontrou nenhuma lei que correlacionasse estas velocidades específicas entre si. Contudo, nos casos em que foi empregado mosto acrescido de nutrientes, verificou-se graficamente que deve existir correlação entre µS e µ(S\'-S), o que evidenciaria o acoplamento existente entre a decomposição da sacarose e o consumo de AR pelas células, intermediada pela invertase. Ressalte-se, também, que v e µ(S\'-S) não mostraram correlação aparente, o que é de se estranhar, pois nas condições de trabalho a hidrólise da sacarase só poderia se dar por via enzimática. Em regime transiente observou-se que a atividade invertásica específica apresentava alguma correlação com a velocidade de crescimento celular (µX). Dependendo das condições do experimento v e µX eram funções crescentes ou decrescentes com o tempo. Esta correlação ficou bem demonstrada nos cultivos em regime permanente, onde v- era função crescente de µX, obedecendo à relação: v- = 0,54 + 10,66 &#181X (r = 0,94) Em regime permanente foi verificado, também, que: a) µS e µ(S\'-S) para os cultivos em anaerobiose eram superiores àquelas dos cultivos em aerobiose, independente do fato do mosto ter sido ou não suplementado; b) v- diminuia, de acordo com as condições operacionais empregadas, na seguinte ordem: cultivo em aerobiose com mosto suplementado, cultivo em anaerobiose com ou sem mosto suplementado e cultivo em aerobiose e mosto não suplementado; c) o fator de conversão de substrato em microrganismo decresceu na seguinte ordem: cultivo em aerobiose e mosto suplementado, cultivo em aerobiose e mosto não suplementado e cultivo em anaerobiose com e sem mosto suplementado. A correlação existente entre v e µX mostrou que os valores de v determinados referem-se à atividade global da invertase imobilizada na parede celular e não àquela parcela da atividade que gerou os açúcares redutores realmente consumidos pela célula. Além disso, do modo como foi feito o tratamento das amostras, é possível admitir que não ocorreram modificações significativas nas características morfo-fisiológicas das células, representando estas a população existente na dorna no momento da amostragem. Por conseguinte a oscilação de v poderia ser vista como sendo uma variação na interação da invertase com a sacarose, devido aos posicionamentos distintos que as moléculas da enzima teriam na parede celular durante as várias etapas do ciclo celular. / The invertase specific activities of intact yeast cells obtained from continuous cultures on sugar-cane molasse media were determined. The experiments were carried out under the following conditions: a) aerated and supplemented medium: D(h-1): 0,10 and 0,24 Φ (l/l.min): 1 and 2 N(min-1): 500 and 700 b) aerated and non supplemented medium: D(h-1): 0,11; 0,14 and 0,23 Φ (l/l.min): 1 and 2 N(min-1): 500 c) non aerated, supplemented and non supplemented medium: D(h-1): 0,24 N(min-1): 500 The above conditions lead to unsteady and to steady-state cultures. It was observed that the invertase specific activity (v) varied during a batch growth experiment carried out under the following conditions: supplemented molasses, Φ = 2 l/l.min and N= 500 min-1. The observed variation was probably caused by a repression-desrepression phenomenon on the biosynthesis of invertase, controlled by glucose concentration in the medium. Nevertheless, v was approximately constant at the end of the process, which could be explained as a result of the enzyme immobilization on the cell wall. It was also observed that in continuous test v oscillated, and the oscillatory period was not greater than 10 min. Otherwise, it must be enhanced that there were some correlations between average oscillatory period and the experimental conditions. Considering the aerated continuous tests carried out with non supplemented medium, it was found that average oscillatory period in steady-state was lower than in unsteady-state. Nevertheless, in aerated continuous cultures carried out with supplemented medium average oscillatory period was the same, regardless if the system would be in unsteady ar steady-state. The following parameters were calculated: specific growth rate of the yeast (µ), specific consumption rate of reducing sugar (µS) and specific hydrolysing rate of sucrose (µS\'-S). Such parameters didn\'t show any correlation among them during unsteady states. Nevertheless, the curves µS=f(t) and (µS\'-S) = f(t), when supplemented molasses were used, show some correlation between µS and (µS\'-S), which could show a coupling between sucrose hydrolysis and reducing sugar consumption by cells, intermediated by invertase. In spite of the fact that only invertase could hydrolyse sucrose under the experimental conditions used, it wasn\'t possible to find any correlation between (µS\'-S) and v. Otherwise, it was found a correlation between v and µX (growth rate) during unsteady-state. Such correlation was well demonstrated in steady-state tests: v- - 0.54 + 10.66 µX (r = 0.94) The other main features of the experimental results obtained in steady-state continuous experiments are: a) µX and (µS\'-S), for experiments