β-frutofuranosidases em coleópteros: caracterização funcional e produção heteróloga de uma β-frutofuranosidase de Sphenophorus levis

The sugar cane represents one of the most Important agricultural segments in Brazil, which is the largest producer and exporter of sugar in the world as well the second largest ethanol producer. The Sphenophorus levis (Curculionidae) is an important sugarcane pest which lacks effective methods of control. The larvae of this insect feed the sugar cane plant decreasing productivity and causing the plant death. In view of identify the insect digestive arsenal enzymes, a transcriptome study was previously performed from S. levis larvae. Thereby, an invertase (P-fructofuranosidases class) coding sequence was identified and characterized. Considering the scarcity of functional studies on insect P-fructofuranosidases and their apparent non-occurrence among coleopterans, the aim of the present study was to investigate the occurrence and characterize the P-fructofuranosidase transcript identified. To validate that the P-fructofuranosidase sequence (herein denominated Sl-fi-fruct) is indeed encoded by the S. levis genome, PCRs were performed using genomic DNA extracted from the larval fat body as well as DNA from the midgut with microbial content. Amplification of Sl-fi-fruct gene using larval fat body DNA indicated its presence in the insect's genomic DNA. Quantitative PCR (qRT-PCR) analyses indicated that the production of mRNA only occurs in the midgut and reaches the greatest expression level in 30-day-old larvae, which is the expected pattern for digestive enzymes. Chromatography of glycosidases from S. levis midguts showed two enzymes acting as P-fructofuranosidase, indicating the presence of a Sl-fi-fruct isoform or a P-fructofuranosidase from insect intestinal microbiota. Moreover, it was found that a-glucosidases do not act on sucrose hydrolysis. Phylogenetic analyses indicated this enzyme to be similar to enzymes found in other coleopteran and lepidopteran P-fructofuranosidases, but also closely similar to bacterial enzymes, suggesting potential horizontal gene transfer. Despite this, the enzyme seems to be restricted to different groups of bacteria, which suggests distinct origin events. The Sl-fi-fruct gene was cloned in Pichia pastoris to produce the recombinant enzyme (rSl-P-fruct). Molecular weight of the recombinant protein was about 64 kDa, indicating possible glycosylation, since the theoretical weight was 54.8 kDa. The substrate specificity test revealed that rSl-P-fruct hydrolyzes sucrose and raffinose, but not melibiose or maltose, thereby confirming invertase activity. The pH curve revealed greatest activity at pH 5.0, demonstrating rSl-P-fruct to be an acidic P-fructofuranosidase. The enzymatic characterization was done and the optimum temperature was 50 °C, thermal resistance at 36 °C and pH maximum resistance at 6.0. The Michaelis-Menten curve showed Km=20.02 μM, Kcat=520.9 s-1 and Vmax=105.7 μM.s-1. 5 mM of SDS and MgCl2 cause inhibition of rSl-β-fruct activity. The present study expands the concept of the occurrence of P-fructofuranosidase in insects. Despite the few descriptions of this gene in the animal kingdom, it is possible to state that P-fructofuranosidase is crucial to the establishment of some insects throughout their evolutionary history, especially members of the Lepidoptera and Coleoptera clades. Considering the rSl-P-fruct potential to industrial application, they are promising if the thermal properties are improved.Universidade Federal de Sao CarlosO coleóptero Sphenophorus levis é uma Importante praga da cana-de-açúcar, para o qual ainda não existe um método de controle adequado. Considerando a Importância da cultura canavieira no Brasil, maior produtor e exportador de açúcar e segundo maior produtor de etanol no mundo, um estudo transcriptômico das larvas do inseto foi realizado anteriormente a este trabalho para a identificação do seu arsenal digestivo. Dentre as prováveis enzimas digestivas, foram identificadas sequências que codificam uma enzima da classe das P-frutofuranosidases. O sequenciamento do clone de cDNA foi totalizado e verificou-se a presença de sinal de poliadenilação e cauda poli-A característica de eucariotos, bem como uma região codificadora para um provável peptídeo sinal para secreção da enzima. A comparação da sequência proteica deduzida com o banco de dados do NCBI aponta maior similaridade com invertases bacterianas. A amplificação do gene da P-frutofuranosidase de S. levis (Sl-fi-fruci) por PCR a partir de DNA genômico, livre de contaminação bacteriana, sugere que S. levis realmente codifica uma P-frutofuranosidase. Comparando-se sequências de aminoácidos de P-frutofuranosidases de coleópteros, observam-se regiões conservadas entre membros da família Curculionidae. O ensaio bioquímico das glicosidases intestinais de S. levis mostrou que existem provavelmente duas P-frutofuranosidases responsáveis pela digestão de sacarose. Portanto, o inseto pode apresentar uma isoforma da Sl-fí-fruct ou se beneficiar de uma invertase produzida pela própria microbiota. As análises de expressão via PCR quantitativo em tempo real revelaram que o gene é expresso em intestino médio, nas fases de alimentação do inseto, característica de uma enzima digestiva. As análises filogenéticas indicaram que Sl-P-fruct é similar a outras P-frutofuranosidases de lepidópteros e coleópteros, mas se apresenta mais próxima das enzimas bacterianas. Essa proximidade se dá a grupos distintos de bactérias, quando comparada com enzimas de lepidópteros, levando-nos a propor um evento de transferência horizontal independente do que ocorreu em lepidópteros. A fase aberta de leitura (ORF) codificadora da enzima, excluindo o peptídeo sinal, foi clonada no plasmídeo pPICZa-A para sua produção heteróloga em Pichia pastoris. A enzima produzida (rSl-P-fruc) apresentou-se glicosilada, com massa molecular aproximada de 65 kDa. Os ensaios de especificidade ao substrato confirmaram que a enzima é uma P-frutofuranosidase. A rSl-P-fruc apresentou pH de maior atividade próximo a 5,0 e temperatura de atividade máxima próxima a 50 °C. Os ensaios de termoestabilidade e resistência térmica sugerem uma baixa capacidade térmica para rSl-P-fruc, que se desnatura com facilidade. Os sais Dodecil Sulfato de Sódio (SDS) e MgCl2 provocam inibição da rSl-P-fruc na concentração de 1 mM. As constantes cinéticas estimadas para a rSl-P-fruct foram Km = 20,02 mM, Vmax = 105,7 |iM.s-1 e kcat = 520,9 s-1. O presente estudo expande o conceito da ocorrência de P-frutofuranosidases em coleópteros. Apesar dos poucos relatos desse gene no reino animal, é possível afirmar que a P-frutofuranosidase é importante e vem sendo mantida entre algumas espécies de lepidópteros e coleópteros. Tratando-se das potencialidades que a rSl-P-fruct apresenta para uma aplicação industrial, observa-se um potencial positivo caso haja melhorias em sua estabilidade térmica