Production and biochemical characterization of fungal enzymes lignocellulolytic and its application in saccharification of biomass lignocellulosic

Atualmente há grande interesse no desenvolvimento de processos enzimáticos eficientes para a hidrólise da biomassa lignocelulósica. O objetivo deste trabalho foi a otimização da produção por fermentação em estado sólido e a caracterização bioquímica, no extrato bruto, das -glucosidases, -xilosidases e xilanases produzidas por Colletotrichum graminicola e das lacases produzidas por Pycnoporus sanguineus. Também foi avaliado o potencial de aplicação dos extratos obtidos em coquetéis enzimáticos para a sacarificação de resíduos agroindustriais. A otimização das condições de cultivo, empregando a Metodologia de Superfície de Resposta, levou à produção de 159,3 ± 12,7 U g-1, 125,88 ± 6,4 U g-1, 378,1 ± 23,3 U g-1 e 138,6 ± 6,4 U g-1 de -glucosidases, -xilosidases, xilanases e lacases, respectivamente. Os meios de cultivo empregados foram constituídos por farelo de trigo suplementado com resíduos agroindustriais. Todas as enzimas produzidas apresentaram pH e temperatura ótimos de reação de 4,5-5,0 e 65ºC, respectivamente, bem como boa estabilidade térmica e ao pH. O coquetel composto pelos extratos brutos obtidos em condições otimizadas para a produção de xilanases (ECg) e lacases (EPs), em mistura com um extrato bruto de Trichoderma reesei rico em celulases (ETr) foi muito eficiente na sacarificação de palha de cana e papelão, sem pré-tratamento, atingindo rendimentos de 41,4 e 71,1% em glicose, respectivamente. Além disso, este coquetel foi mais eficiente na sacarificação de bagaço de cana explodido e in natura bem como de palha de cana in natura, quando comparado a um coquetel contendo celulases comerciais (Celluclast®) em mistura com ECg e EPs. Visando estudos futuros da ação individual de cada enzima sobre a biomassa, foi purificada uma -glucosidase majoritária de C. graminicola. A enzima mostrou temperatura e pH ótimos de reação de 5,0 e 65ºC, respectivamente, boa estabilidade térmica e ao pH, além da estimulação por xilose, propriedade muito interessante para emprego em coquetéis mistos de celulases e xilanases. Os resultados encontrados sugerem que as enzimas produzidas por C. graminicola e P. sanguineus, assim como os coquetéis enzimáticos avaliados, apresentam características muito interessantes para aplicações biotecnológicas, particularmente em processos de sacarificação da biomassa para obtenção de etanol celulósico.There is currently a great interest in developing efficient processes for the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass. The objective of this study was the optimization of the culture conditions for the production of -glucosidases, xylanases and -xylosidases by Colletotrichum graminicola and laccases by Pycnoporus sanguineus under solid state fermentation, followed by the biochemical characterization of the enzymes in the crude extracts. The potential of application of the extracts to compose enzyme cocktails for the saccharification of agroindustrial residues was also investigated. Optimization of the culture conditions using the Response Surface Methodology led to the production of 159.3 ± 12.7 U g - 1, 125.88 ± 6.4 U g- 1, 378.1 ± 23.3 U g - 1 and 138.6 ± 6.4 U g - 1 of -glucosidases, -xylosidases, xylanases and laccases, respectively. The culture media employed consisted mainly of wheat bran, supplemented with agroindustrial residues. All enzymes produced showed optimum pH and temperature of 4.5-5.0 and 65° C, respectively, as well as good thermal and pH stability. A cocktail composed of the crude extracts obtained under optimized conditions for the production of xylanases (ECg) and laccases (EPs), mixed with a Trichoderma reesei crude extract (ETr), rich in cellulases, was highly efficient for the saccharification of sugarcane trash and cardboard, without pretreatment, reaching yields of 41.4% and 71.1% in glucose, respectively. Moreover, this cocktail was more efficient than a cocktail composed of commercial cellulases (Celluclast ®) in combination with ECg and EPs for the saccharification of raw and steam exploded sugarcane bagasse, as well as raw sugarcane trash. Aiming future studies on the individual action of each enzyme on biomass, a majoritary -glucosidase from C. graminicola was purified. The enzyme showed optima of temperature and pH of 5.0 and 65° C, respectively, good thermal and pH stability, as well as stimulation by xylose, a very interesting property for its application in mixed cellulase-xylanase cocktails. The results suggested that the enzymes produced by C. graminicola and P. sanguineus, as well as the cocktails employed in this study, have good potential for biotechnological applications, particularly in biomass saccharification processes for cellulosic ethanol production

Cloning, expression, purification and structural studies of the carbohydrate-recognition domains (CRDs) of human galectin-4