carried out under anaerobic conditions, were higher than the same parameters for experiments carried out under aerobic conditions, regardless if the molasses had been supplemented or not; b) v- varied as follows: (aerated culture with supplemented medium) > (non aerated culture with or without supplemented medium) > (aerobic culture with non supplemented medium); c) the yield factor varied as follows: (aerated culture with supplemented medium) > (aerated culture with non supplemented medium) > (non-aerated culture with or without supplemented medium). The correlation between v and µX was an evidence that the measured values of v represent the total invertase activity of the cell, and has no relation with the fraction of invertase that produced the reducing sugars assimilated by the cells. Otherwise, it seems possible to assure that the sample manipulatian did not affect the cell structure and that, cansequently, the measured enzyme activity represents the actual invertase activity af the growing cells. The oscillatory phenomena could then be considered as a variation of the invertase-sucrose interaction due to different positions of the invertase molecules on the cell wall during the cell growth.

Le mildiou est une maladie de la vigne affectant les feuilles et les baies et pouvant entraîner des diminutions importantes de la quantité et de la qualité de la vendange. L'agent responsable, Plasmopara viticola, un oomycète biotrophe obligatoire, provoque différentes altérations physiologiques au niveau de la feuille infectée. D'une part, il y a des accumulations anormales d'amidon au niveau des taches d'huile, symptômes caractéristiques de la maladie. D'autre part, l'infection induit une dérégulation des mouvements stomatiques. Les stomates, ouvertures naturelles permettant les échanges gazeux entre la plante et l'atmosphère, restent anormalement ouverts de nuit et ne se ferment plus en réponse à un stress hydrique ou à un traitement à l'ABA. Les deux parties de cette thèse avaient pour objectif de i) expliquer l'origine et le mécanisme de l'accumulation d'amidon et ii) isoler et identifier le facteur responsable de la dérégulation stomatique. Les modifications du métabolisme de l'amidon au niveau des feuilles infectées ont d'abord été étudiées à l'aide d'une analyse transcriptomique afin d'identifier les gènes codant pour des enzymes impliquées dans ce métabolisme dont l'expression était affectée. Après validation de deux gènes de référence, une étude par qRT-PCR a permis de vérifier les changements d'expression de certains de ces gènes au cours de la cinétique de l'infection, puis les activités des enzymes correspondantes ont été déterminées. Ces approches, complétées par des dosages de l'amidon et des sucres solubles ainsi que la mesure de l'activité photosynthétique, ont permis de corréler différents événements avec l'infection. D'après nos résultats, l'accumulation de l'amidon dans les taches d'huile pourrait résulter d'une augmentation de sa synthèse liée à l'augmentation de l'activité AGPase, combinée à une diminution de sa dégradation par modification de l'activité des amylases. Une diminution de la photosynthèse et une augmentation de l'activité invertase traduisent une transition source-puits au niveau des taches d'huile. La deuxième partie de la thèse a porté sur la recherche d'une molécule soluble d'origine végétale ou pathogène, secrétée dans l'apoplasme au cours de l'infection et responsable du dysfonctionnement stomatique. Sur « épidermes isolés », les fluides apoplastiques extraits de feuilles infectées induisent une ouverture stomatique à l'obscurité et contrecarrent la fermeture induite par l'ABA à la lumière, mimant ainsi la dérégulation observée sur feuille entière. Le composé actif serait une protéine assez stable, de taille >50 kDa et modifiée post-traductionellement par une glycosylation essentielle à son activité sur l'ouverture stomatique. Après séparation par chromatographie d'exclusion des fluides apoplastiques de feuilles infectées, deux fractions ont été retenues : une présentant une forte activité sur l'ouverture stomatique, et une seconde sans activité. Neuf protéines de vigne ont été identi fiées spécifiquement dans la fraction active après une analyse comparative de ces deux échantillons par spectrométrie de masse. Des expérimentations supplémentaires seront nécessaires pour purifier et identifier la protéine recherchée. / The grapevine downy mildew affects leaves and young berries and can affect the harvest quality and quantity. The causal agent is the obligate biotroph oomycete Plasmopara viticola that induces severe physiological alterations in infected leaves. One is the abnormal accumulation of starch in oil spots, the characteristic symptoms of the disease. Another is a deregulation of stomatal movements. Stomata, natural openings on the leaf surface allowing gas exchanges between the plant and the atmosphere, stay abnormally open during the night and do no longer close upon water stress or ABA treatment in infected leaves. This thesis is divided into two chapters that aim to i) explain the origin and mechanism of the abnormal starch accumulation and ii) isolate and identify the compound responsible for the stomatal deregulation. The modifications of starch metabolism in infected leaves were first studied by transcriptomic analysis allowing to identify transcriptional modifications of genes involved in starch metabolism. After the validation of two reference genes, a qRT-PCR analysis was performed in order to verify the expression alterations of some of these genes and the corresponding enzymatic activities were measured. The quantification of soluble sugars and starch, and the measurement of photosynthetic activity were included in the analysis and their alterations could be correlated with the infection. Altogether, the obtained results hint towards an increase of starch synthesis via an increase in AGPase activity, that, combined with a decrease of its degradation by modification of amylase activities, could be responsible for the observed starch accumulation in oil spots. Concurrently, a source-sink transition is apparent in infected leaves by decrease of photosynthetic activity and increase of a cell wall invertase activity. The second part of this thesis dealt with a soluble molecule of plant or pathogen origin that is secreted into the apoplast during infection and could be responsible for the stomatal deregulation. The apoplastic wash fluids from infected leaves increase tha stomatal aperture in the dark in grapevine epidermal peels and counteract the ABA-induced stomatal closure, thus mimicking the deregulation observed on whole leaves. The active compound seems to be a stable protein of > 50kDa with a glycosylation that is essentiel for its activity. After separation of the fluids by size exclusion chromatography, two fractions were compared : one active on stomatal aperture and an inactive one. 9 grapevine proteins could be identified in the active sample by mass spectrometry analysis, but further analyses are needed to purify and identify the one responsible for the stomatal deregulation.

A sacarose é uma matéria-prima, cuja produção é considerada ecologicamente correta, sendo o Brasil seu maior produtor e exportador. O dissacarídeo pode ser convertido, através de um processo multienzimático, em substâncias de maior valor agregado: frutose e ácido glicônico, as quais são importadas pelo Brasil, tendo amplo uso nos setores químico, farmacêutico e alimentício. A conversão foi feita através da ação da invertase, glicose oxidase e catalase, utilizando os reatores descontínuo e contínuo. No procedimento utilizando reator descontínuo, o tempo de residência é igual para reagentes, produtos e catalisador. Neste caso as enzimas foram adicionadas seqüencialmente, em um primeiro momento, e na segunda etapa foram adicionadas simultaneamente. Os parâmetros de partida, a saber, concentração inicial de sacarose, pH, temperatura e atividades enzimáticas, foram testados em diferentes quantidades no intuito de encontrar a mistura inicial mais eficiente na conversão do substrato. No procedimento contínuo, utilizou-se reator com membrana, da marca MILLIPORE®, que permite integrar em uma única etapa a conversão catalítica, a separação/concentração do produto e a recuperação do biocatalisador. A temperatura foi controlada por circulação de água, tendo acoplado uma bomba peristáltica (para controlar a vazão de alimentação do substrato) e um sistema de pressurização. O reator operou com membrana de ultrafiltração (corte molecular = 100 kDa) e foi mantido sob agitação constante. Os parâmetros de partida, neste reator, foram fixados de acordo com os valores otimizados no reator descontínuo com o emprego simultâneo das enzimas. / Sucrose is produced in large amount in Brazil, being a worldwide commercialized commodity. However, it can be converted into more valuable products such as fructose and gluconic acid, both used largely in the chemical, pharmaceutical and food industry. Conversion occurred through the action of invertase, glucose oxidase and catalase, using the discontinuous and continuous reactors. In the batch reactor, the residence time is equal to reactants, products and catalyst. In this case, enzymes were added sequentially, at first, and in the second step were added simultaneously. Boot parameters, initial sucrose concentration, pH, temperature and enzyme activities were tested in different amounts in order to find the most efficient initial mixture to the conversion of the substrate. In continuous process, we used the membrane reactor, MILLIPORE®, which allows for one-step catalytic conversion, the separation / concentration of the product and recovery of the biocatalyst. The temperature was controlled by circulation of water, coupled with a peristaltic pump (to control the feed flow of the substrate) and a pressurization system. The reactor was operated with ultrafiltration membrane (molecular cutoff = 100 kDa) and was kept under constant agitation. The initial parameters in this reactor were set according to the values optimized in the batch reactor with the simultaneous use of enzymes.

