Perfil enzimático e análise filogenética de uma comunidade microbiana celulolítica

Abstract

A hidrólise da lignocelulose, presente na biomassa vegetal, requer a participação de uma série de enzimas lignocelulolíticas, produzidas por diversos micro-organismos. Este processo é natural, gradual e resulta na liberação de açúcares fermentáveis e outros produtos industriais. No entanto, o processo de hidrólise da lignocelulose na indústria requer uma formulação enzimática robusta e com amplo espectro de atividade hidrolítica, capaz de disponibilizar a maior quantidade possível de açúcares para os bioprocessos. Dessa forma, o ideal seria produzir coquetéis enzimáticos a partir de comunidades microbianas, que se estabelecem em ambientes onde o a biomassa vegetal está sendo degradada. Assim, os objetivos deste estudo foram: determinar e caracterizar atividades enzimáticas presentes no coquetel enzimático obtido a partir de uma comunidade microbiana celulolítica; determinar a diversidade de micro-organismos presentes nesta comunidade e inferir sobre as relações filogenéticas e funcionais entre seus membros. Uma comunidade microbiana celulolítica, derivada de duas outras comunidades foi cultivada em meio solução Peptona-Celulose (PCS), suplementado com 1% (p/v) de bagaço de cana, a 50°C e sem aeração, durante sete dias. O extrato enzimático produzido por esta comunidade apresentou cinco atividades enzimáticas diferentes (CMCase, FPase, xilanase, β-glicosidase e protease). Xilanase e CMCase alcançaram sua atividade máxima no sexto dia de cultivo (9,98 U mg -1 e 2,0 U mg -1 , respectivamente), FPase no quarto dia (0,6 U mg -1 ), β-glicosidase no terceiro (0,36 U mg -1 ) e protease no primeiro dia (0,05 U mg -1 ). O efeito do pH, temperatura e termoestabilidade sobre as atividades enzimáticas foi analisado. Xilanase e CMCase apresentaram maior atividade em pH 8,0, FPase e β-glicosidase em pH 7,0 e protease em pH 5,0. A melhor atividade de xilanase e CMCase ocorreu a 70°C, FPase a 60°C, β- glicosidase a 50°C e protease a 40°C. Xilanase, CMCase e FPase foram termoestáveis em todas as temperaturas testadas (40, 50 e 60°C) ao longo de 2h de incubação. A β- glicosidase foi termoestável nos 80 min iniciais, em todas as temperaturas. Protease foi termosensível a 40°C, nos 40 min iniciais de incubação. As atividades enzimáticas viiipresentes no coquetel enzimático, produzido pela comunidade microbiana mista, apresentaram tolerância a ampla faixa de pH e elevadas temperaturas e estabilidade térmica, exibindo potencial para aplicação em processos biotecnológicos. O DNA total da comunidade foi extraído, os genes ribossomais 16S e 28S foram amplificados e sequenciados. A análise das sequências dos genes ribossomais revelou que estes possuem similaridade maior que 90% com sequências conhecidas depositadas no GenBank e indicaram que a comunidade microbiana celulolítica era composta por diversas espécies de bactérias e fungos, que foram agrupadas em duas árvores filogenéticas. O fungo Ganoderma lucidum e a bactéria Ureibacillus não cultivável apresentaram a maior frequência relativa na comunidade. As complexas interações metabólicas e ecológicas entre as multiespécies microbianas, presentes na comunidade microbiana mista certamente contribuiram para a eficiente hidrólise da lignocelulose nas condições estabelecidas neste estudo.

The hydrolysis of lignocellulose present in the vegetable biomass requires the participation of a series of lignocellulolytic enzymes, produced by various microorganisms. This process is natural, gradual and results in the release of fermentable sugars and other industrially products. However, the hydrolysis process of the lignocellulose in the industry requires robust enzyme formulation with broad spectrum of hydrolytic activity, able to provide the largest possible amount of sugars for bioprocesses. Thus, the ideal would be to produce enzyme cocktails from microbial communities that are established in environments where the vegetable biomass is being degraded. The objectives of this study were to determine and characterize enzymatic activities present in the enzyme cocktail obtained from a cellulolytic microbial community; determine the diversity of micro-organisms present in this community and infer the phylogenetic and functional relationships among its members. One cellulolytic microbial community, derived from two other communities was cultured in Peptone- Cellulose Solution medium (PCS), supplemented with 1% (w/v) sugarcane bagasse, at 50°C, static conditions aeration, for seven days. The enzyme extract produced by this community showed activity of five different enzymes (CMCase, FPase, xylanase, β- glucosidase and protease). Xylanase and CMCase achieved their maximum activity on the sixth day of cultivation (9,98 U mg -1 e 2,0 U mg -1 , respectively), FPase on the fourth day (0,6 U mg -1 ), β-glucosidase on the third day (0,36 U mg -1 ) and protease on the first day (0,05 U mg -1 ). The effect of pH, temperature and thermostability of the enzyme activities was analyzed. Xylanase and CMCase exhibit higher activity in pH 8.0, FPase and β-glucosidase in pH 7.0 and protease in pH 5.0. The best activity of the xylanase and CMCase was at 70°C, FPase at 60°C, β-glucosidase at 50°C and protease at 40°C. Xylanase, CMCase and FPase were thermostable at all temperatures tested (50, 60 and 70°C) over 2h incubation. β-glucosidase was thermostable in the initial 80 min at all temperatures. Protease was thermosensitive at 40°C, in the initial 40 min. The enzymes present in the enzyme cocktail, produced by the mixed microbial community, presented xtolerance to a wide pH range and high temperatures and thermal stability, showing potential for application in biotechnological processes. The total DNA of the community was extracted, the 16S and 28S ribosomal genes were amplified and sequenced. Sequence analysis of ribosomal genes revealed that these have a similarity higher than 90% with known sequences deposited in GenBank and indicated that cellulolytic microbial community was composed of several species of bacteria and fungi that were grouped into two phylogenetic trees. The Ganoderma lucidum fungus and bacteria Ureibacillus uncultivable had the highest relative frequency in the community. The complex metabolic and ecological interactions between microbial multi-species present in the mixed microbial community certainly contributed to the efficient depolymerization of lignocellulose under the conditions established in this study.