Characterization of Peniophora cinerea laccase and study of the potential for biotechnological applications

No presente estudo, fungos ligninolíticos isolados de ecossistemas brasileiros foram avaliados quanto a capacidade de descolorir corantes reativos e, a linhagem Peniophora cinerea, selecionada, teve seu sistema ligninolítico caracterizado. As lacases deste fungo foram avaliadas para duas aplicações: descoloração de efluentes têxteis e auxílio na hidrólise enzimática do bagaço de cana-de-açúcar. Lacase foi a única enzima ligninolítica extracelular detectada nos culivos de P. cinerea. A produção de lacase por P. cinerea foi avaliada em meios sintético e complexo, de forma a obter melhores níveis de produção da enzima. Em meio complexo (milhocina 0,5%, sacarose 0,5% e cobre como indutor de lacase) P. cinerea produziu cerca de aproximadamente 1000 U/l de lacase. Em meio sintético, contendo xilidina e tween 80, P. cinerea imobilizado (em esponja de poliuretano) produziu 3505 U/l de lacase em cultivo em Erlenmeyer e somente 150 U/l em reator de tanque com agitação por pás. Lacases produzidas por P. cinerea foram purificadas e caracterizadas. O sobrenadante do meio de cultivo foi aplicado em coluna de troca aniônica, DEAE-Sepharose CL-6B, e três picos com atividade de lacase foram observados e aplicados separadamente em Mono Q (coluna de troca aniônica). Oito isoenzimas de lacase, com massas entre 30 e 70 kDa e ponto isoelétrico (pI) entre 3 e 6 foram reveladas em géis de eletroforese em condições desnaturantes e não desnaturantes e por focalização isoelétrica (IEF). Algumas isoenzimas apresentaram alta termoestabilidade a 50ºC, pH ótimo entre 2,6 e 4,0 e Km para o ABTS entre 12,7 e 20 ?M, dependendo do tipo de lacase. Diferentes mediadores de lacases de P. cinerea foram avaliados (HBT, HBA, 2,3 DHBA, DOPAC, ABTS, siringaldeido, oxalato de sódio e Mn2+). O sistema composto por lacase, siringaldeído, oxalato de sódio e Mn2+ produziu a maior descoloração do Reactive Blue 19. As lacases foram utilizadas para descoloração de um efluente simulado, preparado com 100 mg/l de Reactive Red 271, hidrolisado em NaOH 2 M, e um efluente real, fornecido por uma indústria têxtil. O efluente simulado foi totalmente descolorido, em 24h, pelo extrato enzimático. A partir desta constatação, o efluente real foi tratado com os extratos de P. cinerea e mais de 60% de descoloração foi obtida com o uso de lacase e mediadores. Lacases produzidas por P. cinerea foram também utilizadas para hidrólise de bagaço de cana-de-açúcar. As amostras de bagaços foram obtidas de tratamentos com sulfito ácido, sulfito alcalino, ácido sulfúrico, clorito de sódio ou sem tratamento (in natura). Duas formas de tratamento foram avaliadas: tratamento simultâneo, ou seja, lacases foram adicionadas juntamente com um preparado comercial de celulases; ou num tratamento sequencial, em que a polpa do bagaço foi previamente tratada com lacase para depois ser hidrolisada com celulases. O tratamento simultâneo com lacase e celulase resultou em menor conversão de celulose, devido a possível inativação das celulases pela ação oxidativa de lacase. A aplicação sequencial das enzimas nos bagaços pré-tratados por sulfito ácido ou por sulfito alcalino favoreceu à hidrólise da celulose. Estudos futuros para tratamento sequencial de lacase à hidrólise de bagaço de cana devem considerar aspectos reacionais básicos: maior carga enzimática, temperatura, tempo de reação e mediadores. Lacases são excepcionalmente versáteis para aplicações biotecnológicas e a produção em larga escala integrará o uso da enzima em diferentes processos industriais.In the present estudy, ligninolytic fungi isolated from Brazilian ecosystems were evaluated for the ability to decolorize reactive dyes and a selected strain of Peniophora cinerea had its ligninolytic system characterized. Laccases from this fungi were evaluated for two biotechnology applications: decolorization of textile effluents and enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse. P. cinerea produced an halotolerant laccase activity, unique feature with the data available in the literature and with potential for biotechnological applications, making it the object of our studies. Laccase was the only ligninolytic enzyme detected in the extracellular extract from P. cinerea. The production of laccase by P. cinerea was evaluated in synthetic and complex media, in order to obtain higher levels of enzyme production. In complex medium (corn steep liquor 0.5%, sucrose 0.5% and copper, as inducer of laccase) P. cinerea produced about 1000 U/l of laccase. In synthetic medium containing tween 80 and xylidine, P. cinerea immobilized in polyurethane foam produced 3505 U/l of laccase in culture in flasks; in STR reactor P. cinerea produced only 150 U/l. Laccases produced by P. cinerea were purified and characterized. The supernatant of the culture medium was loaded on an anion exchange column, DEAE-Sepharose CL-6B, and three peaks with laccase activity were detected and applied separately on a Mono Q column. Eight isoenzymes of laccases with molecular weigh between 30 and 70 kDa and isoelectric point (pI) between 3 and 6 were revealed on electrophoresis gels at denaturing, native conditions and isoelectric foccusing (IEF). Some isoenzymes showed high thermostability at 50°C, optimal pH between 2.6 and 4.0, and Km for the ABTS between 12.7 and 20 ?M., depending on the type of laccase. Different mediators for laccases of P. cinerea were evaluated (HBT, HBA, 2,3 DHBA, DOPAC, ABTS, syringaldehyde, sodium oxalate and Mn2+). The system laccase, syringaldehyde, sodium oxalate and Mn2+ produced the highest decolorization of Reactive Blue 19. Laccases produced by P. cinerea were used for decolorization of a simulated efluent prepared with 100 mg/l of Reactive Red 271 hydrolyzed with NaOH 2 M and a real effluent, provided by a textile industry. The simulated efluent was completely decolorized within 24 hours by the enzymatic extract. In face of that, the real effluent was evaluated for decolorization by the extracts of P. cinerea and more than 60% of decolorization was obtained by laccase-mediator system. Laccases produced by P. cinerea were also used to hydrolize the sugar cane bagasse. Sugarcane bagasse samples were obtained by acid sulfite, alkaline sulfite, sulfuric acid, sodium chlorite or untreated (in natura). Two forms of treatment were evaluated: simultaneous treatment, ie, laccases have been added along with a commercial cellulase complex for hydrolysis of sugarcane bagasse, or a sequential treatment, in witch bagasse was pre-treated with laccase followed by cellulases. Simultaneous treatment with both enzymes resulted in lower conversion of cellulose than sequential treatment due to possible inactivation of cellulases by the oxidative action of laccase. Future studies of sequential treatment with laccase and hydrolysis of sugarcane bagasse should consider additional basic concepts of reactions such as: increase of enzyme load, temperature, reaction time and mediators. Laccases are exceptionally versatile for biotechnological applications and the production in large scale integrate the use of the enzyme in different industrial processes