Emericella nidulans e bagaço de cana-de-açucar : ferramentas para produção de endo-β-1,4-xilanase

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2014.O bagaço de cana-de-açúcar é um importante resíduo agroindustrial brasileiro que apresenta grande potencial para ser utilizado como fonte de carbono para produção de holocelulases de interesse industrial por microrganismos. As xilanases, objeto de estudo deste trabalho, são enzimas que apresentam uma série de aplicações biotecnológicas que incluem a produção de etanol de segunda geração, o branqueamento de papel, a produção de sucos e pães e o uso como aditivo em rações animais. O objetivo desta pesquisa foi purificar e caracterizar uma xilanase produzida pelo fungo Emericella nidulans quando cultivado em bagaço de cana, visando o aproveitamento deste resíduo e a avaliação do potencial biotecnológico da enzima. O fungo foi capaz de secretar xilanases a partir do primeiro dia de cultivo sob fermentação submersa utilizando o bagaço. Uma xilanase de 22 kDa foi purificada a partir do extrato bruto obtido no cultivo através de ultrafiltração, precipitação com sulfato de amônio e cromatografias de filtração em gel e troca aniônica. A enzima apresentou alta homologia com endo-β-1,4-xilanase A (XynA) de E. nidulans e desta forma foi chamada. A enzima XynA apresentou maior atividade a 55°C e na faixa de pH 3,0 – 6,5. A enzima se mostrou pouco termoestável, com meiasvidas de 40, 10 e 7 minutos a 28, 50 e 55°C, respectivamente. XynA foi mais ativa sobre a porção solúvel da xilana, com valores de KM e Vmáx 3,39 mg/mL e 0,502 UI/mL, respectivamente. A hidrólise da xilana por XynA gerou xilooligossacarídeos, indicando ação tipo endo. Diferentes compostos fenólicos comumente liberados durante o pré-tratamento de biomassa lignocelulósica causaram efeitos variados sobre XynA. Os ácidos tânico e cinâmico inibiram a enzima, enquanto o ácido 4-hidroxi-benzóico aumentou sua atividade e os ácidos ferúlico, p-cumárico e vanilina não mostraram efeito. O etanol aumentou a atividade, estabilidade e Vmáx da enzima, indicando potencial para aplicação em processos de sacarificação e fermentação simultâneas de biomassa. O ultrafiltrado (uma fração semipurificada de xilanases) foi capaz de hidrolisar polpas de celulose em diferentes etapas do processo Kraft, resultando na liberação de açúcares redutores, cromóforos, pentoses e produtos de hidrólise de xilana sem concomitante liberação de glicose. O extrato bruto se mostrou capaz de degradar bagaço de cana-de-açúcar não-tratado ou sumetido a explosão a vapor, liberando açúcares redutores e produtos de hidrólise de xilana. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTSugarcane bagasse is a major lignocellulosic agroindustrial residue in Brazil with great potencial for utilization as carbon source for production of industrial holocellulases by microrganisms. Xylanases present several biotechnological applications such as in ethanol production, paper bleaching, juice and bread production and utilization as feed additive. The goal of this reseach was to purify and characterize one xylanase produced by the fungus Emericella nidulans when grown on sugarcane bagasse, aiming the use of this residue and the investigation of biotechnological potencials of the enzyme. E. nidulans secreted xylanases from the first day of growth on liquid media containing bagasse as sole carbon source. One 22 kDa xylanase was purified from crude extract through ultrafiltration, ammonium sulphate precipitation, gelfiltration and anion-exchange chromatographies. The enzyme showed significant homology with endo-β-1,4-xylanase A (XynA) from E. nidulans, and was named that way. XynA was most active at 55°C and pH 3,0 – 6,5. Considering its thermostability, XynA presented half-lives of 40, 10 and 7 minutes at 28, 50 and 55°C, respectively. The enzyme was more active on the soluble portion of xylan, with Km and Vmax values 3,39 mg.mL¯ ¹ and 0,502 UI.mL¯ ¹, respectively. Xylan hydrolysis by XynA produced xylooligossacharides, indicating endo-type action. Phenolic compounds released during pre-treatment of lignocellulosic biomass caused different effects on XynA. Tannic and cinnamic acids inhibited XynA, while 4-hidroxibenzoic acid enhanced its activity and ferulic and p-coumaric acids and vanillin caused no effect. Ethanol increased XynA activity, thermostability and Vmax, suggesting potencial for aplication in simultaneous sacharification and fermentation processes. Ultrafiltrate sample (partialy purified xylanases) was able to hydrolyse celullose pulps obtained from different stages of Kraft process, resulting in release of reducing sugars, chromophores, pentoses and xylans degradation products with apparent no release of glucose. E. nidulans crude extract was able to hydrolyse untreated or steam-explosion pretreated sugarcane bagasses, releasing reducing sugars and xylans degradation products