Computationally-guided thermostabilization of the primary endoglucanase from Hypocrea jecorina for cellulosic biofuel production

The creation of thermostable enzymes has wide-ranging applications in industrial, scientific, and pharmaceutical settings. As various stabilization techniques exist, it is often unclear how to best proceed. To this end, we have redesigned Cel5A (HjCel5A) from Hypocrea jecorina (anamorph Trichoderma reesei) to comparatively evaluate several significantly divergent stabilization methods: 1) consensus design, 2) core repacking, 3) helix dipole stabilization, 4) FoldX ΔΔG approximations, 5) Triad ΔΔG approximations, and 6) entropy reduction through backbone stabilization. As several of these techniques require structural data, we initially solved the first crystal structure of HjCel5A to 2.05 Å. Results from the stabilization experiments demonstrate that consensus design works best at accurately predicting highly stabilizing and active mutations. FoldX and helix dipole stabilization, however, also performed well. Both methods rely on structural data and can reveal non-conserved, structure-dependent mutations with high fidelity. HjCel5A is a prime target for stabilization. Capable of cleaving cellulose strands from agricultural waste into fermentable sugars, this protein functions as the primary endoglucanase in an organism commonly used in the sustainable biofuels industry. Creating a long-lived, highly active thermostable HjCel5A would allow cellulose hydrolysis to proceed more efficiently, lowering production expenses. We employed information gleaned during the survey of stabilization techniques to generate HjCel5A variants demonstrating a 12-15 °C increase in the temperature at which 50% of the total activity persists, an 11-14 °C increase in optimal operating temperature, and a 60% increase over the maximal amount of hydrolysis achievable using the wild type enzyme. We anticipate that our comparative analysis of stabilization methods will prove useful in future thermostabilization experiments.

Seleção de fungos endofíticos isolados do guaranazeiro com potencial para o controle biológico de Fusarium decemcellulare.

O guaranazeiro (Paullinia cupana var. sorbilis) é cultivado na maioria dos estados da região Norte, destacando-se o Amazonas, e nos estados de Mato Grosso e da Bahia, o principal produtor. No Amazonas, entre as doenças que afetam o guaranazeiro, o superbrotamento (Fusarium decemcellulare) é uma das mais importantes. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi selecionar fungos endofíticos do guaranazeiro com potencial para controlar o F. decemcellulare.

Potencial de hidrolisado de peixe para o controle de fitopatógenos.

Os produtos obtidos da fermentação de pescados marinhos frescos registrados como fertilizantes orgânicos são ricos em nutrientes, possuem em sua composição quitina e quitosana, podendo-se constituir em um produto alternativo adequado para o controle de fitopatógenos. O objetivo deste trabalho foi estudar o potencial de um hidrolisado de peixe em controlar o oídio em abobrinha, F. oxysporum f. sp. lycopersici raça 3 em tomate e Pythium spp. em pepino. Nesse sentido, um fertilizante orgânico obtido da fermentação de resíduos de pescados marinhos frescos foi pulverizado semanalmente nas plantas de abobrinha, com o auxílio de um compressor de pintura 10 1b/pol2 m a 0%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% e 10% (v/v) para o controle do oídio. Este mesmo fertilizante foi incorporado ao substrato nas concentrações de 0%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% e 100% (por volume de água necessária para atingir a capacidade de campo), em experimento realizado dentro e fora de casa de vegetação. Outros experimentos realizados avaliaram a eficiência do hidrolisado de peixe no controle do tombamento causado por Pythium spp., em pepino e a murcha-de-fusário causada por Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici raça 3, em tomate. Os experimentos foram realizados em casa de vegetação e o delineamento experimental foi inteiramente casualizado, com dez repetições por tratamento. Para o pepino, foi utilizada a técnica de estimular a população original do solo com aveia. Assim, o hidrolisado de peixe foi incorporado ao solo dez dias após a mistura com aveia, em concentrações de 0%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% e 100% do volume de água, para atingir a capacidade de campo do solo e com incubação aberta e fechada. Após dez dias de incubação, 200 ml da mistura foram adicionados ao colo das plantas de pepino no estádio de 2° folhas verdadeiras. A avaliação foi realizada após cinco dias, determinando-se o número de plântulas tombadas. O hidrolisado de peixe, tanto pulverizado na folhas quanto incorporado no substrato, não controlou o oídio da abobrinha. Por outro lado, pode ser observado o efeito do hidrolisado de peixe no desenvolvimento das plantas e no desenvolvimento de Trichoderma no substrato. A partir da concentração de 30%, não houve tombamento de plantas. Por outro lado, o tombamento foi de 100% para os tratamentos com 0 e 5% do fertilizante. Para o experimento do Fusarium, foram utilizados três isolados da raça 3 de Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (isolados 145, 146 e 149). Após a infestação, o substrato foi incubado por quinze dias com o hidrolisado de peixe e foi incorporado ao substrato nas seguintes concentrações: 0%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40% e 50% volume de água necessária para atingir a capacidade de campo. Uma muda de tomate cultivar Santa Clara suscetível à raça 3 com 30 dias de idade, foi transferida para cada vaso. A severidade da doença foi avaliada após 40 dias, por meio de escala de notas para escurecimento vascular e sintomas externos. De modo geral, todas as doses do hidrolisado de peixe reduziram, significativamente, a severidade da doença.

