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Please use this identifier to cite or link to this item: https://tede.unioeste.br/handle/tede/4478
Tipo do documento: Tese
Title: Caulobacter crescentus: caracterização, expressão heteróloga e aplicações biotecnológicas do gene celA
Other Titles: Caulobacter crescentus: characterization, heterologe expression and biotechonological application of celA gene
Autor: Bussler , Larissa 
Primeiro orientador: Simão , Rita de Cássia Garcia
Primeiro membro da banca: Arruda , Priscila Vaz de
Segundo membro da banca: Maniglia, Thiago Cintra
Terceiro membro da banca: Sene , Luciane
Quarto membro da banca: Maller , Alexandre
Resumo: Nos últimos anos, muitos estudos têm avançado para melhorar a expressão de enzimas de interesse biotecnológico em bactérias. Inúmeras enzimas envolvidas nos mecanismos de biodegradação de materiais lignocelulósicos são produzidas por Caulobacter crescentus. Trata-se de uma bactéria aquática, gram-negativa, que sobrevive em ambientes oligotróficos e possui um único gene denominado celA, codificante de celulase (CelA) (E.C. 3.4.2.1). Assim, o gene celA (CCNA: 02310) de C. crescentus foi clonado e superexpresso em Escherichia coli. A proteína recombinante produzida foi purificada por meio de cromatografia de afinidade utilizando resina de níquel-Sepharose. Em seguida, a proteína foi submetida à caracterização bioquímica e a aplicações industriais na hidrólise de resíduos agrícolas e no biopolimento de tecido denim. Com o propósito de induzir a celulase da cepa parental de C. crescentus (NA1000), a bactéria foi crescida em meio mínimo (M2) suplementado com 1% (p/v) de palha de milho (PM) ou sabugo de milho (SM). A maior atividade celulásica de 6,44 U.mL-1 foi verificada na presença de PM, após 18 h de ensaio e 1,81 U.mL-1 em SM. Na PM, a atividade celulásica se manteve alta até 48 h, com 3,84 U.mL-1, cerca de 12 vezes superior à observada com adição de SM, no qual a atividade foi considerada nula a partir das 24 h de ensaio. O sequenciamento do gene celA clonado confirmou homologia de 99% para uma celulase de C. crescentus pertencente família 9 de glico-hidrolases (GH), segundo CAZy. De acordo com os resultados, a proteína predita codifica 625 aminoácidos e apresenta um peso molecular de 73 kDa. A superexpressão foi analisada em gel de SDS-PAGE e a proteína pura apresentou uma banda única no tamanho esperado, confirmado pela visualização de um halo de ação celulásica no gel de atividade-PAGE. A caracterização bioquímica da proteína purificada apresentou pH ótimo em 5,5, e estabilidade ao pH em 6,0, apresentando um pI teórico de 6,0. A temperatura ótima foi obtida a 40 °C e termoestabilidade da celulase apresentou um tempo de meia vida de 1 hora na temperatura ótima. Em 35 °C, a enzima perdeu cerca de 20% da sua atividade até 240 min de ensaio. A especificidade ao substrato confirmou que a enzima é CMCase preponderante, ao apresentar afinidade pela carboximeticelulose (CMC), a qual pode ser representada pela celulose amorfa. No ensaio de efeito de compostos, a adição de MnCl2 (2 mM), levou a um aumento da atividade da celulase em 70%, em contraste, em contato com o HgCl2 e AgCl2 (2 mM), a enzima reteve 50 e 40% da atividade, respectivamente. A cinética da celulase para CMC, apresentou um KM de 0,66 mg.mL-1 e VMax de 2,41 U.mg.mL-1 e um Kcat de 2,94 s-1. Para a cinética na presença do MnCl2, na concentração de 5 mM, o KM foi de 1,20 mg.mL-1 e VMax de 3,11 U.mg.mL-1, e um Kcat de 3,78 s-1. A enzima purificada em sua condições otimizadas, apresentou uma maior taxa de hidrólise da PM, produzindo 2,62 μmol.mL-1, 2,5 vezes mais que e em contato com o SM, em que produziu 1,02 μmol.mL-1 de açúcares redutores em 24 h de ensaio. A aplicação da celulase no biopolimento de tecido denim, mostrou resultados importantes ao remover fibrilas, pelos e penugens salientes de celulose das fibras do tecido, a 40 °C em pH 5,5 durante 12 h. A ação da enzima gerou uma perda de peso mínima (> 3%), de 2,43% e produziu 2,17 μmol.mL-1 de açúcar redutor no processo. As mudanças morfológicas do denim foram observadas pelas imagens de MEV (aumento de 5x), que confirmaram a ação celulásica no tecido tratado. A enzima foi caracterizada com sucesso, sendo o primeiro relato na literatura sobre celulase de C. crescentus. A aplicação da CelA nos resíduos agrícolas confirmou que a PM é uma fonte de carbono interessante para produção de açúcares fermentescíveis, pois contribui para a cadeia de produção do bioetanol. A ação no tecido denim, confirma o potencial da enzima no biotratamento de tecidos à base de algodão, sendo interessante substituto de lavagens químicas, melhorando o acabamento e qualidade de tecidos de forma econômica e ambientalmente favorável.
