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
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Vigência: 01 de fevereiro de 2017 - 30 de novembro 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 e Inovações (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Pesquisadores principais: Roberto Ruller
• Pesquisadores associados: Camila Ramos dos Santos ; Celso Eduardo Benedetti ; Gabriela Felix Persinoti ; Leticia Maria Zanphorlin ; Paulo Sergio Lopes de Oliveira ; Priscila Oliveira de Giuseppe
• Auxílios(s) vinculado(s): 22/04606-0 - 18th International Symposium on Microbial Ecology, AR.EXT; 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): 19/10754-9 - Produção, purificação e estudos estruturais de enzimas acessórias à degradação da xilana, BP.TT; 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; + mais bolsas vinculadas 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 - menos bolsas vinculadas
• Assunto(s): Engenharia molecular Química de macromoléculas Cristalografia de raios X Parede celular vegetal Enzimologia Carboidratos Hidrolases
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Cristalografia de raios X | Degradação de parede celular vegetal | Engenharia Molecular | Enzimologia de Carboidratos | Estrutura e função de hidrolases glicosídicas | mecanismos de ação | Química de macromoléculas

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

(19)

(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)

SANTOS, CAMILA R.; COSTA, PEDRO A. C. R.; VIEIRA, PLINIO S.; GONZALEZ, SINKLER E. T.; CORREA, THAMY L. R.; LIMA, EVANDRO A.; MANDELLI, FERNANDA; PIROLLA, RENAN A. S.; DOMINGUES, MARIANE N.; CABRAL, LUCELIA; et al. Structural insights into beta-1,3-glucan cleavage by a glycoside hydrolase family. Nature Chemical Biology, v. 16, n. 8, MAY 2020. (13/08293-7, 15/26982-0)

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. (16/19995-0, 13/24622-0, 15/26982-0)

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. (16/19995-0, 15/26982-0, 17/17390-7, 15/09202-0)

TRAMONTINA, ROBSON; BRENELLI, LIVIA BEATRIZ; SOUSA, AMANDA; ALVES, RAFAEL; ZETTY ARENAS, ANA MARIA; NASCIMENTO, VIVIANE MARCOS; RABELO, SARITA CANDIDA; FREITAS, SINDELIA; RULLER, ROBERTO; SQUINA, FABIO MARCIO. Designing a cocktail containing redox enzymes to improve hemicellulosic hydrolysate fermentability by microorganisms. Enzyme and Microbial Technology, v. 135, APR 2020. (15/50590-4, 13/03061-0, 17/15477-8, 15/26982-0, 16/07926-4)

CABRAL, LUCELIA; PERSINOTI, GABRIELA F.; PAIXAO, DOUGLAS A. A.; MARTINS, MARCELE P.; MORAIS, MARIANA A. B.; CHINAGLIA, MARIANA; DOMINGUES, MARIANE N.; SFORCA, MAURICIO L.; PIROLLA, RENAN A. S.; GENEROSO, WESLEY C.; et al. ut microbiome of the largest living rodent harbors unprecedented enzymatic systems to degrade plant polysaccharide. NATURE COMMUNICATIONS, v. 13, n. 1, FEB 2 2022. (15/26982-0, 16/19995-0)

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. (15/26982-0)

RIBEIRO CORREA, THAMY LIVIA; TOMAZINI JUNIOR, ATILIO; WOLF, LUCIA DANIELA; BUCKERIDGE, MARCOS SILVEIRA; DOS SANTOS, LEANDRO VIEIRA; MURAKAMI, MARIO TYAGO. An actinobacteria lytic polysaccharide monooxygenase acts on both cellulose and xylan to boost biomass saccharification. BIOTECHNOLOGY FOR BIOFUELS, v. 12, MAY 10 2019. (15/26982-0)

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; et al. The mechanism by which a distinguishing arabinofuranosidase can cope with internal di-substitutions in arabinoxylans. BIOTECHNOLOGY FOR BIOFUELS, v. 11, AUG 11 2018. (13/13309-0, 14/17264-3, 15/26982-0, 14/07135-1)

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; et al. 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. (15/26982-0)

VIEIRA, PLINIO S.; BONFIM, ISABELA M.; ARAUJO, EVANDRO A.; MELO, RICARDO R.; LIMA, AUGUSTO R.; FESSEL, MELISSA R.; PAIXAO, DOUGLAS A. A.; PERSINOTI, GABRIELA F.; ROCCO, SILVANA A.; LIMA, TATIANI B.; et al. Xyloglucan processing machinery in Xanthomonas pathogens and its role in the transcriptional activation of virulence factors. NATURE COMMUNICATIONS, v. 12, n. 1, JUN 30 2021. (17/14253-9, 15/26982-0, 16/06509-0, 15/13684-0, 18/03724-3, 19/13936-0, 17/00203-0, 16/19995-0)

