Trypsin Inhibitor from Edible Mushroom Pleurotus floridanus Active against Proteases of Microbial Origin

Protease inhibitors can be versatile tools mainly in the fields of medicine, agriculture and food preservative applications. Fungi have been recognized as sources of protease inhibitors, although there are only few such reports on mushrooms. This work reports the purification and characterization of a trypsin inhibitor from the fruiting body of edible mushroom Pleurotus floridanus (PfTI) and its effect on the activity of microbial proteases. The protease inhibitor was purified up to 35-fold by DEAE-Sepharose ion exchange column, trypsin-Sepharose column and Sephadex G100 column. The isoelectric point of the inhibitor was 4.4, and its molecular mass was calculated as 37 kDa by SDS-PAGE and 38.3 kDa by MALDI-TOF. Inhibitory activity confirmation was by dot-blot analysis and zymographic activity staining. The specificity of the inhibitor toward trypsin was with Ki of 1.043×10−10 M. The inhibitor was thermostable up to 90 °C with maximal stability at 30 °C, active over a pH range of 4–10 against proteases from Aspergillus oryzae, Bacillus licheniformis, Bacillus sp. and Bacillus amyloliquefaciens. Results indicate the possibility of utilization of protease inhibitor from P. floridanus against serine proteases

Ethanol Production From Spent Substrate Of Pleurotus Eous

Spent substrate, the residual material of mushroom cultivation, causes disposal problems for cultivators. Currently the spent substrate of different mushrooms is used mainly for composting. Edible mushrooms of Pleurotus sp. can grow on a wide range of lignocellulosic substrates. In the present study, Pleurotus eous was grown on paddy straw and the spent substrate was used for the production of ethanol. Lignocellulosic biomass cannot be saccharified by enzymes to high yield of ethanol without pretreatment. The root cause for the recalcitrance of lignocellulosic biomass such as paddy straw is the presence of lignin and hemicelluloses on the surface of cellulose. They form a barrier and prevent cellulase from accessing the cellulose in the substrate. In the untreated paddy straw, the amount of hemicelluloses and lignin (in % dry weight) were 20.30 and 20.34 respectively and the total reducing sugar was estimated to be 5.40 mg/g. Extracellular xylanase and ligninases of P. eous could reduce the amount of hemicelluloses and lignin to 16 and 11(% dry weight) respectively, by 21st day of cultivation. Growth of mushroom brought a seven fold increase in the total reducing sugar yield (39.20 mg/g) and six fold increase in the production of ethanol (6.48 g/L) after 48hrs of fermentation, when compared to untreated paddy straw

Mikrobielle Nutzung von Ernteresten in Bodensäulen und Litterbags

Die vorliegende Arbeit untersuchte die Einflüsse der Bodenart und Einarbeitungstiefe von Streu auf die mikrobielle Nutzung und ihren Abbau. Anhand einer Kohlenstoffsequestrierung wurde die Verlagerung streubürtigen Kohlenstoffes in die Fraktionen CO2-C, SOC, extrahierbaren Kohlenstoff, Cmik und POM-C betrachtet. Aufgrund der Analyse der δ13C-CO2 Werte der Bodenrespiration, im Rahmen der Sequestrierung des streubürtigen Kohlenstoffes, war der Anteil der streubürtigen Bodenrespiration und somit die gesamte, zu erwartende Bodenrespiration bekannt. Durch die, bei der Kohlenstoffsequestrierung, ermittelten Werte konnte eine Plausibilitätsprüfung an vier Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration, auf ihre Genauigkeit und mögliche Artefakte hin, durchgeführt werden. Des Weiteren wurden in einem anschließenden Freilandversuch unter subtropischen Bedingungen die Einflüsse verschiedener Dünger und Feldfrüchte, in Abhängigkeit der Streuqualität, auf den Streuabbau und die mikrobielle Besiedelung hin untersucht. Im ersten Versuch (Kapitel 3), wurde anhand eines Säulenversuches der Einfluss der Einarbeitungstiefe, in Anhängigkeit der Bodenart, auf den Streuabbau untersucht. Dieses ist von großer Bedeutung, da auf landwirtschaftlich genutzten Flächen Streu und so genannte "Grüne Dünger" durch den Einsatz unterschiedlicher Bodenbearbeitungssysteme, wie z.B. der Kreiselegge oder dem Wendepflug, in unterschiedliche Tiefen eingearbeitet werden. Die Verlagerung streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes per Pilzhyphen, über eine Distanz von bis zu 20 cm wurde innerhalb dieser Arbeit das erste Mal gezeigt. Bisherige Studien zeigten einzig einen Transport von streubürtigem Kohlenstoff per Pilzhyphen, über eine kurze Distanz von der Detritussphäre in den angrenzenden Boden. Der höhere Anteil streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes innerhalb der von der Streuschicht weiter entfernten Schichten im sandigen Boden, im Vergleich zum lehmigen Boden zeigte, dass das feine Porenvolumen des lehmigen Bodens den Transport Streubürtigen Kohlenstoffes per Pilzhyphen grundsätzlich behindert. Diese Annahme wurde durch die stärkere Abnahme des Anteils streubürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes, mit zunehmender Entfernung zur Streuschicht, im lehmigen Boden im Vergleich zum sandigen Boden unterstützt. Es ist davon auszugehen, dass der sandige Boden zusätzlich durch die höhere Porosität eine erhöhte Sauerstoffdurchlässigkeit und somit, in den tieferen Schichten bessere Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen bietet als der lehmige Boden. Durch die Ausbreitung substratbürtigen mikrobiellen Kohlenstoffes wurde im sandigen Boden mehr streubürtiger Kohlenstoff durch Mikroorganismen inkorporiert als im lehmigen Boden. Ein weiterer Grund für die geringere Verlagerung von streubürtigem Kohlenstoff in die mikrobielle Biomasse des lehmigen Bodens ist wahrscheinlich der bessere physikalische Schutz durch den höheren Tonanteil. Durch die Einarbeitung der Streu stieg in allen Ansätzen der Gehalt an Ergosterol, welcher ein wesentlicher Indikator für die Präsenz saprotropher Pilze ist. Besonders stark ausgeprägt war der Anstieg des Ergosterolgehaltes, sowie des Ergosterol / mikrobielle Biomasse C – Quotienten, wenn Streu in die untere Schicht (15 - 20 cm) ein-gearbeitet wurde. Diese tiefenspezifischen Unterschiede wurden bisher in noch keinem weiteren Versuch beobachtet und können auf die Entwicklung unterschiedlicher pilzlicher Gemeinschaften zurück zu führen sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass pilzliche Nekromasse in den oberen Bodenschichten schneller umgesetzt wird und somit bei der Ergosterolbestimmung nicht mit erfasst wird. Da der Umsatz der pilzlichen Nekromasse im porösen sandigen Boden, aufgrund der höheren Sauerstoffverfügbarkeit und des geringeren physikalischen Schutzes, vermutlich höher ist als im lehmigen Boden, wird diese Annahme durch den im sandigen Boden geringeren Gehalt an mikrobiellen Kohlenstoff unterstützt. Wie erwartet, überstieg die Mineralisation der Streu im sandigen Boden die der im lehmigen Boden. Jedoch anders als erwartet, unterschied sich die Mineralisation in Abhängigkeit der Einarbeitungstiefe, mit einer erhöhten Mineralisation bei Einarbeitung der Streu in 0 - 5 cm Tiefe, einzig im sandigen Boden. Die Berechnung des Ertragskoeffizienten zeigte, dass die Substratsnutzungseffizienz der Mikroorganismen im sandigen Boden signifikant geringer war als die im lehmigen Boden. Die Zugabe von Streu führte in beiden Böden, verstärkt jedoch im lehmigen Boden, zu einem positiven Priming Effekt, der in beiden Bö-den stärker ausgeprägt war, als Streu in 0–5 cm Tiefe eingearbeitet wurde. Trotz Abnahme der SOC-bürtigen