Estudos de proteômica, estruturais e funcionais de proteínas envolvidas na degradação da biomassa lignocelulósica: expansinas microbianas e hidrolases de glicosídeos termofílicas

O Brasil possui uma posição privilegiada quando se refere à produção de etanol. Por questões históricas e geográficas o país é responsável por mais de 30 % da produção mundial de etanol, com uma produção nacional de mais de 28 bilhões de litros em 2014. Para maximizar o rendimento desse processo, está em desenvolvimento a tecnologia associada ao etanol de segunda geração ou etanol lignocelulósico. Os principais desafios desta tecnologia são: melhorar a eficiência de conversão do substrato em produto e a produção em grande escala utilizando substratos de baixo custo. Com o objetivo de melhorar a eficiência do processo de conversão foram estudadas proteínas auxiliares (expansinas) que, em conjunto com celulases, melhoram a despolimerização de biomassa lignocelulósica em açúcares fermentescíveis. Além disso, realizou-se também a caracterização de enzimas ativas de carboidratos (CAZymes) de origem termofílica do organismo Thermogemmatispora sp. T81, devido a capacidade que estas proteínas apresentam de manter a atividade e conformação estrutural em altas temperaturas por um prolongado período de tempo. A partir de análises utilizando bioinformática, os genes que codificam para expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei foram clonados e expressos em E. coli, e seus produtos gênicos (as expansinas) tiveram seus índices de sinergismo (devido atuação conjunta com coquetéis comerciais) e atividade catalítica determinados. Adicionalmente, dispondo de alinhamentos estruturais, foi proposto um mecanismo hidrolítico para elas. Em relação à bactéria Thermogemmatispora sp. T81, foram realizadas análises genômicas e proteômicas, a fim de selecionar enzimas superexpressas em meio celulósico. Seus genes foram clonados heterologamente em E. coli e o produto de expressão caracterizado bioquimicamente (cromatografia, ensaios de atividade e perfil de hidrólise) e estruturalmente (SAXS e dicroísmo circular). Os índices de sinergismo determinados foram de 2,47; 1,96 e 2,44 para as expansinas de Xanthomonas campestris, Bacillus licheniformis e Trichoderma reesei, respectivamente. A partir dos alinhamentos estruturais foi proposto a díade Asp/Glu como sitio catalítico em expansinas. As análises de proteômica possibilitaram a seleção de quatro alvos de clonagem, por apresentarem alto índice de expressão quando a bactéria foi cultivada em meio celulósico. Estas proteínas foram caracterizadas quanto a atividade e apresentaram um perfil comum: temperatura ótima de ação (de 70 a 75 °C), pH ótimo de 5, e hidrolisam preferencialmente substratos hemicelulósicos (xilano). A porcentagem de estruturais secundárias das proteínas em estudo foram confirmadas com predições teóricas ao se utilizar a técnica de dicroísmo circular. Desta maneira, os objetivos iniciais propostos neste projeto foram concluídos com a determinação do grau de sinergismo das proteínas expansinas em estudo e a proposição de um mecanismo de hidrólise para as mesmas, considerando que tais proteínas por mais de 20 anos tiveram sua atividade definida exclusivamente como acessória. Além disso, este estudo contribui com a identificação e seleção de genes para CAZymes termofilícas com aplicação biotecnológica devido às propriedades termoestáveis apresentadas.

Degradação de Ocratoxina a: estudo de processo e toxicidade

A ocratoxina A (OTA), micotoxina encontrada em diferentes níveis e em diversas matrizes, apresenta efeitos carcinogênicos, nefrotóxicos e teratogênicos. O desenvolvimento de métodos capazes de diminuir esta contaminação a níveis permitidos pela legislação é incentivado e os processos biológicos utilizados envolvem o uso de enzimas e/ou microrganismos para degradação da OTA e são preferenciais pela especificidade, bem como pelas condições brandas para a detoxificação. O objetivo do trabalho foi estudar a ação de carboxipeptidase A nos níveis e na toxicidade de OTA, visando aplicar a técnica para detoxificar farinhas de trigo. Primeiramente foi estimado o risco de exposição à ocratoxina A pelo consumo de farinhas de trigo. Para isso foram estabelecidas condições de determinação de OTA em farinhas de trigo, empregando técnicas de estatística multivariada para definir os principais interferentes na extração de OTA pelo método de QuEChERS e detecção em CLAE-FL. O método validado permitiu a avaliação da ocorrência natural em 20 amostras de farinha de trigo, estando estas contaminadas na faixa de 0,22 a 0,85 µg.kg-1 , apresentando um valor de ingestão diária de 0,08 ngOTA.dia-1 .kgmassacorpórea -1 e uma disponibilidade de 94,4%. Em seguida foi realizada a padronização da extração de carboxipeptidase A em biomassa de Rhizopus oryzae que consistiu em agitação ultrassônica durante 30 minutos numa potencia fixa de 150 W e 40 kHz e a triagem de agentes biológicos para degradação de OTA. Para o estudo da degradação in vitro de OTA, método de extração e detecção de OTA e OTα em CLAEFL foi validado e o processo de degradação foi realizado com Rhizopus oryzae e Trichoderma reesei, obtendo-se uma redução máxima de 63,5% e 57,7%, respectivamente. A degradação apresentou uma correlação alta (R>0,9) e significativa (p<0,05) com a produção de Otα, indicando que ocorreu a produção de enzimas capazes de hidrolisar a micotoxina, por exemplo, a carboxipeptidase A. O estudo da toxicidade de OTA e seu metabólito OTα foi realizado em neutrófilos humanos, onde foi observado a ausência de efeito tóxico de OTα. Também foi determinado o mecanismo de toxicidade de OTA pelo aumento de Ca2+ intracelular pela liberação a partir das reservas internas. Esta liberação, subsequentemente, provoca uma cascata de eventos, nomeadamente: a produção de espécies reativas, depleção de ATP, perda de ΔΨm, levando à morte por necrose. Para reduzir o risco de exposição à micotoxina pela ingestão de matéria prima contaminada, carboxipeptidase A extraída de diferentes fontes foi aplicada na hidrólise de OTA em farinha de trigo para posterior determinação do conteúdo residual de OTA e OTα, empregando método validado. O estudo mostrou uma redução de OTA entre 16,8 e 78,5% e produção de OTα entre 2 a 8,2 ng.g-1 . As carboxipeptidases mais promissoras para degradação foram as provenientes de Rhizopus e Trichoderma e a carboxipeptidase comercial. Ficou demonstrado que se pode recomendar a aplicação de enzimas proteolíticas, tipo carboxipeptidase, para reduzir o risco de exposição à micotoxina quando utilizada matéria prima contaminada, por exemplo, farinha de trigo para diferentes processos. A transformação de OTA para OTα e seus efeitos na redução da toxicidade da micotoxina corroboram com esta afirmação.

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.

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.