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. (14/06923-6, 14/18714-2, 15/13684-0, 15/26982-0)

DE SOUSA, AMANDA S.; DE MELO, RICARDO R.; MIYAMOTO, RENAN Y.; MORAIS, MARIANA A. B.; ANDRADE, LILIANE P.; MILAN, NATALIA; DE AVILA, MAYARA C.; DE SOUZA, CLAUDIA M.; ADAO, REGINA C.; SCARPASSA, JOSIANE A.; et al. A rationally identified marine GH1 beta-glucosidase has distinguishing functional features for simultaneous saccharification and fermentation. BIOFUELS BIOPRODUCTS & BIOREFINING-BIOFPR, AUG 2020. (16/19995-0, 17/14253-9, 18/02865-2, 15/26982-0, 16/06509-0, 19/08855-1)

DE MELO, RICARDO RODRIGUES; DE LIMA, EVANDRO ANTONIO; PERSINOTI, GABRIELA FELIX; VIEIRA, PLINIO SALMAZO; DE SOUSA, AMANDA SILVA; ZANPHORLIN, LETICIA MARIA; DE GIUSEPPE, PRISCILA OLIVEIRA; RULLER, ROBERTO; MURAKAMI, MARIO TYAGO. Identification of a cold-adapted and metal-stimulated beta-1,4-glucanase with potential use in the extraction of bioactive compounds from plants. International Journal of Biological Macromolecules, v. 166, p. 190-199, JAN 1 2021. (15/26982-0, 17/14253-9)

MORAIS, MARIANA A. B.; COINES, JOAN; DOMINGUES, MARIANE N.; PIROLLA, RENAN A. S.; TONOLI, CELISA C. C.; SANTOS, CAMILA R.; CORREA, JESSICA B. L.; GOZZO, FABIO C.; ROVIRA, CARME; MURAKAMI, MARIO T.. Two distinct catalytic pathways for GH43 xylanolytic enzymes unveiled by X-ray and QM/MM simulations. NATURE COMMUNICATIONS, v. 12, n. 1, JAN 14 2021. (18/22138-8, 16/19995-0, 15/26982-0)

MANDELLI, FERNANDA; DE MORAIS, MARIANA ABRAHAO BUENO; DE LIMA, EVANDRO ANTONIO; OLIVEIRA, LEANE; PERSINOTI, GABRIELA FELIX; MURAKAMI, MARIO TYAGO. Spatially remote motifs cooperatively affect substrate preference of a ruminal GH26-type endo-?-1,4-mannanase. Journal of Biological Chemistry, v. 295, n. 15, p. 5012-5021, APR 10 2020. (16/19995-0, 15/26982-0)

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. (16/00740-2, 15/26982-0)

DE MORAIS, MARIANA ABRAHAO BUENO; POLO, CARLA CRISTINA; DOMINGUES, MARIANE NORONHA; PERSINOTI, GABRIELA FELIX; PIROLLA, RENAN AUGUSTO SIQUEIRA; DE SOUZA, FLAVIO HENRIQUE MOREIRA; CORREA, JESSICA BATISTA DE LIMA; DOS SANTOS, CAMILA RAMOS; MURAKAMI, MARIO TYAGO. Exploring the Molecular Basis for Substrate Affinity and Structural Stability in Bacterial GH39 beta-Xylosidases. FRONTIERS IN BIOENGINEERING AND BIOTECHNOLOGY, v. 8, MAY 15 2020. (16/19995-0, 13/24622-0, 15/26982-0)

RADE, LETICIA L.; DA SILVA, MELQUE N. P.; VIEIRA, PLINIO S.; MILAN, NATALIA; DE SOUZA, CLAUDIA M.; DE MELO, RICARDO R.; KLEIN, BRUNO C.; BONOMI, ANTONIO; DE CASTRO, HEIZIR F.; MURAKAMI, MARIO T.; et al. A Novel Fungal Lipase With Methanol Tolerance and Preference for Macaw Palm Oil. FRONTIERS IN BIOENGINEERING AND BIOTECHNOLOGY, v. 8, MAY 6 2020. (19/08855-1, 16/50403-2, 15/26982-0, 18/04897-9, 18/10517-4)

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; et al. Structural basis of exo--mannanase activity in the GH2 family. Journal of Biological Chemistry, v. 293, n. 35, p. 13636-13649, AUG 31 2018. (16/06509-0, 15/26982-0, 16/19995-0, 13/24622-0)