mikrobiellen Biomasse stieg die Mineralisation des SOC stark an. Es ist anzunehmen, dass extrazelluläre Enzyme wie Cellulase und Lignin modifizierende Enzy-me, produziert von saprotrophen Pilzen, zum Abbau von Cellolose und Lignin der Streu, zum Teil sehr effizient SOC abbauen. Im zweiten Versuch (Kapitel 4) wurde anhand des gleichen Säulenversuches (Versuch 1; Kapitel 3) der Einfluss der Entfernung von CO2-hot-spots im Boden zur Bodenoberfläche, in Abhängigkeit der Bodenart, auf vier verschiedene Methoden zur Erfassung der Bodenrespiration betrachtet. Zusätzlich wurde durch eine Plausibilitätsprüfung anhand der Kohlenstoffbilanz, basierend auf der in Versuch 1 durchgeführten Kohlenstoffsequestrierung, die Genauigkeit der vier Methoden in Abhängigkeit der Bodenart überprüft. Für beide Ansätze mit sandigem Boden zeigen IR und PAS eine deutliche Überschätzung der mit NaOH und GC bestimmten Bodenrespiration. Die Überschätzung durch IR ist dabei auf die durch die dynamische Haube verursachten Turbulenzen und deren Auswirkungen auf den porösen sandigen Boden zurück zu führen. Bei geringen Respirationsraten, wie bei der Kontrolle, zeigt die Messung mittels IR trotz Turbulenzen, verursacht durch den Ventilator der Haube, keine Überschätzung. Die Überschätzung durch PAS hingegen kann nicht auf Turbulenzen, verursacht durch die dynamische Haube, zurück geführt werden, da bei den Analysen mit PAS und GC identische Hauben, höher und größer als bei IR, eingesetzt wurden und die Bodenrespiration durch GC nicht überschätzt wurde. Im Gegensatz zu beiden sandigen Ansätzen überschätzt IR die Bodenrespiration im lehmigen Boden nicht. NaOH hingegen unterschätzt die Bodenrespiration, wenn Streu in 15-20 cm Tiefe des lehmigen Bodens eingearbeitet ist. Dieses ist dadurch zu erklären, dass, bedingt durch die geringere Porosität sowie das höhere Wasserhaltevermögen und dem daraus resultierenden geringeren Luft gefüllten Porenvolumen, die Diffusion von CO2 im lehmigen Boden langsamer ist als im sandigen Boden. Nach Absorption des CO2 der Haubenluft diffundiert das CO2 des CO2-hot-spots in 15-20 cm Tiefe, entlang des Diffusionsgradienten, aufgrund des Diffusionswiderstandes in lehmigen Boden langsamer zur Oberfläche als im sandigen Boden oder wenn der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche liegt. Da bei der Messung mit der dynamischen Haube diese nur kurz auf der Fläche verbleibt, beeinflusst der Diffusionsgradient diese Messungen nicht. Hinzukommt, dass bei den Messsystemen, die in Kombination mit der dynamischen Haube eingesetzt werden, im Gegensatz zur Absorption durch Lauge keine CO2 Abreicherung stattfindet und die Diffusion von CO2 aus dem Boden über lange Zeit bis zu hohen CO2 Konzentration in der Haube linear bleibt. Alle drei mit einer dynamischen Haube kombinierten Methoden zeigen mit Korrelations-koeffizienten zwischen 0,90 und 0,93 starke Korrelationen mit NaOH. Während PAS die Bodenrespiration im Verhältnis zu NaOH immer überschätzt, tritt eine Überschätzung durch GC nur bei Mineralisationsraten unter 500 mg m-2 h-1 und für IR bei Mineralisations-raten über 40 mg m-2 h-1 ein. Die Plausibilitätsprüfung zeigt, dass für sandigen Boden, mit NaOH und GC eine sehr exakte Wiederfindung von Kohlenstoff erreicht wird, wohingegen IR und PAS in der Wiederfindung von Kohlenstoff bei deutlich über 100 % liegen. Für den lehmigen Boden hingegen ist nach Entfernung der CO2-hot-spots zur Bodenoberfläche zu differenzieren. Befindet sich der CO2-hot-spot direkt unter der Bodenoberfläche ist die Wiederfindung von Kohlenstoff für NaOH, GC und IR sehr exakt. Befindet sich der CO2-hot-spot jedoch in 15-20 cm Tiefe, ist die Wiederfindung des Kohlenstoffes durch NaOH deutlich unter 100 %. Die Wiederfindung durch PAS liegt sowohl für den sandigen als auch für den lehmigen Boden immer deutlich über 100 %. Im dritten Versuch (Kapitel 5), wurde anhand eines Litterbag-Versuches im Norden des Omans, der Einfluss verschiedener Dünger und Feldfrüchte auf den Abbau von Streu auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in Abhängigkeit der Streuqualität betrachtet. Bei dem Großteil bisheriger Streuabbauversuche, unter gemäßigten und subtropischen Klimaten, stand der Abbau von Streu im Wald im Fokus der Betrachtung. Die wenigen Versuche zum Streuabbau auf landwirtschaftlich genutzten Flächen beschränken sich auf die gemäßigten Klimate. Wohingegen der Abbau von Streu, sowie der Einfluss von Dünger und Feldfrucht unter subtropischen Bedingungen, zum ersten mal mit der vorliegenden Arbeit fokussiert wurde. Der Verlust an organischem Material war verglichen mit Versuchen un-ter gemäßigten Klimaten, bei allen vier Streuarten, generell hoch. Der höhere Abbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu ist auf Unterschiede der Streuqualität zurückzuführen. Neben der Verwertbarkeit durch