Abstract: In recent years, studies have advanced to improve in biotechnological interest the enzymes expression in bacteria. Numerous enzymes involved in the metabolism of lignocellulosic materials are produced by Caulobacter crescentus, a Gram-negative aquatic bacterium that survives in oligotrophic environments and has a single gene called celA encoding cellulase (E.C. 3.4.2.1). Thus, the celA gene (CCNA: 02310) from C. crescentus was cloned and overexpressed in Escherichia coli, the recombinant protein produced, was purified by affinity chromatography using nickel-Sepharose resin. The protein was then subjected to biochemical characterization and industrial applications in the hydrolysis of agricultural residues and in the Denim fabric biopolymerization. In order to induce cellulase parental strain C. crescentus (NA1000), the bacteria were cultivated in minimal medium (M2) supplemented with 1% (w/v) corn stover (CS) or corn cob (CC). The highest cellulase activity of 6.44 U.mL-1 was verified in the presence of CS after 18 h of assay and 1.81 U.mL-1 in CC. In CS, the cellulase activity remained higher to 48 h with 3.84 U.mL-1, about 12 times higher than observed with the addition of CC, in which the activity was considered null after 24 h of assay. Sequencing of cloned celA gene confirmed 99% homology to cellulase of C. crescentus, belonging to glycohydrolases (GH) family 9, according to CAZy. The predicted protein encodes 625 amino acids and has a weight mass of 73 KDa. Overexpression was analyzed by the SDS-PAGE gel, which protein purification showed a single band at the expected height, confirmed by viewing a halo of activity on the PAGE-activity gel. Biochemical characterization of the purified protein showed optimum pH and stability pH 5.5 and 6.0, respectively, with a pI of 6.0. The optimum temperature was obtained at 40 °C, and thermostability of CelA showed a half-life time of 1 hour at optimum temperature. At 35 °C, the enzyme lost about 20% of its activity within 240 minutes of assay. Substrate specificity confirmed that the enzyme is an CMCase, having affinity to carboxymethylcellulose (CMC), represented by amorphous cellulose. The addition of MnCl2 (2 mM) led to an increased cellulase activity by 70%. In contrast, contact HgCl2 and AgCl2 (2 mM) the enzyme retained only 50 and 40% activity respectively. The kinetics of CelA for CMC presented a KM of 0.66 mg.mL-1 and VMax of 2.41 U.mg.mL-1, and Kcat 2.94 s -1. For the kinetics in the presence of the MnCl2 ion, at the 5 mM concentration, the KM was 1.20 mg.mL-1 and VMax of 3.11 U.mg.mL-1, and Kcat 3.78 s -1. The enzyme purified under optimized conditions, presented a higher rate of hydrolysis of CS, producing 2,62 μmol.mL-1 , around 2,5 times greater in contact with CC produced 1.02 μmol.mL-1 of reducing sugars in 24 hours assay. The application of CelA to Denim fabric bio-polishing showed interest results for the removal of fibrils, fuzz and cellulose pills from the Denim fabric at 40 °C at pH 5.5 for 12 hours. The action of the enzyme generated a minimal weight loss (> 3%) of 2.43% and 2.17 μmol.mL-1 reducing sugar in the process. The morphological changes of Denim were observed by SEM images (increase in 5x), which confirmed the cellulase action in the treated fabric. The enzyme was successfully characterized, making this the first report in literature about cellulase C. crescentus. The enzyme cellulase application in agricultural waste confirmed that PM is an interesting carbon source for production of fermentable sugars, contributing to the bioethanol chain. The enzyme’s action in the Denim fabric confirms the potential for bio-treatment of cotton-based fabric, being an interesting substitute for chemical washes, improving the finishing and quality of fabric in an economical and environmentally friendly manner.
Keywords: Engenharia Genética
Celulase
Açúcares Redutores
Resíduos Agrícolas
Biopolimento
Genetic Engineering
Cellulase
Agricultural Waste
Fermentable Sugars
Biopolishing
CNPq areas: CIENCIAS AGRARIAS::ENGENHARIA AGRICOLA
Idioma: por
País: Brasil
Publisher: Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Sigla da instituição: UNIOESTE
Departamento: Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola
Campun: Cascavel
Citation: BUSSLER, Larissa. Caulobacter crescentus: caracterização, expressão heteróloga e aplicações biotecnológicas do gene celA. 2019. 117 f. Tese( Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel, 2019.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
URI: http://tede.unioeste.br/handle/tede/4478
Issue Date: 15-Feb-2019
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Agrícola (CVL)

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