A sacarose é uma matéria-prima, cuja produção é considerada ecologicamente correta, sendo o Brasil seu maior produtor e exportador. O dissacarídeo pode ser convertido, através de um processo multienzimático, em substâncias de maior valor agregado: frutose e ácido glicônico, as quais são importadas pelo Brasil, tendo amplo uso nos setores químico, farmacêutico e alimentício. A conversão foi feita através da ação da invertase, glicose oxidase e catalase, utilizando os reatores descontínuo e contínuo. No procedimento utilizando reator descontínuo, o tempo de residência é igual para reagentes, produtos e catalisador. Neste caso as enzimas foram adicionadas seqüencialmente, em um primeiro momento, e na segunda etapa foram adicionadas simultaneamente. Os parâmetros de partida, a saber, concentração inicial de sacarose, pH, temperatura e atividades enzimáticas, foram testados em diferentes quantidades no intuito de encontrar a mistura inicial mais eficiente na conversão do substrato. No procedimento contínuo, utilizou-se reator com membrana, da marca MILLIPORE®, que permite integrar em uma única etapa a conversão catalítica, a separação/concentração do produto e a recuperação do biocatalisador. A temperatura foi controlada por circulação de água, tendo acoplado uma bomba peristáltica (para controlar a vazão de alimentação do substrato) e um sistema de pressurização. O reator operou com membrana de ultrafiltração (corte molecular = 100 kDa) e foi mantido sob agitação constante. Os parâmetros de partida, neste reator, foram fixados de acordo com os valores otimizados no reator descontínuo com o emprego simultâneo das enzimas. / Sucrose is produced in large amount in Brazil, being a worldwide commercialized commodity. However, it can be converted into more valuable products such as fructose and gluconic acid, both used largely in the chemical, pharmaceutical and food industry. Conversion occurred through the action of invertase, glucose oxidase and catalase, using the discontinuous and continuous reactors. In the batch reactor, the residence time is equal to reactants, products and catalyst. In this case, enzymes were added sequentially, at first, and in the second step were added simultaneously. Boot parameters, initial sucrose concentration, pH, temperature and enzyme activities were tested in different amounts in order to find the most efficient initial mixture to the conversion of the substrate. In continuous process, we used the membrane reactor, MILLIPORE®, which allows for one-step catalytic conversion, the separation / concentration of the product and recovery of the biocatalyst. The temperature was controlled by circulation of water, coupled with a peristaltic pump (to control the feed flow of the substrate) and a pressurization system. The reactor was operated with ultrafiltration membrane (molecular cutoff = 100 kDa) and was kept under constant agitation. The initial parameters in this reactor were set according to the values optimized in the batch reactor with the simultaneous use of enzymes.