Mikroorganismen beeinflusst die Streuqualität zusätzlich die "Schmackhaftigkeit" der Streu für Organismen der Mesofauna. Wodurch ein selektiver Transport und/oder Grazing von Mikroorganismen stattfindet. Der geringere Abbau der Luzernenstreu verglichen mit Maisstreu jedoch ist nicht auf die Streuqualität sondern auf die geringere mikrobielle Besiedelung der Luzernenstreu während der Versuchszeit zurückzuführen. Der Unterschied im Grad der mikrobiellen Besiedelung kann durch die erhobenen Daten nicht erklärt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass Leguminosen Substanzen wie z.B. Polyphenole enthalten, welche die mikrobielle Biomasse und im Besonderen die pilzliche Biomasse in beachtlichem Umfang inhibitieren. Ebenso wenig ist der höhere Abbau von Weizenstreu verglichen mit Rapsstreu durch die Streuqualität zu begründen. Eine mögliche Erklärung für den geringeren Abbau der Rapsstreu kann ihr hoher Aluminium Gehalt sein. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass die Rapsstreu organische Substanzen wie Glucosinolate enthält, welche den mikrobiellen Streuabbau inhibitieren. Während der Hemicellulosegehalt am Ende des Versuches nicht durch die Streuqualität beeinflusst war, zeigten Cellulose und Lignin quali-tätsabhängige Effekte. Der stärkere Abbau von Cellulose bei Luzernen- und Maisstreu ist auf den anfänglich höheren Stickstoffgehalt zurückzuführen, wodurch die Produktion und Aktivität von Cellulose degradierenden Enzymen, wie Exo-Cellulase, Endo-Cellulase und Xylanase, anstieg. Es ist davon auszugehen, dass die Differenzen im Celluloseabbau von Luzernen- und Maisstreu im Vergleich zu Raps- und Weizenstreu, neben Unterschieden im anfänglichen Stickstoffgehalt, auf den höheren Schutz von Cellulose durch Lignin in Raps- und Weizenstreu zurückzuführen sind. Während der initial geringe Stickstoffgehalt den Ligninabbau in Raps- und Weizenstreu unterstützt, ist die relative Anreicherung von Lignin in Luzernen- und Maisstreu hingegen auf den initial hohen Stickstoffgehalt zurückzuführen. Dem entgegen hat die Zusammensetzung weiterer Nährstoffe einen sehr geringen Effekt. Es ist jedoch möglich, dass stärkere Effekte durch den Eintrag von Boden in die Litterbags durch Organismen der Mesofauna, Wurzelwachstum oder physikalische Verlagerung überdeckt werden. Während unter organische Düngung, die pilzliche Biomasse ansteigt, fördert der leicht verfügbare Stickstoff der mineralischen Düngung die Bildung bakterieller Biomasse. Der höher Gehalt an pilzlicher Biomasse unter organischer Düngung zeigte keinen generellen Effekt auf den Abbau von Kohlenstoff. Er führte jedoch zu einer Veränderung in der Streuzusammensetzung. Die verringerte Abnahme bzw. verstärkte Zunahme der Nährstoffgehalte bei organischer Düngung ist durch den Eintrag dünger-bürtiger Nährstoffe, im Besonderen durch die verstärkte Bildung pilzlicher Hyphen in die Litterbags hinein, zu erklären. Trotz höherer Gehalte an pilzlicher Biomasse war der Ligningehalt am Ende des Versuches unter organischer Düngung höher als unter mineralischer Düngung. Diese ist auf den Eintrag düngerbürtiger Pilze zurückzuführen, welche eine geringere Lignindegradierungseffizienz aufweisen. Der Einfluss der Feldfrucht auf den Streuabbau äußert sich durch höhere Gehalte mikrobieller und im Besonderen pilzlicher Biomasse, und durch geringere Gehalte an N, P, Ca, Na und K in, im Litterbag verbleiben-der Streu, unter dem Anbau von Mohrrüben. Der Anstieg der pilzlichen Biomasse führt, ebenso wie bei der organischen Düngung zu keinem generellen Anstieg der Kohlenstoffdegradation, zeigt jedoch einen selektiven Effekt auf den Abbau von Cellulose. Der Einfluss, sowohl auf die mikrobielle Biomasse, als auch auf den Nährstoffgehalt, zeigt die Bedeutung der Unterschiede im Wurzelwachstum, der Rhizodeposition sowie des Nährstoffbedarfs in Abhängigkeit der Feldfrucht. Trotz großer Unterschiede der Streuarten im anfänglichen Gehalt mikrobieller Biomasse war dieser am Ende des Versuches für alle Streuarten identisch. Dieses war Folge eines starken Anstiegs der pilzlichen Biomasse bei Luzernen- und Maisstreu sowie einer Abnahme der pilzlichen Biomasse bei Raps- und Weizenstreu, welche zuvor noch nicht beobachtet wurde. Dieses macht den Einfluss der anfänglichen mikrobiellen Biomasse auf deren Entwicklung während des Streuabbauprozesses im Boden deutlich. Es ist anzunehmen, dass ein Teil der anfänglichen pilzlichen Biomasse der Raps- und Weizenstreu, welche sich unter gemäßigten Klimaten entwickelte, unter subtropischen Bedingungen nicht überlebensfähig war. Generell war der Streuabbau durch Pilze dominiert. Es zeigte sich jedoch, dass Unterschiede im Pflanzenmaterial einen Einfluss auf die bakterielle Biomasse hatten, Unterschiede in Düngung und Feldfrucht hingegen die pilzliche Biomasse und die bakterielle Biomasse beeinflussten.

