Produção, caracterização e purificação de celulase de bactérias do trato intestinal de Diatraea saccharalis

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Barbosa , Kledson Lopes
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
Texto Completo: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/4856
Resumo: The development of processes for the production of cellulases with high specific activity is a challenge for industrial biotechnology. Although the performance of commercial cellulases has improved significantly in the last decade, the same has not happened with cellulases produced in research laboratories, being the production of this type of enzyme still a high cost factor in the processes that require its use. Thus, the present study aimed to investigate the presence of cellulolytic bacteria isolated from the intestinal tract of Diatraea saccharalis larvae in order to determine their potential use in the hydrolysis of sugarcane bagasse. For this, cellulolytic bacteria were screened from the intestinal tract of Diatraea saccharalis larvae through specific culture media using sugarcane bagasse and carboxymethylcellulose (CMC) as sole carbon sources. In this scenario, sugarcane bagasse was used as the inducible biomass of cellulase by means of liquid fermentation. Through an experimental planning were determined the best conditions of cellulase production (inoculum concentration and pH). The physico-chemical-morphological characterization of the biomass was performed by means of chromatographic (HPLC) and spectroscopic analyzes (FTIR, XRD). Then electrophoretic techniques were used to measure the endoglucanase protein profile of cellulolytic bacterial isolates, electrophoretic purification techniques to determine molecular weight of proteins and molecular techniques (PCR and DNA sequencing) for bacterial genome identification. The results of chemical characterization showed that cellulose and hemicellulose decreased after pretreatment, suggesting carbohydrate loss and formation of other products such as furfural, HMF, acetic acid and formic acid. FTIR spectra revealed similarity between untreated and pretreated material spectra, qualitatively evidencing that pretreatment was efficient in extracting hemicellulose and lignin. Peaks in the XRD diffractograms confirmed the removal of lignin and hemicellulose from the pretreated biomass. However, for the crystallinity index there was no significant change (73.25 and 73.70% for untreated and pretreated biomass, respectively). Gram staining of cellulolytic bacterial isolates revealed the presence of one Gram-positive encapsulated bacillus and three Gram-negative bacteria. The degradation activity of CMC revealed higher extracellular cellulase activity for the isolates INTB2, INTB3 and INTB4. For extracellular endoglucanase activity, the 4 isolates reported similar patterns of endoglucanase excretion, however, the INTB4 isolate reported the lowest extracellular activity (3.0 cm). The results of cellulase production through the INTB3 isolate showed to be more stable compared to the other isolates INTB1, INTB2, INTB4. As for purification, the specific activity for the INTB3 extract was 30.13 U/mg for INTB4 19, 97, INTB2 11,15 and INTB1 5,53 U/mg, after precipitation with ammonium sulfate. Native PAGE presented to the four isolates 3 protein bands corresponding to ~ 89, 58 and 48 kDa. In SDS-PAGE the enzyme extracts investigated (crude and precipitated) reflect multiple proteins detected in the gel and show that the enzymes presented several bands (between 150 and 17 kDa). The zymogram-CMC analysis exhibited cellulolytic activity, suggesting that the enzymes were able to hydrolyze sodium carboxymethylcellulose and have at least two sizes, ~ 89 and 58 kDa. The method applied for the cellulase isolation of the INTB3 isolate presented a single peak of cellulolytic activity and through 12% SDS-PAGE, 3 protein bands were observed around 113, 76, 52 kDa. In the present study, of the microorganisms isolated for enzymatic production, INTB3 was identified as the main producer of cellulase, having the highest specific activity after partial purification (30.13 U/mg). A purificação da endoglucanase de INTB3 através da cromatografia 11 por exclusão de tamanho triplicou (96,25 UI/mL) a atividade específica celulolítica. Mais distante outros estudos tornam-se importantes para dar continuidade a estes experimentos para obter alto rendimento de produção, purificação e aplicação de celulase.
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Thus, the present study aimed to investigate the presence of cellulolytic bacteria isolated from the intestinal tract of Diatraea saccharalis larvae in order to determine their potential use in the hydrolysis of sugarcane bagasse. For this, cellulolytic bacteria were screened from the intestinal tract of Diatraea saccharalis larvae through specific culture media using sugarcane bagasse and carboxymethylcellulose (CMC) as sole carbon sources. In this scenario, sugarcane bagasse was used as the inducible biomass of cellulase by means of liquid fermentation. Through an experimental planning were determined the best conditions of cellulase production (inoculum concentration and pH). The physico-chemical-morphological characterization of the biomass was performed by means of chromatographic (HPLC) and spectroscopic analyzes (FTIR, XRD). Then electrophoretic techniques were used to measure the endoglucanase protein profile of cellulolytic bacterial isolates, electrophoretic purification techniques to determine molecular weight of proteins and molecular techniques (PCR and DNA sequencing) for bacterial genome identification. The results of chemical characterization showed that cellulose and hemicellulose decreased after pretreatment, suggesting carbohydrate loss and formation of other products such as furfural, HMF, acetic acid and formic acid. FTIR spectra revealed similarity between untreated and pretreated material spectra, qualitatively evidencing that pretreatment was efficient in extracting hemicellulose and lignin. Peaks in the XRD diffractograms confirmed the removal of lignin and hemicellulose from the pretreated biomass. However, for the crystallinity index there was no significant change (73.25 and 73.70% for untreated and pretreated biomass, respectively). Gram staining of cellulolytic bacterial isolates revealed the presence of one Gram-positive encapsulated bacillus and three Gram-negative bacteria. The degradation activity of CMC revealed higher extracellular cellulase activity for the isolates INTB2, INTB3 and INTB4. For extracellular endoglucanase activity, the 4 isolates reported similar patterns of endoglucanase excretion, however, the INTB4 isolate reported the lowest extracellular activity (3.0 cm). The results of cellulase production through the INTB3 isolate showed to be more stable compared to the other isolates INTB1, INTB2, INTB4. As for purification, the specific activity for the INTB3 extract was 30.13 U/mg for INTB4 19, 97, INTB2 11,15 and INTB1 5,53 U/mg, after precipitation with ammonium sulfate. Native PAGE presented to the four isolates 3 protein bands corresponding to ~ 89, 58 and 48 kDa. In SDS-PAGE the enzyme extracts investigated (crude and precipitated) reflect multiple proteins detected in the gel and show that the enzymes presented several bands (between 150 and 17 kDa). The zymogram-CMC analysis exhibited cellulolytic activity, suggesting that the enzymes were able to hydrolyze sodium carboxymethylcellulose and have at least two sizes, ~ 89 and 58 kDa. The method applied for the cellulase isolation of the INTB3 isolate presented a single peak of cellulolytic activity and through 12% SDS-PAGE, 3 protein bands were observed around 113, 76, 52 kDa. In the present study, of the microorganisms isolated for enzymatic production, INTB3 was identified as the main producer of cellulase, having the highest specific activity after partial purification (30.13 U/mg). A purificação da endoglucanase de INTB3 através da cromatografia 11 por exclusão de tamanho triplicou (96,25 UI/mL) a atividade específica celulolítica. Mais distante outros estudos tornam-se importantes para dar continuidade a estes experimentos para obter alto rendimento de produção, purificação e aplicação de celulase.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorO desenvolvimento de processos para produção de celulases com alta atividade específica é um desafio para a biotecnologia industrial. Embora o desempenho das celulases comerciais tenha melhorado significativamente na última década, o mesmo não aconteceu com as celulases produzidas em laboratórios de pesquisa, sendo, a produção desse tipo de enzima ainda um fator de custo elevado nos processos que exigem seu uso. Dessa forma, o presente estudo teve como objetivo investigar a presença de bactérias celulolíticas isoladas do trato intestinal de larvas de Diatraea saccharalis a fim de determinar seu potencial uso na hidrólise do bagaço da cana-de-açúcar. Para isto, realizou-se uma triagem de bactérias celulolíticas do trato intestinal de larvas de Diatraea saccharalis através de meios de cultura específicos utilizando o bagaço da cana-de-açúcar e carboximetilcelulose – CMC como únicas fontes de carbono. Nesse cenário, utilizou-se como biomassa indutível