A banana tem sido comumente indicada como uma boa fonte de frutooligossacarídeos (FOS), que são considerados componentes funcionais de alimentos. Contudo, diferenças significantes em suas quantidades têm sido referidas na literatura. Portanto, uma parte do trabalho foi destinada à identificação e quantificação de FOS durante o amadurecimento de cultivares de bananas pertencentes aos grupos genômicos mais comumente cultivados no Brasil. Considerando as diferenças de cultivar, estágio do amadurecimento e metodologia usada para análise de FOS, os conteúdos dos açúcares foram analisados por cromatografia líquida de alta performance (HPAEC-PAD) e cromatografia a gás (CG-MS). Uma pesquisa inicial entre oito cultivares no estágio maduro, mostrou acúmulo de 1-cestose, primeiro membro da série de FOS, em todas elas (quantidades entre 297 e 1600 µg/g M.S). A nistose, o segundo membro, foi detectado somente na cultivar Prata. Com bases nestes dados, foram escolhidas cinco cultivares, para que fossem analisadas durante todo o amadurecimento. Os resultados mostraram uma forte correlação entre a chegada a um nível específico de sacarose (~200 mg/g M.S) e a síntese de 1-cestose. Em uma segunda fase, os níveis de sacarose e FOS total foram quantificados em diferentes fases de amadurecimento de banana Prata, armazenada em temperatura ambiente e em baixa temperatura. As supostas enzimas envolvidas em sua síntese também foram avaliadas. Para explorar a possibilidade da invertase ser responsável pela atividade de frutosiltransferase em banana, foi medido o efeito do inibidor Piridoxal HCl, os níveis de concentração do substrato e as atividades de hidrólise e transglicosilação, e o efeito do tempo no estudo cinético da enzima. A baixa temperatura atrasou todos os eventos analisados por 15 dias e os níveis de sacarose tiveram um pequeno aumento, porém constante, enquanto a banana estava armazenada ao frio, e uma rápida elevação no final do amadurecimento. Foi detectado FOS total desde o primeiro dia pós-colheita, enquanto que a 1-cestose permaneceu indetectável até os níveis de sacarose atingirem aproximadamente 200 mg/g M.S., em ambos os grupos. Os níveis de sacarose e FOS total foram ligeiramente maiores em bananas armazenadas em baixas temperaturas do que em frutos controle. Em ambas as amostras os níveis de FOS total foram maiores que de 1-cestose. Os perfis de carboidratos por HPLC e TLC sugeriram a presença de neocestose, 6-cestose e bifurcose. A enzima supostamente responsável pela atividade de transglicosilação em banana parece ser a invertase. Contudo, os altos níveis de sacarose encontrados em banana armazenadas em baixa temperatura, poderiam ser resultado de várias mudanças de enzimas degradativas e biossíntéticas, como sacarose-sintase (SuSy), sacarose-fosfato-sintase (SPS), invertase e outras, uma vez que a sacarose possui um papel central, direta ou indiretamente, em diversas vias do metabolismo de carboidrato em banana. Assim, na última parte do trabalho foram analisados o acúmulo de sacarose e a síntese e atividade de enzimas sintéticas, hidrolíticas e fosforolíticas, importantes no metabolismo de amido-sacarose, durante o amadurecimento de banana Prata nos dois tratamentos. A baixa temperatura não danificou os frutos, aumentando a vida de prateleira deles. As amostras do frio apresentaram pequeno aumento no nível de degradação de amido e um acréscimo de 20 % na sacarose acumulada durante o amadurecimento. Foi verificado o atraso na produção de etileno, CO2, e no início de degradação de amido durante o acondicionamento ao frio, concomitante ao atraso no pico de atividade de α-amilase. O atraso no climatério também manteve alta a atividade e síntese protéica de SuSy durante o armazenamento a frio, que declinaram após a retirada do frio, como no controle. As enzimas β-amilase, fosforilase (forma citosólica e plastidial) e SPS reagiram positivamente, sofrendo uma indução positiva na síntese e atividade enzimática durante o armazenamento ao frio, que poderia ser parte do mecanismo necessário para os maiores níveis de açúcares e para o processo de tolerância do fruto à baixa temperatura. / Banana has been currently indicated as a good source of fructooligosaccharides (FOS), which are considered to be functional components of foods. However, significant differences in their amounts in bananas have been observed in the literature. So, a part of this work aims to identify and quantify FOS during ripening in different banana cultivars belonging to the most common genomic groups cultivated in Brazil. Considering