Barley oxalate oxidase is a hexameric protein related to seed storage proteins: evidence from X-ray crystallography

The oxalate oxidase enzyme expressed in barley roots is a thermostable, protease-resistant enzyme that generates H2O2. It has great medical importance because of its use to assay plasma and urinary oxalate, and it has also been used to generate transgenic, pathogen-resistant crops. This protein has now been purified and three types of crystals grown. X-ray analysis shows that the symmetry present in these crystals is consistent with a hexameric arrangement of subunits, probably a trimer of dimers. This structure may be similar to that found in the related seed storage proteins.

Effect of condensed tannins from tropical legumes on the activity of fibrolytic enzymes from the rumen fungus Neocallimastyx hurleyensis

A study was conducted to assess the effect of condensed tannins on the activity of fibrolytic enzymes from the anaerobic rumen fungus, Neocallimastix hurleyensis and a recombinant ferulic acid esterase (FAE) from the aerobic fungus Aspergillus niger. Condensed tannins were extracted from the tropical legumes Desmodium ovalifolium, Flemingia macrophylla, Leucaena leticocephala, Leucaena pallida, Calliandra calothyrsus and Clitoria fairchildiana and incubated in fungal enzyme mixtures or with the recombinant FAE. In most cases, the greatest reductions in enzyme activities were observed with tannins purified from D. ovalifolium and F macrophylla and the least with tannins from L leucocephala. Thus, whereas 40 mu g ml(-1) of condensed tannins from C. calothyrsus and L. leucocephala were needed to halve the activity of N. hurleyensis carboxymethylcellulase (CMCase), just 5.5 mu g ml(-1) of the same tannins were required to inhibit 50% of xylanase activity. The beta-D-glucosidase and beta-D-Xylosidase enzymes were less sensitive to tannin inhibition and concentrations greater than 100 mu g ml(-1) were required to reduce their activity by 50%. In other assays, the inhibitory effect of condensed tannins when added to incubation mixtures containing particulate substrates (the primary cell walls of E arundinacea) or when bound to these substrate was compared. Substrate-associated tannins were more effective in preventing fibrolytic activities than tannins added directly to incubations solutions. It was concluded that condensed tannins from tropical legumes can inhibit fibrolytic enzyme activities, although the extent of the effect was dependent on the tannin, the nature of its association with the substrate and the enzyme involved. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Influence of fibrolytic enzymes on the hydrolysis and fermentation of pure cellulose and xylan by mixed ruminal microorganisms in vitro

A series of in vitro studies was, conducted to determine the effects of adding a commercial enzyme product on the hydrolysis and fermentation of cellulose, xylan, and a mixture (1:1 wt/wt) of both. The enzyme product (Liquicell 2500, Specialty Enzymes and Biochemicals, Fresno, CA) was derived from Trichoderma reesei and contained mainly xylanase and cellulase activities. Addition of enzyme (0.5, 2.55 and 5.1 muL/g of DM) in the absence of ruminal fluid increased (P < 0.001) the release of reducing sugars from xylan and the mixture after 20 h of incubation at 20degreesC. Incubations with ruminal fluid showed that enzyme (0.5 and 2.55 muL/g of DM) increased (P < 0.05) the initial (up to 6 h) xylanase, endoglucanase, and beta-D-glucosidase activities in the liquid fraction by an average of 85%. Xylanase and endoglucanase activities in the solid fraction also were increased (P < 0.05) by enzyme addition, indicating an increase in fibrolytic activity due to ruminal microbes. Gas production over 96 h of incubation was determined using a gas pressure measurement technique. Incremental levels of enzyme increased (P < 0.05) the rate of gas production of all substrates, suggesting that fermentation of cellulose and xylan was enzyme-limited. However, adding the enzyme at levels higher than 2.55 muL/g of DM failed to further increase the rate of gas production, indicating that the maximal level of stimulation was already achieved at lower enzyme concentrations. It was concluded that enzymes enhanced the fermentation of cellulose and xylan by a combination of pre- and postincubation effects (i.e., an increase in the release of reducing sugars during the pretreatment phase and an increase in the hydrolytic activity of the liquid and solid fractions of the ruminal fluid), which was reflected in a higher rate of fermentation.