A família das galectinas compreende um grupo de lectinas cujos domínios de reconhecimento de carboidratos (CRDs) possuem afinidade específica para ß-galactosídeos. Estas se encontram amplamente distribuídas em células normais e neoplásicas de diferentes organismos e estão envolvidas em uma grande diversidade de mecanismos celulares. As galectinas têm sido foco de estudos recentes, principalmente pelo seu envolvimento em processos inflamatórios e neoplásicos, entretanto, muitas perguntas sobre as interações com diferentes carboidratos, a especificidade destas interações e o papel específico das galectinas em inflamação, adesão celular, progressão tumoral e metástase permanecem ainda sem resposta. O presente projeto focou os estudos estruturais dos domínios de reconhecimento de carboidratos (CRDs) da galectina-4 humana (HGal-4). Nosso trabalho envolveu a clonagem, expressão, purificação dos domínios de reconhecimento de carboidratos (CRD-I e CRD-II) de forma independente. O domínio CRD-I da HGal-4 foi cristalizado e sua estrutura determinada por técnicas de cristalografia de raios-X a 2 Å de resolução. A estrutura cristalográfica do domínio CRD-I da galectina-4 humana possue duas folhas- compostas de seis fitas (S1- S6) e cinco fitas (F1-F6) enoveladas na forma de um -sanduiche. Uma comparação estrutural entre membros da classe das galectinas mostra que este enovelamento global dos CRDs é conservado e que e a diferença em especificidade pelos carboidratos observado pelas diferentes galectinas é consequência de mutações pontuais de aminoácidos. Os resultados obtidos no desenvolvimento do presente projeto serão utilizados como uma ferramenta importante para o entendimento de processos celulares que envolvem a galectina-4 humana, como inflamação, progressão celular e metástase, e conseqüentemente, contribuir para o planejamento de novas estratégias de diagnóstico e tratamento de neoplasias.The galectin family comprises a group of lectins where the carbohydrate-recognition domains (CRDs) display specific affinity for ß-galactosides. They are widely distributed in normal and neoplasic cells of different organisms and are involved in a great diversity of cellular mechanisms. The galectins have been focus of recent studies, mainly for their involvement in inflammatory and neoplasic processes, however, many questions about the interactions with different carbohydrates, the specificity of these interactions and the specific role of the galectins in inflammation, cell adhesion, tumor progression and metastasis remain unanswered.The present project focused the strctural studies of human galectin-4 (HGal-4) carbohydrate-recognition domains (CRDs). Our work involved the independent cloning, heterologous expression and purification of both carbohydrate-recognition domains (CRD-I and CRD-II). The HGal-4 CRD-I domain has been successfully crystallized and its structure solved by X-ray crystallography techniques at 2 Å resolution. The crystallographic structure of HGal-4 CRD-I domain comprises two -sheets containing six (S1- S6) and five strands (F1-F6) each packed as a -sandwich domain. A structural comparison among members of galectin class of proteins shows that this folding is highly conserved and that the difference in specificity for carbohydrate molecules is consequence of punctual aminoacid mutations. Our results will be used as an important tool towards a better understanding of cellular processes such as inflammation, cell progression and metastasis, and consequently, contribute for the development of new strategies for diagnosis and treatment of neoplasies

Production of a xylose-stimulated beta-glucosidase and a cellulase-free thermostable xylanase by the thermophilic fungus Humicola brevis var. thermoidea under solid state fermentation

Humicola brevis var. thermoidea cultivated under solid state fermentation in wheat bran and water (1:2 w/v) was a good producer of beta-glucosidase and xylanase. After optimization using response surface methodology the level of xylanase reached 5,791.2 +/- A 411.2 U g(-1), while beta-glucosidase production was increased about 2.6-fold, reaching 20.7 +/- A 1.5 U g(-1). Cellulase levels were negligible. Biochemical characterization of H. brevis beta-glucosidase and xylanase activities showed that they were stable in a wide pH range. Optimum pH for beta-glucosidase and xylanase activities were 5.0 and 5.5, respectively, but the xylanase showed 80 % of maximal activity when assayed at pH 8.0. Both enzymes presented high thermal stability. The beta-glucosidase maintained about 95 % of its activity after 26 h in water at 55 A degrees C, with half-lives of 15.7 h at 60 A degrees C and 5.1 h at 65 A degrees C. The presence of xylose during heat treatment at 65 A degrees C protected beta-glucosidase against thermal inactivation. Xylanase maintained about 80 % of its activity after 200 h in water at 60 A degrees C. Xylose stimulated beta-glucosidase activity up to 1.7-fold, at 200 mmol L-1. The notable features of both xylanase and beta-glucosidase suggest that H. brevis crude culture extract may be useful to compose efficient enzymatic cocktails for lignocellulosic materials treatment or paper pulp biobleaching.Conselho de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico (CNPq)Conselho de Desenvolvimento Cientifico e Tecnologico (CNPq)Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP)Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP)Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES)Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES