Production of tansglutaminase by Streptomyces sp. P20 : characterization and application of crude enzyme

Resumo: A transglutaminase (TGase, EC 2.3.2.13) é uma enzima que catalisa a formação de ligações cruzadas entre resíduos de glutamina e aminas livres de proteínas formando agregados protéicos. Foi estudado o aumento da escala de produção da transglutaminase de Streptomyces sp. P20, de frascos Erlenmeyer agitados de 50 mL contendo 15 mL de meio de cultivo para fermentador de bancada de 6 L com volume útil de 3 L. Para a fermentação em frascos agitados foi utilizado o meio de cultivo otimizado por MACEDO et al. (2007) e para a fermentação do microrganismo em reator de bancada foi utilizado esse útimo meio de cultivo modificado, composto de extrato de 2,5% de farinha de soja, 2% de amido de batata, 1% de peptona, 0,1% de glicose, 04% de KH2PO4 e 0,2% de MgSO4, ajustado para pH 7,0. Foi estudado, através de delineamento fatorial, os efeitos da temperatura, agitação e aeração na fermentação da linhagem de Streptomyces sp. P20 no reator de bancada e a produção de transglutaminase. O aumento da escala de 200 vezes proporcionou uma elevação na atividade enzimática de 7,2 vezes, e o tempo para obtenção desta atividade foi reduzido de 120 horas para 42 horas de fermentação, utilizando dois estágios de temperatura. A atividade máxima obtida em reator de bancada foi de 2,05 U/mL de caldo fermentado. No estudo da produção da transglutaminase de Streptomyces sp. P20, por fermentação em meio semi-sólido, utilizando-se como substratos farinha de feijão branco e farinha de amendoim, foram obtidos, respectivamente, atividade de transglutaminase iguais a 0,88 U/g de substrato seco e 0,77 U/g de substrato seco. A caracterização bioquica da transglutaminase bruta de Streptomyces sp. P20 foi estudada, bem como a aplicação da enzima em carne bovina e proteína texturizada de soja. Os valores de temperatura ótima e pH ótimo desta enzima foram avaliados, sendo verificado que a temperatura ótima de atividade foi de 35°C e o pH 6,5, sendo encontrada uma segunda faixa de pH ótimo em 9,0, o que pode indicar a presença de isoenzimas. A MTGase mostrou-se estável na faixa de pH 6,0 ¿ 9,0, e at·a temperatura de 35°C em pH 6,0 por 30 minutos. O aminoácido L-cisteína aumentou a estabilidade térmica da MTGase de Streptomyces sp. P20. O efeito de íons metálicos, do EDTA, L-cisteína, L-glutationa e PEG 6000 na atividade da MTGase foram avaliados. Os íons Hg2+, Cu2+, Zn2+ e Mn2+, inativaram a enzima, sugerindo a presença de grupos tiol no seu sítio ativo. O íon Mg2+ aumentou a atividade da MTGase cerca de 100%. A aplicação da MTGase de Streptomyces sp. P20 em carne bovina e em prote?a texturizada de soja foi eficiente quando comparada a aplicação da enzima comercial Activa TG-BP aplicada nas mesmas condiçõesAbstract: Transglutaminase (TGase, EC 2.3.3.13) is an enzyme that catalyzes cross-linking between the glutamine and free amine residues of proteins leading to the formation of protein aggregates. The scale up of the production of transglutaminase by Streptomyces sp. P20 from shaken flasks to a bench fermenter was studied. Initially, the effect of temperature and agitation on the microorganism was studied in 50 mL conical flasks containing 15 mL of culture medium previously optimized by MACEDO et al. (2007). The production in 250 mL conical flasks containing 50 mL of the same culture medium was then studied. For fermentation in the bench reactor the same medium was used, modified, containing extract of 2.5% powdered soy, 2% potato starch, 1% peptone, 0.1% glucose, 0.4% KH2PO4 and 0.2% MgSO4, pH 7.0. A factorial design was used to study the effects of temperature, agitation and aeration on the fermentation of the strain Streptomyces sp. P20 in a 6L bench fermenter. The x200 scale up led to a x7.2 enhancement in enzymatic activity, and the fermentation time decreased from 120 h to 42 h using two temperature (from 34°C during the first 24 hours to 26°C for the remaining time) and agitation (from 350 rpm during the first 24 hours to 150 rpm for the remaining time) shifts. The maximum transglutaminase activity obtained was 2.05 U/mL. In the solid state fermentation study using semi-solid media containing white bean flour and peanut flour, transglutaminase activities of 0.88 U/mg dried substrate and 0.77 U/mg dried substrate, respectively, were obtained. The biochemical characterization of the crude transglutaminase obtained from Streptomyces sp. P20 and its application in beef and texturized soy protein were studied.The optimum temperature and pH values for MTGase activity were investigated, exhibiting optimum activity at 35°C and at both pH 6.5 and pH 9.0, probably due to the presence of an isoenzyme. The enzyme was stable in the pH range from 6.0 ¿ 9.0, and at temperatures of up to 35?C it was stable for 30 minutes at pH 6.0. The amino acid Lcysteine enhanced the thermal stability of the MTGase from Streptomyces sp. P20. The effects of metal ions, EDTA, L-cysteine, L-glutathione and PEG 6000 on the activity of MTGase were investigated. The ions Hg2+, Cu2+, Zn2+ and Mn2+ inhibited enzyme activity, suggesting the presence of a thiol group at the active site of the enzyme. The ion Mg2+ increased MTGase activity by 100%. The application of MTGase from Streptomyces sp. P20 in beef and texturized soy protein was efficient when compared to the application of commercial Activa TG-BP under the same condition