Use of fibrolytic enzymes to improve the nutritive value of ruminant diets - A biochemical and in vitro rumen degradation assessment

Two commercial enzyme products, Depol 40 (D) and Liquicell 2500 (L), were characterised from a biochemical standpoint and their potential to improve rumen degradation of forages was evaluated in vitro. Enzyme activities were determined at pH 5.5 and 39 degreesC. Analysis of the enzyme activities indicated that L contained higher xylanase and endoglucanase, but lower exoglucanase, pectinase and alpha-amylase activities than D. The Reading Pressure Technique (RPT) was used to investigate the effect of enzyme addition on the in vitro gas production (GP) and organic matter degradation (OMD) of alfalfa (Medicago sativa L.) stems and leaves. A completely randomised design with factorial arrangement of treatments was used. Both alfalfa fractions were untreated or treated with each enzyme at four levels, 20 h before incubation with rumen fluid. Each level of enzyme provided similar amounts of filter paper (D1, L1), endoglucanase (D2, L2), alpha-L-arabinofuranosidase (D3, L3) and xylanase units (D4, L4) per gram forage DM. Enzymes increased the initial OMD in both fractions, with improvements of up to 15% in leaves (D4) and 8% in stems (L2) after 12 h incubation. All enzyme treatments increased the extent of degradation (96 h incubation) in the leaf fractions, but only L2 increased final OMD in the stems. Direct hydrolysis of forage fractions during the pre-treatment period did not fully account for the magnitude of the increases in OMD, suggesting that the increase in rate of degradation was achieved through a combined effect of direct enzyme hydrolysis and synergistic action between the exogenous (applied) and endogenous (rumen) enzymes. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

In vitro evaluation of fibrolytic enzymes as additives for maize (Zea mays L.) silage - I. Effects of ensiling temperature, enzyme source and addition level

A series of experiments was completed to investigate the impact of addition of enzymes at ensiling on in vitro rumen degradation of maize silage. Two commercial products, Depot 40 (D, Biocatalysts Ltd., Pontypridd, UK) and Liquicell 2500 (L, Specialty Enzymes and Biochemicals, Fresno, CA, USA), were used. In experiment 1, the pH optima over a pH range 4.0-6.8 and the stability of D and L under changing pH (4.0, 5.6, 6.8) and temperature (15 and 39 degreesC) conditions were determined. In experiment 2, D and L were applied at three levels to whole crop maize at ensiling, using triplicate 0.5 kg capacity laboratory minisilos. A completely randomized design with a factorial arrangement of treatments was used. One set of treatments was stored at room temperature, whereas another set was stored at 40 degreesC during the first 3 weeks of fermentation, and then stored at room temperature. Silages were opened after 120 days. Results from experiment I indicated that the xylanase activity of both products showed an optimal pH of about 5.6, but the response differed according to the enzyme, whereas the endoglucanase activity was inversely related to pH. Both products retained at least 70% of their xylanase activity after 48 h incubation at 15 or 39 degreesC. In experiment 2, enzymes reduced (P < 0.05) silage pH, regardless of storage temperature and enzyme level. Depol 40 reduced (P < 0.05) the starch contents of the silages, due to its high alpha-amylase activity. This effect was more noticeable in the silages stored at room temperature. Addition of L reduced (P < 0.05) neutral detergent fiber (NDF) and acid detergent fiber (ADF) contents. In vitro rumen degradation, assessed using the Reading Pressure Technique (RPT), showed that L increased (P < 0.05) the initial 6 h gas production (GP) and organic matter degradability (OMD), but did not affect (P > 0.05) the final extent of OMD, indicating that this preparation acted on the rumen degradable material. In contrast, silages treated with D had reduced (P < 0.05) rates of gas production and OMD. These enzymes, regardless of ensiling temperature, can be effective in improving the nutritive quality of maize silage when applied at ensiling. However, the biochemical properties of enzymes (i.e., enzymic activities, optimum pH) may have a crucial role in dictating the nature of the responses. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

