Estudos funcionais de hemicelulases microbianas com potencial aplicação biotecnológica em biorrefinarias de biomassas hemicelulósicas

• Processo: 11/14200-6
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado
• Data de Início da vigência: 01 de março de 2012
• Data de Término da vigência: 28 de fevereiro de 2013
• Área de conhecimento: Ciências Biológicas - Bioquímica - Enzimologia
• Pesquisador responsável: Fábio Márcio Squina
• Beneficiário: Zaira Bruna Hoffmam
• Instituição Sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 08/58037-9 - Geração de biblioteca para conversão enzimática de biomassa a partir de metagenoma do solo, AP.BIOEN.JP
• Assunto(s): Engenharia genética Bioquímica de proteínas Engenharia de proteínas Hidrólise Biomassa Cana-de-açúcar
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: bioquímica de proteínas | biotecnologia de enzimas | Clonagem e expressão | engenharia de proteínas | Enzimologia Molecular | Engenharia Genética

Resumo

A cana-de-açúcar é atualmente a opção de biomassa energética de maior produtividade de bioetanol por área plantada. Tem-se buscado alternativas viáveis para aumentar expressivamente a produção de etanol sem aumento da área plantada, com o intuito de tornar a matriz energética brasileira sólida e renovável. Consensualmente, a mais promissora é produzir etanol a partir da biomassa gerada como resíduo na produção do álcool de primeira geração. Para tanto, é necessário hidrolisar essa biomassa e liberar açúcares fermentescíveis. Porém, dada a recalcitrância dos resíduos, é complexa a tarefa de propor um processo de hidrólise eficiente, de baixo custo e que não gere compostos tóxicos que diminuem o rendimento da etapa de fermentação posterior. Nesse sentido hidrolisar completamente a biomassa depende da ação concertada (sinérgica) de várias atividades catalíticas distintas, principalmente celulases e hemicelulases, com as quais se espera obter níveis sinérgicos de rendimento para sacarificação destes polímeros complexos. Além disso, a presença de enzimas mesofílicas e extremofílicas em um coquetel multienzimático garantiria atividade sobre substratos lignocelulósicos numa faixa ampla de temperatura e de pH. Isso implicaria em versatilidade para os processos de hidrólise, e, consequentemente, resultados mais significativos e menores custos para o processo, tendo em vista que praticamente todos os coquetéis comerciais disponíveis atuam principalmente em temperas ótimas variando entre 50 e 55ºC numa faixa de pH em torno de 6,0. Estas condições podem tornar o processo de hidrólise limitado às condições ótimas para as enzimas disponíveis, dificultando alterações em etapas do processo na tentativa de otimizar a produção de etanol em abordagens em estudos de hidrólise seguido de sacarificação ou com baixos ou dispendiosos rendimentos para SSF (sacarificação e fermentação simultâneas), pois o crescimento e fermentação alcoólica feito pelas leveduras disponíveis atualmente se dá em temperaturas brandas, a aproximadamente 30oC (longe da temperatura ótima dos coquetéis comerciais).A partir dessas premissas esse projeto propõe um estudo que proporciona correlacionar a estrutura e função de algumas hemicelulases-chave (4 enzimas hemicelulásicas mesofílicas e hipertermofílicas) para montagem de um complexo hemicelulolítico versátil, com diferentes atividades catalíticas e atuante em ampla faixa de pH e temperatura. Para tanto, as enzimas serão clonadas em diferentes sistemas de expressão e terão seus parâmetros bioquímico-cinéticos determinados. Esses dados servirão como base para a construção de quimeras protéicas a partir de endoxilanases mesofílicas e hipertermofílicas, com o auxílio de técnicas como overlap PCR e extensão end-to-end e serão ligados posteriormente a domínios de ligação a carboidratos (CBM6) provindos da bactéria anaeróbica etanolgênica (Clostridium thermocellum). As construções gênicas serão então expressas e caracterizadas, em seguida o complexo de enzimas quiméricas e módulo catalíticos (tipo selvagem) terão suas atividades comparadas por diferentes ensaios e em condições variadas de (pH, temperatura e tipos de substratos). Estas enzimas serão estudas bioquimicamente (Vmáx, KM, Kcat) e biofisicamente (dicroísmo circular, calorimetria por DSCl) em trabalhos de colaboração com outros laboratórios deste centro de pesquisa.Serão feitas combinação de misturas enzimáticas frente à degradação de compostos ligno-hemicelulósicos em diferentes condições de preparo. A análise de sinergismo destes componentes será avaliada por meio de planejamentos experimentais baseado em mistura com diferentes combinações enzimáticas. Estes resultados poderão direcionar a melhor combinação de novos coquetéis que poderão contribuir para o aumento do rendimento focado no processo de hidrólise de biomassas vegetais e substratos sintéticos. (AU)

Publicações científicas

(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)

DIOGO, JOSE A.; HOFFMAM, ZAIRA B.; ZANPHORLIN, LETICIA M.; COTA, JUNIO; MACHADO, CARLA B.; WOLF, LUCIA D.; SQUINA, FABIO; DAMASIO, ANDRE R. L.; MURAKAMI, MARIO T.; RULLER, ROBERTO. Development of a chimeric hemicellulase to enhance the xylose production and thermotolerance. Enzyme and Microbial Technology, v. 69, p. 31-37, FEB 2015. (11/14200-6, 13/10443-7, 08/58037-9)

MANDELLI, F.; BRENELLI, L. B.; ALMEIDA, R. F.; GOLDBECK, R.; WOLF, L. D.; HOFFMAM, Z. B.; RULLER, R.; ROCHA, G. J. M.; MERCADANTE, A. Z.; SQUINA, F. M.. Simultaneous production of xylooligosaccharides and antioxidant compounds from sugarcane bagasse via enzymatic hydrolysis. INDUSTRIAL CROPS AND PRODUCTS, v. 52, p. 770-775, JAN 2014. (13/03061-0, 08/58037-9, 11/14200-6, 12/18859-5)

HOFFMAM, ZAIRA B.; OLIVEIRA, LEANDRO C.; COTA, JUNIO; ALVAREZ, THABATA M.; DIOGO, JOS A.; NETO, MARIO DE OLIVEIRA; CITADINI, ANA PAULA S.; LEITE, VITOR B. P.; SQUINA, FABIO M.; MURAKAMI, MARIO T.; et al. Characterization of a Hexameric Exo-Acting GH51 alpha-l-Arabinofuranosidase from the Mesophilic Bacillus subtilis. MOLECULAR BIOTECHNOLOGY, v. 55, n. 3, p. 260-267, NOV 2013. (10/51890-8, 11/14200-6, 11/13242-7, 08/58037-9, 11/17658-3)

Publicações acadêmicas

(Referências obtidas automaticamente das Instituições de Ensino e Pesquisa do Estado de São Paulo)

HOFFMAM, Zaira Bruna. Estudos funcionais e estruturais de hemicelulases para potencial aplicação biotecnológica. 2013. Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Biologia Campinas, SP.