Extradiol dioxigenases são enzimas que catalisam a clivagem oxidativa de ligações C-C entre grupos hidroxila fenólicos adjacentes utilizando catecóis como substratos. Esta classe de enzimas é bem caracterizada em bactérias, onde catalisam a degradação de compostos aromáticos. Na maioria das plantas Caryophyllales, como a beterraba, primavera e a maravilha, L-3,4-diidroxifenilalanina (L-DOPA) extradiol dioxigenases (DODAs) catalisam a clivagem oxidativa de L-DOPA na posição 4,5 gerando o ácido betalâmico, aldeído precursor das betalaínas, uma classe de pigmentos naturais que substitui as antocianinas na pigmentação dessas espécies. Alguns fungos basidiomicetos também produzem betalaínas, como o agário-das-moscas (Amanita muscaria). Nesse organismo, DODA é capaz de catalisar uma clivagem adicional na posição 2,3 da L-DOPA, formando muscaflavina, um isômero do ácido betalâmico que dá origem a uma outra classe de pigmentos naturais: as higroaurinas. Desde a caracterização do gene dodA, o qual codifica para a DODA de A. muscaria (AMAMU), não existem relatos na literatura que explorem a promiscuidade catalítica desta enzima, sua relação com outras linhagens de DODAs e a síntese quimioenzimática de betalaínas a partir desta enzima. Dessa forma, buscamos contextualizar as relações filogenéticas e funcionais entre AMAMU e diferentes linhagens de DODAs, bem como estabelecer um método que viabilize a clonagem, expressão heteróloga e caracterização funcional destaenzima. As análises filogenéticas revelaram que AMAMU possui uma evolução convergente com DODAs de plantas e bactérias e que, apesar de AMAMU ser funcionalmente homóloga à DODA da bactéria Escherichia coli, esta última apresenta homologia com DODAs de plantas. Logo, não há uma relação direta entre a sequência primária de DODAs e sua função. Nós também demonstramos que não há uma relação entre a expressão de transcritos de BvDODA1, e de seu parálogo BvDODA2, e a diferença de pigmentação entre variedades de beterrabas amarelas e vermelhas. A clonagem da sequência codificadora (CDS) publicada para o gene dodA de A. muscaria resultou na retenção do primeiro íntron, o que impedia a sua expressão. Então, uma nova CDS de 558 nucleotídeos foi proposta para este gene, a qual inclui um códon de início da tradução que se mantém na fase de leitura e codifica para uma proteína de 185 resíduos, 43 a menos que AMAMU. A expressão desta CDS resultou na proteína recombinante AmDODA, capaz de catalisar a síntese de ácido betalâmico e muscaflavina a partir de L-DOPA e D-DOPA. AmDODA possui um tamanho aproximado de 22 kDa, com um pH ótimo de atividade de 8,5 e uma constante de Michaelis (KM) de 3,7 ± 0,9 mmol L-1 e de velocidade máxima (Vmax) de 3,3 ± 0,4 µ mol min-1 mg-1. Sua utilização foi demonstrada na síntese quimioenzimática de betalaínas-modelo com potencial aplicação como sondas para microscopia confocal de fluorescência de dois fótons. Neste contexto, esta Tese explora os aspectos moleculares, bioquímicos e biológicos da DODA do fungo A. muscaria e traz importantes contribuições acerca da pigmentação por betalaínas na natureza. / Extradiol dioxigenases are enzymes that catalyze the oxidative cleavage of C-C bonds between adjacent phenolic hydroxyl groups using catechols as substrates. This class of enzymes is well characterized in bacteria, where they catalyze the degradation of aromatic compounds. In most plants of the Order Caryophyllales, such as beet, paperflower and four o\'clock flower, L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) extradiol dioxygenases (DODAs) catalyze the oxidative 4,5-cleavage of L-DOPA generating the betalamic acid, an aldehyde precursor of the betalains, a class of natural pigments that replaces anthocyanins in the pigmentation of these species. Some basidiomycete fungi also produce betalains, such as the fly agaric (Amanita muscaria). In this organism, DODA is able to catalyze an additional 2,3-cleavage of L-DOPA, yielding muscaflavine, an isomer of betalamic acid that gives rise to another class of natural pigments: the hygroaurins. Since the characterization of the dodA gene, which encodes the A. muscaria