de celulase o bagaço da cana-de-açúcar por meio de fermentação em estado líquido. Através de um planejamento experimental foram ,determinado as melhores condições de produção de celulase (concentração do inóculo e pH). Realizou-se a caracterização físico-química-morfológica da biomassa por meio de análises cromatográficas (CLAE) e espectroscópicas (FTIR, DRX). Em seguida, aplicou-se técnicas eletroforéticas para mensurar o perfil proteico da endoglucanase dos isolados bacterianos celulolíticos, técnicas de purificação associadas às eletroforéticas para determinar o peso molecular das proteínas e técnicas moleculares (PCR e sequenciamento de DNA) para identificação de genoma bacteriano. Os resultados de caracterização química mostraram que a celulose e hemicelulose diminuíram após o pré-tratamento, sugerindo perda de carboidratos e formação de outros produtos como furfural, HMF, ácido acético e ácido fórmico. Os espectros de FTIR revelaram semelhança entre os espectros dos materiais não tratados e pré-tratado, evidenciando, qualitativamente, que o pré-tratamento foi eficiente na extração da hemicelulose e lignina. Os picos nos difratogramas do DRX confirmaram a remoção de lignina e hemicelulose da biomassa pré-tratada. No entanto, para o índice de cristalinidade não houve mudança significativa (73,25 e 73,70% para biomassa não tratada e pré-tratada, respectivamente). A coloração de Gram dos isolados bacterianos celulolíticos revelou a presença de um bacilo Gram-positivo encapsulado, e três bactérias Gram-negativas. A atividade de degradação de CMC revelou maior atividade de celulase extracelular para os isolados INTB2, INTB3 e INTB4. Para atividade de endoglucanase extracelular, Os 4 isolados reportaram padrões semelhantes de excreção de endoglucanase, no entanto, o isolado INTB4 foi o que reportou menor atividade extracelular (3,0 cm). Os resultados de produção de celulase através do isolado INTB3 mostraram-se mais estáveis em comparação aos demais isolados INTB1, INTB2, INTB4. Quanto a purificação, após precipitação com sulfato de amônio a atividade específica para o extrato INTB3 foi de 30,13 U/mg, para INTB4 19,97, INTB2 11,15 e INTB1 5,53 U/mg. A PAGE nativa apresentou para os quatros isolados 3 bandas de proteínas correspondentes a ∼89, 58 e 48 kDa. No SDS-PAGE os extratos enzimáticos investigados (bruto e precipitado) refletem múltiplas proteínas detectadas no gel e revelam que as enzimas apresentaram várias bandas (entre 150 a 17 kDa). A análise do zimograma-CMC exibiu atividade celulolítica, sugerindo que as enzimas conseguiram hidrolisar a carboximetilcelulose sódica e possuem pelo menos dois tamanhos, ∼ 89 e 58 kDa. O método aplicado para o isolamento da celulase do isolado INTB3 apresentou um único pico de atividade celulolítica e através de SDS-9 PAGE a 12%, observou-se 3 bandas proteicas em torno de 113, 76, 52 kDa. No presente estudo, Dos microrganismos isolados para produção enzimática, o INTB3 foi identificado como o principal produtor de celulase, tendo a maior atividade específica após purificação parcial (30,13 U/mg). A purificação da endoglucanase de INTB3 através da cromatografia por exclusão de tamanho triplicou (96,25 UI/mL) a atividade específica celulolítica. Mais distante outros estudos tornam-se importantes para dar continuidade a estes experimentos para obter alto rendimento de produção, purificação e aplicação de celulase.Universidade Federal de AlagoasBrasilPrograma de Pós-Graduação em Química e BiotecnologiaUFALMalta, Valéria Rodrigues dos Santoshttp://lattes.cnpq.br/4963825852843234Almeida , Renata Maria Rosas Garciahttp://lattes.cnpq.br/3745446778086537Rocha, Martha Suzana Rodrigues dos Santoshttp://lattes.cnpq.br/8946724877286549Soletti, João Ináciohttp://lattes.cnpq.br/9033957482568348Gomes, Francis Soareshttp://lattes.cnpq.br/8626107472806227Barbosa , Kledson Lopes2019-04-02T16:47:57Z2019-03-142019-04-02T16:47:57Z2019-02-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfBARBOSA, Kledson Lopes. Produção, caracterização e purificação de celulase de bactérias do trato intestinal de Diatraea saccharalis. 2019. 115 f. Tese (Doutorado em Química e Biotecnologia) – Instituto de Química e Biotecnologia, Programa de Pós Graduação em Química e Biotecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2019.http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/4856porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL)instname:Universidade Federal de Alagoas (UFAL)instacron:UFAL2019-04-02T16:47:57Zoai:www.repositorio.ufal.br:riufal/4856Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufal.br/oai/requestri@sibi.ufal.bropendoar:2019-04-02T16:47:57Repositório Institucional da Universidade Federal de Alagoas (UFAL) - Universidade Federal de Alagoas (UFAL)false
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