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). Associação Brasileira de Tecnologia de Luz Síncrotron (ABTLuS). 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): 18/04505-3 - 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)