In vitro evaluation of fibrolytic enzymes as additives for maize (Zea mays L.) silage - II. Effects on rate of acidification, fibre degradation during ensiling and rumen fermentation

A study was carried out to determine the influence of fibrolytic enzymes derived from mesophilic or thermophilic fungal sources, added at ensiling, on time-course fermentation characteristics and in vitro rumen degradation of maize silage. The mesophilic enzyme was a commercial product derived from Trichodenna reesei (L), whereas the thermophilic enzyme was a crude extract produced from Thermoascus aurantiacus (Ta) in this laboratory. The fungus was cultured using maize cobs as a carbon source. The resulting fermentation extract was deionised to remove sugars and characterised for its protein concentration, main and side enzymic activities, optimal pH, protein molecular mass and isoelectric point. In an additional study, both enzymes were added to maize forage (333.5 g DM/kg, 70.0, 469.8, 227.1 and 307.5 g/kg DM of CP, NDF, ADF and starch, respectively) at two levels each, normalized according to xylanase activity, and ensiled in 0.5 kg capacity laboratory minisilos. Duplicate silos were opened at 2, 4, 8, 15, and 60 days after ensiling, and analysed for chemical characteristics. Silages from 60 days were bulked and in vitro gas production (GP) and organic matter degradability (OMD) profiles evaluated using the Reading Pressure Technique (RPT), in a completely randomised design. The crude enzyme extract contained mainly xylanase and endoglucanase activities, with very low levels of exoglucanase, which probably limited hydrolysis of filter paper. The extract contained three major protein bands of between 29 and 55 kDa, with mainly acidic isoelectric points. Ensiling maize with enzymes lowered (P < 0.05) the final silage pH, with this effect being observed throughout the ensiling process. All enzyme treatments reduced (P < 0.05) ADF contents. Treatments including Ta produced more gas (P < 0.05) than the controls after 24 h incubation in vitro, whereas end point gas production at 96 h was not affected. Addition of Ta increased (P < 0.01) OMD after 12 h (410 and 416 g/kg versus 373 g/kg), whereas both L and Ta increased (P < 0.05) OMD after 24 h. Addition of enzymes from mesophilic or thermophilic sources to maize forage at ensiling increased the rate of acidification of the silages and improved in vitro degradation kinetics, suggesting an improvement in the nutritive quality. (C) 2003 Elsevier B.V All rights reserved.

Localisation studies of cell-wall degrading enzymes in soybean

Postembedding immunoelectron microscopy has been used to investigate the diffusibility of an endo-beta-1,4-glucanase and a xylanase from A. niger in soybean. The results showed more specific localisation of the enzymes into the protein and lipid bodies of soybean cells. This was against our hypothesis that suggested that the enzymes should be localised in the cell wall.

Anisotropic refinement of the structure of Thermoascus aurantiacusxylanase I

The isotropic crystallographic model of the structure of xylanase I from Thermoascus aurantiacus (TAXI) has now been refined anisotropically at 1.14 Å resolution to a standard residual of R = 11.1% for all data. TAXI is amongst the five largest proteins deposited in the Protein Data Bank to have been refined with anisotropic displacement parameters (ADPs) at this level of resolution. The anisotropy analysis revealed a more isotropic distribution of anisotropy than usually observed previously. Adding ADPs resulted in high-quality electron-density maps which revealed discrepancies from the previously suggested primary sequences for this enzyme. Side-chain conformational disorder was modelled for 16 residues, including Trp275, a bulky residue at the active site. An unrestrained refinement was consistent with the protonation of the catalytic acid/base glutamate and the deprotonation of the nucleophile glutamate, as required for catalysis. The thermal stability of TAXI is reinterpreted in the light of the new refined model.

Enzymatic hydrolysis of pretreated sugar cane bagasse using Penicillium funiculosum and Trichoderma harzianum cellulases

