Modification and characterization of high molecular weight levan produced by Bacillus subtilis natto for potential biomedical application

A levana é um exopolissacarídeo (EPS) de frutose, constituído por ligações β-(2→6) e ramificações β-(2→1), sintetizada pela enzima levanasacarase (LS), nas reações de transfrutosilação, na presença de sacarose. Pode ser produzida por diversas bactérias, das quais se destaca o Bacillus subtilis natto, por sua eficiência e ser reconhecido como seguro. Este EPS apresenta características importantes que permitem sua aplicação em diversas áreas da indústria, como alimentícia, farmacêutica e cosmética. Para aplicação, é importante avaliar fatores que podem interferir na produção, assim é necessário o uso de metodologias estatísticas. Outro parâmetro importante é a massa molecular, que pode interferir na aplicação do produto. Além disso, modificações na estrutura química podem aumentar a atividade biológica do polissacarídeo para aplicação na área da saúde. Este trabalho teve como objetivo produzir e avaliar a massa molecular da levana de B. subtilis natto em Erlenmeyer, utilizando planejamento fatorial com análise por superfície de resposta e aplicar a melhor condição em biorreator. A levana obtida na melhor condição em Erlenmeyer (185 g.L-1 de sacarose e pH 6,5) foi de17,17 g.L-1, com 44,81% de massa molecular de ≥ 670 kDa. Nas fermentações em biorreator a maior produção foi de 19,3 g.L-1 em B3 (185 g.L-1 de sacarose, sem controle de pH, aeração 2 v.v-1.min-1) e a maior massa molecular (78,5% ≥ 670 kDa) foi encontrada após 6 h em B2 (185 g.L-1 de sacarose, sem controle de pH, aeração 0,5 v.v-1.min-1). A levana obtida em B2 6h foi submetida ao processo de acetilação, e avaliada quanto ao seu potencial como agente antioxidante e antitumoral. A reação de modificação gerou levana em dois graus de acetilação Lac1 (47,3%) e Lac2 (5,5%). As estruturas da levana nativa e modificada foram confirmadas através RMN (Ressonância Magnética Nuclear) e FT-IR (Espectroscopia Infravermelho com Transformada de Fourier). Lac1 e Lac2 exibiram maior capacidade de eliminação do radical DPPH, enquanto a levana nativa exibiu atividade inibitória contra células de hepatoma humano (HepG2), mostrando assim, que a levana nativa e seus derivados acetilados possuem potencial aplicação na área da saúde, como possíveis agentes antitumoral e antioxidante.Levan is a fructose exopolysaccharide (EPS) consisting of β-(2→6) bonds and β-(2→1) branches, synthesized by levansucrase enzyme, by transfructosylation reactions in the presence of sucrose. It can be produced by various bacteria, which stands Bacillus subtilis natto, because of its efficiency and be recognized as safe. This EPS has important features that allow its application in various areas of industry, such as food, pharmaceutical and cosmetics industries. For application, it is important to assess factors that can interfere with the production, so the use of statistical methods is required. Another important parameter is the molecular weight, which can interfere with the application of the product. In addition, changes in the chemical structure can increase the biological activity of polysaccharide for use in health care. This study aimed to produce and evaluate levan molecular weight of B. subtilis natto in Erlenmeyer, using factorial design with analysis of response surface and apply the best condition in the bioreactor. The levan obtained in the best condition in flasks (185 g.L-1 sucrose and pH 6.5) was de17,17 g.L-1, with 44.81% of molecular mass of ≥ 670 kDa. In the bioreactor fermentations the highest yield was 19.3 gL -1 in B3 (185 gL -1 sucrose without control of pH, aeration vv 2-1.min-1) and higher molecular weight (78.5% ≥ 670 kDa) was found after 6 h in B2 (185 g.L-1 sucrose without control of pH, aeration 0.5 v.v-1.min-1). The levan obtained 6h B2 was subjected to the acetylation process, and evaluated for their potential antitumor agent and as an antioxidant. The modification reaction levan generated in two degrees of acetylation Lac1 (47.3%) and Lac2 (5.5%). The structures of native and modified levan were confirmed by NMR (Nuclear Magnetic Resonance) and FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). Lac1 and Lac2 exhibited higher scavenging capacity of DPPH radical, while the native levan exhibited inhibitory activity against human hepatoma cells (HepG2), thus showing that the native levan and their acetylated derivatives have potential application in health care, as possible agents antitumor and antioxidant