that these differences can be due to cultivar, stage of ripening, and the methodologies used for FOS analyses, sugar contents were analyzed by high performance anion exchange chromatography pulsed amperiometric detection (HPAEC-PAD) and gas chromatography- mass spectrometry (GC-MS). An initial screening of eight cultivars in a full-ripe stage showed that 1-Kestose, the first member of the FOS series (amounts between 297 and 1600 µg/g of D.M), was accumulated in all of them. Nystose, the second member, was detected only in Prata cultivar. Five of the cultivars were analyzed during ripening, and a strong correlation could be established with a specific sucrose level (~200 mg/g of D.M.), which seems to trigger the synthesis of 1-Kestose. In a second part of this work, the levels of sucrose and total-FOS were quantified in different phases of banana Prata ripening stored at ambient and low temperature. The supposed enzymes involved in their synthesis were also evaluated. To explore the possibility that invertase could be responsible for the fructosyltransferase activity in banana, we measured the effect of the inhibitor Pyridoxal HCl, the level of substrate concentration on both hydrolyze and transglycosylase activity in the same protein extract and the effect of time on kinetic study of the enzyme. The cold temperature delayed all the analyzed events for 15 days and sucrose levels increased low, but constantly, while banana were stored at low temperature and had a burst when it increased. Total-FOS were detected in the first days after harvest, while 1-kestose remained undetectable until the sucrose levels were around 200 mg.g (dry weight), in both groups. Total-FOS and sucrose levels were higher in banana stored at low temperature than in control. In both samples total-FOS levels were higher than 1-kestose. The carbohydrate profiles by HPLC and TLC suggest the presence of neokestose, 6-kestose and bifurcose. The enzyme supposed to be responsible for the transglycosilation activity in banana, seems to be an invertase. However, the higher sucrose levels found in banana stored at low temperature could be result of several changes in biosynthetic and degradative enzymes, such sucrose-synthase, sucrose-phosphate-synthase, invertase and others, once that sucrose plays a central role in a lot of direct and indirect carbohydrate pathways in banana fruits. So, in the last part of this work, we analyzed the sucrose accumulation and synthesis and activity of synthetic, hydrolytic and phosphorolytic enzymes that are important in the starch-sucrose metabolism during ripening of banana Prata stored at ambient and low temperature. The levels of starch degradation and sucrose accumulation (around 20% over) showed high levels in cold fruits as compared with control, during the ripening. The cold temperature delayed the ethylene and CO2 production, and the beginning of the starch degradation, concomitantly with a delay in the profile of α-amylase synthesis and activity. The late climateric also maintained the high synthesis and activity of SuSy during the cold storage that decreased just after ending the cold exposure. The β-amylase, phosphorylase (plastidial and citossolic forms) and the SPS enzymes showed a positive induction in the both activity and synthesis of protein during the cold storage. It could be important to the higher sugars levels showed at low temperature and that could contribute to the process of cold resistance in banana fruit.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5040.pdf: 2753762 bytes, checksum: 183de6a78d0f606bfd3485cc5c3d7711 (MD5) Previous issue date: 2013-03-21 / Universidade Federal de Sao Carlos / The sugarcane sugar (sucrose) is a raw material produced in abundance in Brazil, being attractive to produce high added-value by-products. The gluconic acid (GA) can be obtained by multienzymatic conversion of sucrose, using three enzymes. Invertase, responsible for the inversion of sucrose to glucose and fructose, glucose oxidase (GOD) responsible for the glucose oxidation and catalase (CAT) responsible for decomposition of hydrogen peroxide. In multienzymatic process fructose is obtained as a byproduct, also of great interest to the food, pharmaceutical and chemical industries. In this study, the production of GA from sucrose in airlift reactor is evaluated. Temperature and pH of maximum activity were determined for the enzymes invertase, GOD and CAT , as well as the thermal stability in the absence of substrate. Invertase enzymatic activity was quantified by formation of reducing