Explorando novas estratégias para a despolimerização de polissacarídeos da parede celular vegetal: da estrutura, função e desenho racional de hidrolases glicosídicas às implicações biológicas e potenciais aplicações biotecnológicas

• Processo: 15/26982-0
• Linha de fomento: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Vigência: 01 de fevereiro de 2017 - 31 de janeiro de 2022
• Área do conhecimento: Ciências Biológicas - Biofísica - Biofísica Molecular
• Pesquisador responsável: Mário Tyago Murakami
• Beneficiário: Mário Tyago Murakami
• Instituição-sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (Brasil). Campinas, SP, Brasil
• Pesquisadores principais: Roberto Ruller
• Pesq. associados: Camila Ramos dos Santos ; Celso Eduardo Benedetti ; Leticia Maria Zanphorlin ; Paulo Sergio Lopes de Oliveira ; Priscila Oliveira de Giuseppe
• Auxílios(s) vinculado(s): 18/18991-7 - XIII seminário brasileiro de tecnologia enzimática - ENZITEC 2018, AR.BR; 18/04505-3 - Inovações aplicada a enzimas, polissacarídeos de plantas, química e bioquímica de carboidratos, AV.EXT; 17/14310-2 - Cellulases & Other Carbohydrate-Active Enzymes, AR.EXT
• Bolsa(s) vinculada(s): 18/02865-2 - Investigação molecular de novas xilose isomerases para aplicação na fermentação de materiais lignocelulósicos, BP.DD; 17/14253-9 - Avaliação do potencial biotecnológico do sistema celulolítico de Xanthomonas axonopodis pv. citri: uma abordagem estrutural, funcional e aplicada, BP.PD; 16/19995-0 - Análise da diversidade estrutural e funcional das enzimas pertencentes à família GH43 em Xanthomonas axonopodis pv. citri: implicações biológicas e possíveis aplicações biotecnológicas, BP.PD; 17/00203-0 - Estudos das bases moleculares do sistema de degradação e utilização de mananas do fitopatógeno Xanthomonas axonopodis pv. citri, BP.DD; 16/06509-0 - Entendimento do sistema enzimático envolvido na degradação e utilização de xiloglicanas do fitopatógeno Xanthomonas axonopodis pv citri, BP.PD
• Assunto(s): Engenharia molecular Química de macromoléculas Cristalografia de raios X Parede celular vegetal Enzimologia Carboidratos Hidrolases