Enzyme Optimization for Lignocellulose Hydrolysis using Mechanistic Modeling

A novel mechanistic model for the saccharification of cellulose and hemicellulose is utilized to predict the products of hydrolysis over a range of enzyme loadings and times. The mechanistic model considers the morphology of the substrate and the kinetics of enzymes to optimize enzyme concentrations for the enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose simultaneously. Substrates are modeled based on their fraction of accessible sites, glucan content, xylan content, and degree of polymerizations. This enzyme optimization model takes into account the kinetics of six core enzymes for lignocellulose hydrolysis: endoglucanase I (EG1), cellobiohydrolase I (CBH1), cellobiohydrolase II (CBH2), and endo-xylanase (EX) from Trichoderma reesei; β-glucosidase (BG), and β-xylosidase (BX) from Aspergillus niger. The model employs the synergistic action of these enzymes to predict optimum enzyme concentrations for hydrolysis of Avicel and ammonia fiber explosion (AFEX) pretreated corn stover. Glucan, glucan + xylan, glucose and glucose + xylose conversion predictions are given over a range of mass fractions of enzymes, and a range of enzyme loadings. Simulation results are compared with optimizations using statistically designed experiments. BG and BX are modeled in solution at later time points to predict the effect on glucose conversion and xylose conversion.

Elevada concentração de CO2 atmosférica: efeitos na brusone e comunidade bacteriana associada ao arroz.

2008

Fungos associados ao escurecimento da madeira em paricá.

O paricá (Schizolobium parahyba var. amazonicum (Huber ex Ducke) Barneby) é uma espécie de potencial madeireiro e alternativa para reflorestamento de recuperação de áreas degradadas. Sua ocorrência é restrita à Bacia Amazônica, no Brasil, Bolívia e Venezuela. No Brasil, ocorre em mata primária e secundária de terra-firme e várzea alta. Muitos fungos têm sido relatados causando doenças nesta cultura. Em amostras de madeira provenientes de plantios do município de Vigia-PA observou-se a presença de manchas escurecidas associadas à fungos. Assim, o trabalho teve como objetivo identificar os fungos associados ao escurecimento da madeira de paricá por meio de PCR, seguido do sequenciamento do DNA. Para isso, amostras de tecido doente de paricá foram plaqueados em ágar-água. Posteriormente, os fungos foram repicados para meio BDA e mantidos a temperatura ambiente. Foi realizada a extração de DNA para a realização do PCR utilizando os primers ITS4 e ITS5 e posteriormente o sequenciamento nucleotídico. Os produtos do PCR foram avaliados utilizando o programa Blastn, onde foi permitido apenas a identificação dos gêneros dos fungos Lasiodiplodia sp., Fusarium sp., Trichoderma sp. e Rhizoctonia sp. Outros dois fungos não foram identificados.

Desenvolvimento de substrato supressivo à murcha do crisântemo causada por Fusarium oxysporum.

A murcha de Fusarium spp. em crisântemo é responsável por sérios prejuízos à cultura no Brasil. Uma alternativa para o seu controle é o uso de substrato supressivo, o qual pode ser obtido pela adição de fontes de matérias orgânicas. Dessa forma, o presente trabalho teve por objetivo desenvolver um substrato supressivo à murcha do Fusarium em crisântemo com a introdução de matéria orgânica aos substratos padrões. Para tanto, lodo de esgoto e lodo de esgoto compostado; torta de mamona; esterco suíno; cama aviária; compostos comerciais LanziC); casca de camarão, biofertilizante e hidrolisado de peixe foram incorporados a substratos à base de casca de Pinus e de turfa em diferentes concentrações e combinações. Os experimentos foram realizados em propriedade produtora de crisântemo Bola-belga com problemas de Fusarium. Em todos os experimentos o número mínimo de repetições foi de 20 vasos por tratamento. Transcorridas 8, 12, 15 e 20 semanas do transplantio foi avaliada a severidade da doença por uma escala de notas de O para planta sadia a 5 para planta morta. Com os dados foram calculadas as áreas abaixo da curva de progresso da severidade da murcha de Fusarium. Além disso, foram realizadas análises dos atributos químicos e da atividade microbiana dos substratos bem como do desenvolvimento das plantas. O lodo de esgoto, lodo de esgoto compostado e a cama aviária induziram a supressividade do substrato à base de casca se Pinus e de turfa, controlando a murcha de Fusarium. O Lanzi®, também foi supressivo ao patógeno. A casca de camarão e o composto Lanzi® também induziram a supressividade dos substratos. Por outro lado, esterco suíno, torta de mamona, hidrolisado de peixe, quitosana e Trichoderma asperellum não interferiu na supressividade à doença. Substratos obtidos com lodo de esgoto e cama aviária, em mistura ou não, nas concentrações de 10, 20 e 30% (v/v) foram os mais adequados do ponto de vista de indução de supressividade e qualidade do produto, sendo os substratos recomendados para uso pelo agricultor. A supressividade observada nos substratos foi devido à união de características químicas e biológicas obtidas com a introdução das matérias orgânicas.