sugars on a 200 mM sucrose solution at 30 ° C, and pH 4.8. The enzymatic activity of GOD and the CAT were determined by monitoring respectively the formation of H2O2 from a solution of glucose 1 g/L, 25°C, pH 5.0 and the decomposition of H2O2 from a solution of H2O2 35 mM, 25°C, pH 7.5. Invertase showed maximum activity at 45 ºC and pH 5.0; GOD at 55ºC and pH 6.0 and CAT at 25 ° C and pH 8.0, respectively. From the activity profiles as a function of temperature and pH, the operational conditions of 50, 45 and 40°C at pH 5.0 and 6.0 were pre-selected for the multienzymatic process. It was found that the best half-lives times of the soluble enzymes, invertase, GOD and CAT, occurred in the condition of 40°C and pH 6.0, respectively 137, 105 and 98 h. A kinetic study was carried out at 40°C and pH 6.0. The kinetics of the enzyme invertase showed a behavior best predicted by the model of substrate inhibition. Michaelis-Menten model (MM) was fitted to experimental data of GOD and substrate inhibition model best predicted the kinetics behavior of CAT. The proposed kinetic models were used to estimate enzyme/substrate ratio (w/w) used in the production of GA in agitated and aerated and airlift bioreactors. On the other hand, in the batch assays conducted in airlift bioreactor were obtained AG real yields of 80.38 ± 5.69% and global yields of 103.20 ± 13.96% and conversion of sucrose of 98.86 ± 0.97%; obtained after 5 h. A new set of kinetic parameters including volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) was based on the experimental data from tests in airlift bioreactor. These showed that Bi-Bi Ping-Pong model both with or without product inhibition correspond satisfactorily to the tendency of the experimental data. / O açúcar de cana (sacarose) é uma matéria-prima produzida em abundância no Brasil, sendo atrativa a produção de derivados com maior valor agregado. O ácido glucônico (AG) pode ser obtido através da conversão multienzimática da sacarose, utilizando como biocatalisadores as enzimas invertase, glicose oxidase (GOD) e catalase (CAT), responsáveis respectivamente pela inversão da sacarose, oxidação da glicose e decomposição de peróxido de hidrogênio (H2O2). No processo multienzimático obtém-se como subproduto a frutose, também de grande interesse para as indústrias alimentícia, farmacêutica e química. No presente trabalho foi avaliada a produção de AG a partir de sacarose em reator airlift. As enzimas invertase, GOD e CAT solúveis foram caracterizadas quanto à temperatura e ao pH de máxima atividade, bem como quanto à estabilidade térmica na ausência de substrato. A atividade enzimática da invertase foi quantificada pela ação da invertase sobre uma solução de sacarose 200 mM a 30ºC, pH 4,8, acompanhando-se a formação de açúcares redutores totais. As atividades enzimáticas da GOD e da CAT foram determinadas monitorando respectivamente a formação de H2O2 a partir de uma solução de glicose 1 g/l, 25ºC, pH 5,0 e a decomposição de H2O2 a partir de uma solução de H2O2 35 mM, 25ºC, pH 7,5. Invertase apresentou máxima atividade a 45ºC e pH 5,0; GOD a 55ºC e pH 6,0 e CAT a 25ºC e pH 8,0, respectivamente. A partir dos perfis de atividade em função da temperatura e do pH, as condições operacionais de 50, 45 e 40ºC em pHs 5,0 e 6,0 foram pré-selecionadas para a bioconversão multienzimática de sacarose a AG. Verificou-se que os melhores tempos de meias-vidas das enzimas invertase, GOD e CAT solúveis ocorreram na condição de 40ºC e pH 6,0, respectivamente 137, 105 e 98 h. Um estudo cinético foi realizado a 40ºC e pH 6,0. A cinética da enzima invertase apresentou comportamento previsto pelo modelo de inibição pelo substrato. O modelo de Michaelis-Menten (MM) foi ajustado aos dados experimentais da GOD e o modelo de inibição pelo substrato foi o que melhor se ajustou à cinética da CAT. Os modelos cinéticos propostos serviram para a estimativa das relações enzima/substrato (m.m-1) empregadas na produção de ácido glucônico em biorreatores agitado e aerado e airlift. Os ensaios em batelada em biorreator airlift apresentaram eficiências real e global em AG de respectivamente 80,40 ± 5,70 % e 103,20 ± 13,96 % e conversão de sacarose de 98,86 ± 0,97 %; obtidas após 5 h. Um novo ajuste dos parâmetros cinéticos incluindo o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) foi realizado com base nos dados experimentais dos ensaios em biorreator airlift. Este mostrou que os modelos Bi-Bi Ping-Pong com ou sem inibição pelo produto responderam de forma satisfatória à tendência dos dados experimentais.