DODA (AMAMU), there are no reports in the literature that explore the catalytic promiscuity of this enzyme, its relation to other DODAs and the chemoenzymatic synthesis of betalains from this enzyme. Thus, we seek to contextualize the phylogenetic and functional relationships between AMAMU and different DODA lineages, as well as to establish a method that enable the cloning, heterologous expression and functional characterization of this enzyme. Phylogenetic analysis revealed that AMAMU has a convergent evolutionwith plant and bacterial DODAs and that although AMAMU is functionally homologous to the DODA of the Escherichia coli bacteria, this latter is homologous to the plant DODAs. Therefore, there is no direct relationship between the primary sequence of DODAs and their function. We have also shown that there is no relationship between the expression of BvDODA1 transcripts, and its BvDODA2 paralogue, and the pigment difference between yellow and red beet varieties. Cloning of the published coding sequence (CDS) for the dodA gene of A. muscaria resulted in the retention of the first intron, which prevented its expression. Then, a new CDS of 558 nucleotides was proposed for this gene, which includes a translation start codon that remains in the open reading frame and encodes for a protein 185 residues long, 43 less than AMAMU. Expression of this CDS resulted in the recombinant AmDODA protein, able to catalyze the synthesis of betalamic acid and muscaflavine from L-DOPA and D-DOPA. AmDODA has an approximate size of 22 kDa, with an optimum activity pH of 8.5 and a Michaelis constant (KM) of 3.7 ± 0.9 mmol L-1 and a maximum velocity (Vmax) of 3.3 ± 0.4 µmol min-1 mg-1. Its use was demonstrated in the chemoenzymatic synthesis of betalains-model with potential application as probes for confocal microscopy of two-photon fluorescence. In this context, this thesis explores the molecular, biochemical and biological aspects of the DODA of the fungus A. muscaria and brings important contributions about the pigmentation by betalains in nature.

Orientador: Erick Leite Bastos / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologia/Química.

Orientador: Erick Leite Bastos / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2012

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:36:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5235.pdf: 10166776 bytes, checksum: b87e8fe3bd8a3dcdf010e3da1c7b75c2 (MD5) Previous issue date: 2013-03-25 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this work, we studied the structural transformation of methylpheophorbide a (2), a derivative of chlorophyll a (1) that was extracted from seaweed Spirulina maxima. The main propose of the study was to obtain compounds with low aggregation and appropriate photophysical characteristics for applications in Photodynamic Therapy (PDT). In this way, we prompted to transform chlorin type derivatives into the corresponding bacteriochlorins using cycloaddition reaction approaches. The use of chlorophyll a (1) was mainly motivated by its availability and low cost. In addition, this compound has been a focus of study in our research group. Therefore, it was initially developed a method of extracting/processing chlorophyll a which directly provided compound 2 (Scheme 1). In this process we used an extraction/transesterification one-pot method using an acid solution of methanol and chlorin 2 was obtained in 0.8% yield from dried seaweed. Compound 3 was obtained from 2 (77%) and then hydrogenated to give 4 (80%). The chlorophyll derivative 4 was used as starting material in order to prepare the desired bacteriochlorin via cycloaddition methodology (Scheme 2). Scheme 1. Functionalization reactions of chlorophyll a. i, ii, iii, iv, v, vi) extracting/processing one-pot reaction of compound 2 from the seaweed Spirulina maxima dehydrated in the presence of MeOH/H2SO4 5% (v/v) for 24h 0.8% . vii) MeONa / MeOH, r.t., 8h, 77%; viii) H2, 1 atm, Pd/C, 80%. Several azomethine and nitrile oxide dipoles were tested in the 1,3- dipolar cycloaddition reactions. Nevertheless, none of the studied conditions provided the desired