Resumo

A parede celular vegetal constitui uma importante barreira física contra patógenos e estresse químico e físico para as plantas e é formada essencialmente por polissacarídeos de grande importância biológica e industrial. Entretanto, o desafio de desmontar a parede celular vegetal e posteriormente despolimerizar estes polissacarídeos em açucares simples ainda não é um processo totalmente consolidado e economicamente viável para diversas aplicações industriais como, por exemplo, na produção de biocombustíveis. Em muitos casos, como na indústria têxtil e do papel, processos químicos são amplamente empregados em face do baixo custo; porém, há um grande impacto ambiental. Assim, desenvolver e descobrir novas estratégias e processos bioquimicamente mais eficientes para degradação e modificação de polissacarídeos vegetais são de grande interesse econômico. Além disso, existe um forte apelo biológico em relação as hidrolases glicosídicas (GHs) devido a participação direta em vários eventos fisio-(pato)-lógicos como na interação planta-patógeno, no ciclo do carbono e na homeostase celular de plantas. Apesar dos grandes avanços na área de Enzimologia de Carboidratos, nosso conhecimento ainda é limitado diante do vasto universo das GHs. Apenas uma fração muito pequena do repertório da natureza é conhecida e isso é evidenciado pela pequena taxa de enzimas caracterizadas em relação ao total de sequências conhecidas. Das mais de 330.000 GHs classificadas no banco de dados CAZy, apenas 2% já foram estudadas do ponto de vista bioquímico e menos ainda do ponto de vista estrutural. Dentre os diversos nichos praticamente inexplorados, destacam-se o amplo e diversos arsenal de GHs de alguns fitopatógenos e as enzimas pertencentes a subfamílias ainda desconhecidas. A bactéria causadora do cancro cítrico (Xanthomonas axonopodis pv. citri; Xac), por exemplo, possui em seu genoma mais de 100 genes de GHs (45 famílias), apesar de não realizar maceração massiva da parede celular vegetal. Comparada a outras espécies do mesmo gênero, como Xanthomonas albinieans (56 GHs, 32 famílias), observa-se uma expansão tanto na quantidade quanto na diversidade de GHs em Xac, sugerindo um importante papel para essas enzimas em sua adaptação às plantas cítricas. Porém, a função bioquímica e fisiológica desse vasto repertório enzimático ainda é pouco compreendida e nosso grupo de pesquisa tem sido pioneiro em demonstrar o seu potencial biotecnológico. Em um estudo recente, desenvolvemos uma endoxilanase quimérica altamente eficiente a partir da caracterização e do redesenho racional de uma exo-enzima de baixa eficiência de Xac, a qual teve sua patente aplicada para usos industriais. Além do viés de estudos funcionais e estruturais para GHs de determinadas espécies, um levantamento de literatura mostra claramente a forma redundante que estes estudos vêm sendo conduzidos dentro das diversas famílias de GHs. Segundo análises filogenéticas e por redes de similaridade, vários clusters isofuncionais (subfamílias) ainda permanecem desconhecidos do ponto de vista funcional e estrutural. Esses clusters isofuncionais - como já demonstrados para as famílias 5, 13, 16 e 43 - exibem uma gama de atividades e modos de ação, sendo o conhecimento de poucos membros da família insuficiente para revelar toda a diversidade funcional contida nas subfamílias, que geralmente apresentam identidade sequencial inferior a 30% entre si. Portanto, neste projeto visamos explorar e entender, ao nível mecanístico, a diversidade funcional das GHs de nichos ainda pouco explorados como o fitopatógeno Xac e subfamílias inéditas das famílias 5 e 128. Para tanto, utilizaremos uma abordagem multidisciplinar que integrará estudos evolutivos, bioquímicos e estruturais, visando fornecer resultados que potencialmente revelarão novas estratégias para a despolimerização da parede celular vegetal e gerarão dados instrumentais para o uso racional e aperfeiçoado de GHs para fins industriais. (AU)

Publicações científicas

(8)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

ZANPHORLIN, LETICIA MARIA; BUENO DE MORAIS, MARIANA ABRAHAO; DIOGO, JOSE ALBERTO; DOMINGUES, MARIANE NORONHA; MOREIRA DE SOUZA, FLAVIO HENRIQUE; RULLER, ROBERTO; MURAKAMI, MARIO TYAGO. Structure-guided design combined with evolutionary diversity led to the discovery of the xylose-releasing exo-xylanase activity in the glycoside hydrolase family 43. Biotechnology and Bioengineering, v. 116, n. 4, p. 734-744, APR 2019. Citações Web of Science: 0.

SANTOS, CLELTON A.; MORAIS, MARIANA A. B.; TERRETT, OLIVER M.; LYCZAKOWSKI, JAN J.; ZANPHORLIN, LETICIA M.; FERREIRA, JAIRE A.; TONOLI, CELISA C. C.; MURAKAMI, MARIO T.; DUPREE, PAUL; SOUZA, ANETE P. An engineered GH1 ss-glucosidase displays enhanced glucose tolerance and increased sugar release from lignocellulosic materials. SCIENTIFIC REPORTS, v. 9, MAR 20 2019. Citações Web of Science: 0.

CORDEIRO, ROSA LORIZOLLA; SIQUEIRA PIROLLA, RENAN AUGUSTO; PERSINOTI, GABRIELA FELIX; GOZZO, FABIO CESAR; DE GIUSEPPE, PRISCILA OLIVEIRA; MURAKAMI, MARIO TYAGO. N-glycan Utilization by Bifidobacterium Gut Symbionts Involves a Specialist beta-Mannosidase. Journal of Molecular Biology, v. 431, n. 4, p. 732-747, FEB 15 2019. Citações Web of Science: 0.

