Identification of main hydrolytic enzymes of Aspergillus fumigatus when grown in sugarcane bagasse

A biomassa do bagaço da cana-de-açúcar é composta de material lignocelulósico, principalmente celulose e hemicelulose, os quais são constituídos por açúcares de alta energia que podem ser convertidos a etanol. No entanto, a associação recalcitrante dessa biomassa impõe um grande desafio para a produção de biocombustíveis de segunda geração, devido à dificuldade em recuperar esses açúcares sob a forma de monômeros com elevado grau de pureza. Na natureza, muitos microrganismos realizam a degradação da biomassa de plantas através da ação de múltiplas CAZymes. Dentre esses, os fungos filamentosos se destacam devido a sua capacidade de produzir misturas enzimáticas altamente específicas para os substratos com que se deparam e, por essa razão, são a principal fonte das enzimas utilizadas nos coquetéis enzimáticos comercializados, em especial a espécie T. reesei. Contudo, esses coquetéis precisam ser otimizados e, para tanto, é necessário investir no estudo de outros fungos, como o A. fumigatus. Apesar de patogênico, o mesmo é considerado um importante produtor de enzimas lignocelulolíticas, cujas eficiências são aumentadas devido ao efeito sinérgico entre elas. Dessa forma, uma melhor compreensão dos mecanismos utilizados por esse fungo durante a exposição a biomassas vegetais é necessária. Nesse sentido, a determinação das atividades de celulases e xilanases após diferentes tempos de incubação foi realizada nos sobrenadantes das culturas do A. fumigatus crescido em SEB e em frutose, resultando em valores 21, 59 e 271 vezes maiores para as celulases e 150, 541 e 74 vezes para as xilanases, após 24, 48 e 72 horas de cultivo, respectivamente, na presença do bagaço. Para verificar se as enzimas estavam efetivamente hidrolisando a biomassa, foi realizada a dosagem dos açúcares redutores nos sobrenadantes das culturas em SEB, tendo sido observado um aumento na concentração desses açúcares à medida que o tempo de exposição ao bagaço aumentava. Com o propósito de compreender o mecanismo envolvido na hidrólise do bagaço, foi realizada a análise transcricional do A. fumigatus por RNA-seq, quando esse fungo foi crescido na presença desse substrato, assim como em frutose. A análise dos dados revelou 144 CAZymes induzidas em SEB, frente a 65 reprimidas nessa biomassa. Dentre os genes induzidos, foram identificados muitos potencialmente envolvidos na desconstrução da lignocelulose, como aqueles que codificam endoglucanases, celobiohidrolases, glucosidades, xilanases, xilosidases, manosidases, LPMOs, pectinases, entre outros. Para verificar se essas proteínas estavam sendo secretadas pelo fungo, o secretoma do mesmo foi analisado por espectrometria de massas LC/MS. Com isso, identificou-se uma gama muito maior de proteínas na presença de SEB (130) em comparação ao crescimento em frutose (44), sendo a maioria CAZymes (59%). Todos esses resultados evidenciam o potencial do A. fumigatus na hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar, podendo suas enzimas contribuir para a produção de coquetéis enzimáticos mais eficientes e, consequentemente, para a produção de etanol de segunda geraçãoSugarcane bagasse biomass is composed of lignocellulosic material, mainly cellulose and hemicellulose, which are composed of high energy sugars that can be converted into ethanol. However, the recalcitrant association of this biomass imposes a major challenge for the production of second-generation biofuels, due to the difficulty in recovering these sugars in the form of monomers with high purity. In nature, many microorganisms perform the degradation of plant biomass through the action of multiple CAZymes. Among them, filamentous fungi stand out for their ability to produce highly specific enzymatic mixtures for the substrates they are in the presence of and, therefore, they are the main source of enzymes used in commercialized enzymatic cocktails, especially T. reesei. However, these cocktails need to be optimized and, for this reason, it is necessary to invest in the study of other fungi, such as the A. fumigatus. Although pathogenic, it is considered an important producer of lignocellulolytic enzymes, whose efficiencies are increased due to the synergistic effect between them. Thus, a better understanding about the mechanisms used by this fungus during exposure to plant biomass is necessary. In this sense, the determination of cellulases and xylanases activities after different incubation times was performed after collection of supernatants from A. fumigatus grown in SEB and fructose cultures, resulting in 21, 59 and 271-fold higher values for cellulases, and 150, 541 and 74-fold higher values for xylanases, after 24, 48 and 72 hours of cultivation, respectively, in presence of the bagasse. To verify if the enzymes were effectively hydrolyzing the biomass, the supernatants from SEB cultures were collected and the reducing sugars were quantified. An increase in the concentration of these sugars was observed as the exposure time to the bagasse increased. In order to understand the mechanism involved in bagasse hydrolysis, the transcriptional analysis of A. fumigatus grown in the presence of this substrate and in fructose was performed by RNA-seq. Data analysis revealed 144 CAZymes induced by SEB, compared to 65 repressed by this biomass. Among the induced genes, many potentially involved in the lignocellulose deconstruction, such as those encoding for endoglucanases, cellobiohydrolases, glucosidases, xylanases, xylosidases, mannosidases, LPMOs, pectinases, among others, were identified. To verify if these proteins were being secreted, the secretome of the fungus was analyzed by LC/MS mass spectrometry. Hence, a much larger range of proteins was identified in the presence of SEB (130) as compared to growth in fructose (44), most of them being CAZymes (59%). All these results show the potential of A. fumigatus in the hydrolysis of sugarcane bagasse and its enzymes can contribute to the production of more efficient enzymatic cocktails and, consequently, to the production of second-generation ethano