cycloaddition adduct (bacteriochlorin). In some cases, decarboxylation by-products or total/partial substrate 4 degradation was observed. Scheme 2. Synthesis of new bacteriochlorins. An alternative method for the synthesis of bacteriochlorins using a cycloaddition approach was designed starting from the vinyl-chlorin 13 and Nphenylmaleimide (15) (Scheme 3). The synthesis of compound 13 was accomplished starting from compound 4 by dihydroxylation reaction with OsO4 (67%) followed by double dehydration in 1,2-dichlorobenzene (30%). The most promising results from cycloaddition reaction were obtained with 13 and 15 with yields around 47% (75:25 ratio of diastereoisomers determined by 1H-NMR spectroscopy). Scheme 3. Synthesis of new bacteriochlorins. The synthesized compounds were characterized by 1D and 2D NMR and UV-vis spectroscopy, infra-red and mass spectrometry. Some preliminary photophysical studies, such as photobleaching, were also conducted in order to qualify bacteriochlorin compound 14 as a potential photosensitizer. Moreover, aggregation studies by UV-vis were performed, which confirmed the low aggregation of the obtained bacteriochlorins. / Neste trabalho foram realizados estudos de modificações estruturais no metil-feoforbídeo a (2), um derivado da clorofila a (1) extraída da alga Spirulina maxima. O objetivo principal foi obter compostos de baixa agregação e com características fotofísicas adequadas para aplicações em Terapia Fotodinâmica (PDT), buscando, por exemplo, transformar os derivados do tipo clorina em bacterioclorinas a partir de reações de cicloadição. O uso da clorofila a (1) foi motivado pela disponibilidade, baixo custo e por fazer parte de vários estudos de nosso grupo de pesquisa. Assim, inicialmente foi desenvolvido um método de extração/transformação da clorofila a fornecendo diretamente o composto 2 (Esquema 1). Neste processo foi empregada uma extração/transesterificação one-pot de 1, em uma solução ácida de metanol. Os rendimentos deste processo estiveram em torno de 0,8% a partir da alga desidratada. Em seguida, o composto 2 foi transformado em 3 (77%) e posteriormente hidrogenado para fornecer 4 (80%). Após a preparação de 4 foram iniciados alguns estudos de cicloadição visando preparar um derivado do tipo bacterioclorina (Esquema 2). Esquema 1. Reações de funcionalização do pigmento natural clorofila a. i, ii, iii, iv, v, vi) extração/transformação one-pot do composto 2 da reação da alga Spirulina maxima desidratada na presença de MeOH/H2SO4 5% (v/v) por 24h, 0,8% . vii) MeONa/MeOH, t.a., 8h, 77%; viii) H2, 1 atm, Pd/C, 80%.Para as reações de cicloadição 1,3-dipolar propostas, foram testados alguns dipolos do tipo azometino e óxido de nitrilo. Vários dos estudos realizados não forneceram os produtos de cicloadição desejados (bacterioclorina). Em algumas situações foram obtidos subprodutos de descarboxilação ou foi verificada degradação total/parcial do substrato 4. Esquema 2. Síntese de novas bacterioclorinas. Uma segunda abordagem visando à síntese de bacterioclorinas a partir de cicloadições foi delineada partindo-se da vinil-clorina 13 realizando-se uma reação de Diels-Alder com a N-fenilmaleimida (15) (Esquema 3). A síntese do composto 13 foi realizada a partir do composto 4 pela reação de bis-hidroxilação com OsO4 (67%) seguido da dupla desidratação em 1,2 diclorobenzeno (30%). Os melhores resultados da reação de cicloadição entre 13 e 15, apresentaram rendimentos na ordem de 47% (proporção aproximada de 75:25 dos diastereoisômeros determinada por RMN de 1H). Esquema 3. Síntese de novas bacterioclorinas. Os compostos sintetizados neste trabalho foram caracterizados utilizando-se técnicas de espectroscopia de RMN 1D e 2D, espectroscopia na região do UV-vis, espectroscopia na região do infravermelho e espectrometria de massas. Ao longo das abordagens sintéticas foram realizados alguns estudos fotofísicos preliminares, como photobleaching, de modo a qualificar a bacterioclorina 14 enquanto potencial fotossensibilizador. Também foi realizado estudo de agregação por UV-vis no qual se confirmou a baixa agregação das bacterioclorinas obtidas.