BERTO, GABRIELA LEILA; VELASCO, JOSMAN; CABOS RIBEIRO, CAIO TASSO; ZANPHORLIN, LETICIA MARIA; DOMINGUES, MARIANE NORONHA; MURAKAMI, MARIO TYAGO; POLIKARPOV, IGOR; DE OLIVEIRA, LEANDRO CRISTANTE; FERRAZ, ANDRE; SEGATO, FERNANDO. Functional characterization and comparative analysis of two heterologous endoglucanases from diverging subfamilies of glycosyl hydrolase family 45. Enzyme and Microbial Technology, v. 120, p. 23-35, JAN 2019. Citações Web of Science: 0.

DOMINGUES, MARIANE NORONHA; MOREIRA SOUZA, FLAVIO HENRIQUE; VIEIRA, PLINIO SALMAZO; BUENO DE MORAIS, MARIANA ABRAHAO; ZANPHORLIN, LETICIA MARIA; DOS SANTOS, CAMILA RAMOS; SIQUEIRA PIROLLA, RENAN AUGUSTO; HONORATO, RODRIGO VARGAS; LOPES DE OLIVEIRA, PAULO SERGIO; GOZZO, FABIO CESAR; MURAKAMI, MARIO TYAGO. Structural basis of exo--mannanase activity in the GH2 family. Journal of Biological Chemistry, v. 293, n. 35, p. 13636-13649, AUG 31 2018. Citações Web of Science: 2.

DOS SANTOS, CAMILA RAMOS; DE GIUSEPPE, PRISCILA OLIVEIRA; MOREIRA DE SOUZA, FLAVIO HENRIQUE; ZANPHORLIN, LETICIA MARIA; DOMINGUES, MARIANE NORONHA; SIQUEIRA PIROLLA, RENAN AUGUSTO; HONORATO, RODRIGO VARGAS; COSTA TONOLI, CELISA CALDANA; BUENO DE MORAIS, MARIANA ABRAHAO; DE MATOS MARTINS, VANESA PEIXOTO; FONSECA, LUCAS MIRANDA; BUCHLI, FERNANDA; LOPES DE OLIVEIRA, PAULO SERGIO; GOZZO, FABIO CESAR; MURAKAMI, MARIO TYAGO. The mechanism by which a distinguishing arabinofuranosidase can cope with internal di-substitutions in arabinoxylans. BIOTECHNOLOGY FOR BIOFUELS, v. 11, AUG 11 2018. Citações Web of Science: 0.

TOYAMA, DANYELLE; BUENO DE MORAIS, MARIANA ABRAHAO; RAMOS, FELIPE CARDOSO; ZANPHORLIN, LETICIA MARIA; COSTA TONOLI, CELISA CALDANA; BALULA, AUGUSTO FURIO; DE MIRANDA, FERNANDO FELTON; ALMEIDA, VITOR MEDEIROS; MARANA, SANDRO ROBERTO; RULLER, ROBERTO; MURAKAMI, MARIO TYAGO; HENRIQUE-SILVA, FLAVIO. A novel beta-glucosidase isolated from the microbial metagenome of Lake Poraque (Amazon, Brazil). BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-PROTEINS AND PROTEOMICS, v. 1866, n. 4, p. 569-579, APR 2018. Citações Web of Science: 3.

NARESSI SCAPIN, SANDRA MARA; MOREIRA SOUZA, FLAVIO HENRIQUE; ZANPHORLIN, LETICIA MARIA; DE ALMEIDA, THAMYRES SILVA; SADE, YOUSSEF BACILA; CARDOSO, ALEXANDER MACHADO; PINHEIRO, GUILHERME LUIZ; MURAKAMI, MARIO TYAGO. Structure and function of a novel GH8 endoglucanase from the bacterial cellulose synthase complex of Raoultella ornithinolytica. PLoS One, v. 12, n. 4 APR 27 2017. Citações Web of Science: 4.