In this study, we investigated the enzymatic hydrolysis of pretreated sugarcane bagasse using eight different enzymatic blends obtained from concentrated crude enzyme extracts produced by Penicillium funiculosum and Trichoderma harzianum as well as from the extracts in combination with a commercial enzymatic cocktail. The influence of different levels of biomass delignification, degree of crystallinity of lignicellulose, composition of enzymatic activities and BSA on enzymatic hydrolysis yields (HYs) was evaluated. Our X-ray diffraction studies showed that crystallinity of lignocellulose is not a key determinant of its recalcitrance toward enzymatic hydrolysis. In fact, under the experimental conditions of our study, an increase in crystallinity of lignocellulosic samples resulted in increased glucose release by enzymatic hydrolysis. Furthermore, under the same conditions, the addition of BSA had no significant effect on enzymatic hydrolysis. The most efficient enzyme blends were obtained by mixing a commercial enzymatic cocktail with P. funiculosum or T. harzianum cellulase preparations (HYs above 97%) followed by the concentrated extract of P. funiculosum alone (HY= 88.5%). Increased hydrolytic efficiencies appeared to correlate with having an adequate level of both beta-glucosidase and xylanase activities in the blends. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Molecular Basis of the Thermostability and Thermophilicity of Laminarinases: X-ray Structure of the Hyperthermostable Laminarinase from Rhodothermus marinus and Molecular Dynamics Simulations

Glycosyl hydrolases are enzymes capable of breaking the glycosidic linkage of polysaccharides and have considerable industrial and biotechnological applications. Driven by the later applications, it is frequently desirable that glycosyl hydrolases display stability and activity under extreme environment conditions, such as high temperatures and extreme pHs. Here, we present X-ray structure of the hyperthermophilic laminarinase from Rhodothermus marinus (RmLamR) determined at 1.95 angstrom resolution and molecular dynamics simulation studies aimed to comprehend the molecular basis, for the thermal stability of this class of enzymes. As most thermostable proteins, RmLamR contains a relatively large number of salt bridges, which are not randomly distributed on the structure. On the contrary, they form clusters interconnecting beta-sheets of the catalytic domain. Not all salt bridges, however, are beneficial for the protein thermostability: the existence of charge-charge interactions permeating the hydrophobic core of the enzymes actually contributes to destabilize the structure by facilitating water penetration into hydrophobic cavities, as can be seen in the case of mesophilic enzymes. Furthermore, we demonstrate that the mobility of the side-chains is perturbed differently in each class of enzymes. The side-chains of loop residues surrounding the catalytic cleft in the mesophilic laminarinase gain mobility and obstruct the active site at high temperature. By contrast, thermophilic laminarinases preserve their active site flexibility, and the active-site cleft remains accessible for recognition of polysaccharide substrates even at high temperatures. The present results provide structural insights into the role played by salt-bridges and active site flexibility on protein thermal stability and may be relevant for other classes of proteins, particularly glycosyl hydrolases.

Use of Experimental Design for the Optimization of the Production of New Secondary Metabolites by Two Penicillium Species

A fractional factorial design approach has been used to enhance secondary metabolite production by two Penicillium strains. The method was initially used to improve the production of bioactive extracts as a whole and subsequently to optimize the production of particular bioactive metabolites. Enhancements of over 500% in secondary metabolite production were observed for both P. oxalicum and P. citrinum. Two new alkaloids, citrinalins A (5) and B (6), were isolated and identified from P. citrinum cultures optimized for production of minor metabolites.

Presence and properties of cellulase and hemicellulase enzymes of the gecarcinid land crabs Gecarcoidea natalis and Discoplax hirtipes.

Digestive juice from the herbivorous gecarcinid land crabs Gecarcoidea natalis and Discoplax hirtipes exhibited total cellulase activity and activities of two cellulase enzymes; endo-ß-1,4-glucanase and ß-1,4-glucosidase. These enzymes hydrolysed native cellulose to glucose. The digestive juice of both species also contained laminarinase, licheninase and xylanase, which hydrolysed laminarin, lichenin and xylan, respectively, to component sugars. The pH optima of ß-1,4-glucosidase, endo-ß-1,4-glucanase and total cellulase from G. natalis were 4–5.5, 5.5 and 5.5–7, respectively. In the digestive juice from D. hirtipes, the corresponding values were 4–7, 5.5–7 and 4–9, respectively. The pH of the digestive juice was 6.69±0.03 for G. natalis and 6.03±0.04 for D. hirtipes and it is likely that the cellulases operate near maximally in vivo. In G. natalis, total cellulase activity and endo-ß-1,4-glucanase activity were higher than in D. hirtipes, and the former species can thus hydrolyse cellulose more rapidly. ß-1,4-glucosidase from G. natalis was inhibited less by glucono-D-lactone (Ki=11.12 mmol l-1) than was the ß-1,4-glucosidase from D. hirtipes (Ki=4.53 mmol l-1). The greater resistance to inhibition by the ß-1,4-glucosidase from G. natalis may contribute to the efficiency of the cellulase system in vivo by counteracting the effects of product inhibition and possibly dietary tannins. The activity of ß-1,4-glucosidase in the digestive juice of D. hirtipes was higher than that of G. natalis.