Made available in DSpace on 2015-04-20T12:31:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 gabriela ferreira.pdf: 2171105 bytes, checksum: 7284a05e34ce4f40f5cadd3444c3723d (MD5) Previous issue date: 2013-06-25 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / An important source of genetic resources is microbial biodiversity for the advancement of biology and biotechnology. The present study aimed to characterize and identify microorganisms isolated from cupuaçu fruit (Theobroma grandiforum) that showed pigment production; analyze the pigments obtained by the technique of Thin Layer Chromatography in Silica Gel, High Performance Liquid Chromatography and Nuclear Magnetic Resonance; evaluate the pigment potential for human use by performing cytotoxicity assays; characterize the isolates for their potential to produce mycotoxins, and characterize the pigments obtained in relation to the presence of antioxidant activity. Were obtained 207 filamentous fungi from T. grandiflorum fruit, 85 of these showed potential for pigments production. On morphological and molecular analysis, 17 were taxonomically identified as Penicillium purpurogenum, all producers of an extracellular red pigment. The pigment was produced by the isolates in a short period of incubation in the absence or presence of light, at room temperature and on PDA. The stability assays performed showed that the pigment has high stability in relation to changes in temperature, pH and brightness, even in extreme conditions such as freezing, freeze-drying and heating in a microwave oven. Bioassays have shown that the pigment does not have antibiotic activity for testers micro-organisms (Bacillus subtilis, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Salmonella typhi and Candida albicas) and also showed no cytotoxicity against Artemia salina. It was observed that butanol fraction of the extract showed antioxidant activity. The spectroscopic and chromatographic analyzes performed indicate that this pigment belongs to anthraquinones family. It is necessary further purification of the pigment, HPLC analyzes and NMR to be redone to obtain the structural determination of the molecule. The results obtained show that the red pigment presents a great potential for use as cosmetic and food coloring. Since it has chemical stability, water solubility, antioxidant activity, production in a short time and has no toxicity. These results provided information to confirm the feasibility of natural sources for producing pigments, effectively contributing to the advancement in the use of appropriate technologies to acquire new sources of natural compounds that occurs without less or any environmental impact. / A biodiversidade microbiana representa uma fonte importante de recursos genéticos para o avanço da biologia e biotecnologia. O presente trabalho teve como objetivo caracterizar e identificar os micro-organismos isolados de frutos de cupuaçu (Theobroma grandiforum) que apresentaram produção de pigmentos; analisar os pigmentos obtidos por meio da técnica de Cromatografia em Camada Delgada de Sílica Gel, Cromatografia Líquida de Alta Eficiência e Ressonância Magnética Nuclear; avaliar o potencial para consumo humano dos pigmentos obtidos realizando ensaios de citotoxicidade; caracterizar os isolados produtores quanto ao seu potencial para a produção de micotoxinas; e caracterizar os pigmentos obtidos em relação à presença de atividade antioxidante. Foram obtidos 207 fungos filamentosos de frutos de T. grandiflorum, destes 85 apresentaram potencial para a produção de pigmentos. Em análise morfologica e molecular, 17 foram identificados taxonomicamente como Penicillium purpurogenum, todos produtores de um pigmento vermelho extracelular. O pigmento obtido foi produzido pelos isolados em curto período de incubação, na ausência ou presença de luz, em temperatura ambiente e incubação meio BDA. Os ensaios de estabilidade realizados demonstraram que o pigmento possui alta estabilidade em relação a mudanças de temperatura, pH e luminosidade, inclusive em condições extremas como congelamento, liofilização e aquecimento em forno de micro-ondas. Os bioensaios realizados demonstraram que o pigmento não possui atividade antibiótica para os micro-organismos testadores (Bacillus subtilis, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Salmonella typhi e Candida albicas), assim como também não apresentou citotoxicidade para Artemia salina. Observou-se que a fração butanólica do extrato apresentou atividade antioxidante. As análises cromatográficas e espectrométricas realizadas indicam que este pigmento seja da família das antraquinonas. Faz-se necessário nova purificação do pigmento e que as análises em CLAE e RMN sejam refeitas para obter-se a determinação estrutural da molécula. Os resultados obtidos com o pigmento vermelho demonstram que este apresenta um grande potencial para sua utilização como colorante de cosméticos e alimentos, pois possui estabilidade química, solubilidade em água, atividade antioxidante, produção em um curto espaço de tempo e não possui toxicidade. Estas análises forneceram subsídios para confirmar a viabilidade de fontes naturais produtoras de pigmentos, contribuindo efetivamente com o avanço na utilização de tecnologias apropriadas para aquisição de novas fontes de compostos naturais com pouco ou sem nenhum impacto ambiental.

Orientador: Erick Leite Bastos / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2012.