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Tipo: Tese
Data do documento: Mar-2024
Autor(es): VIRGOLINO, Rodrigo Rodrigues
Afiliação do(s) Autor(es): UFPA - Universidade Federal do Pará
Primeiro(a) Orientador(a): GONÇALVES, Evonnildo Costa
Título: Caracterização molecular in silico de uma mono-oxigenase lítica de polissacarídeo cianobacteriana
Citar como: VIRGOLINO, Rodrigo Rodrigues. Caracterização molecular in silico de uma mono-oxigenase lítica de polissacarídeo cianobacteriana. Orientador: Evonnildo Costa Gonçalves. 2024. 83 f. Tese (Doutorado em Biotecnologia) - Universidade Federal do Pará, Instituto de Ciências Biológicas, Belém, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/16827. Acesso em:.
Resumo: As mono-oxigenases líticas de polissacarídeos (LPMOs, do inglês Lytic polysccharide monooxygenases) são enzimas dependentes de cobre que catalisam a clivagem oxidativa de ligações glicosídicas β(1-4) e têm despertado grande atenção por se mostrarem importantes em aumentar a eficiência da degradação de substratos poliméricos recalcitrantes, em sinergismo com a ação de enzimas hidrolíticas, como uma função acessória. No entanto, as LPMOs atuam via clivagem oxidativa ao invés de hidrólise. Em aplicações industriais, LPMOs de origem fúngica são as mais frequentes, enquanto outros grupos taxonômicos têm sido descritos como possíveis fontes alternativas destas enzimas. No presente estudo, objetivou-se identificar e caracterizar in silico uma LPMO de origem cianobacteriana com funções putativas na despolimerização de quitina. A busca por similaridade de sequências e conservação de domínios com outras LPMOs já caracterizadas identificou uma proteína de 289 AAs da cianobactéria Mastigocoleus testarum da Ordem Nostocales, sendo uma provável LPMO da classe CAZy-AA10. Esta proteína é referida como MtLPMO10. A análise filogenética relevou que a MtLPMO10 é homóloga à proteína Tma12 da samambaia Tectaria macrodonta, com 52,11% de identidade, a qual foi a primeira LPMO caracterizada como proveniente do reino vegetal. A ocorrência de padrões estruturais e funcionais compartilhados com outras LPMOs da classe AA10, bem como a existência de variações nesses padrões estabelecidos, contribui para o entendimento das funções biológicas dessa classe de enzimas. A disposição terciária proteica predita pelo servidor AlphaFold apontou características estruturais comuns às LPMOs, em especial uma braçadeira de histidinas compostas pela His31 e His132 e um domínio similar à imunoglobulina composto de fitas beta antiparalelas. A simulação de dinâmica molecular (DM) permitiu avaliar a afinidade entre enzima e prováveis substratos, utilizando uma pose inicial baseada em dados obtidos da literatura. Houve estabilidade do complexo MtLPMO10-quitina durante 100ns de DM, enquanto o complexo MtLPMO10-celulose desfez-se em 30ns de DM. Também, houve uma menor distância Cu(I)-H4 no primeiro complexo, comparada à distância Cu(I)-H1 (médias 6,0 ± 0,7 Å e 7,9 ± 0,7 Å, respectivamente), sugerindo uma regioseletividade do tipo C4, como definido para a Tma12. Este estudo destaca a existência de mono-oxigenases líticas de polissacarídeos em cianobactérias, e abre caminho para novas investigações relacionadas a esta classe enigmática de enzimas e seu potencial uso em aplicações biotecnológicas.
Abstract: Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) are copper-dependent enzymes that catalyze the oxidative cleavage of β(1-4) glycosidic bonds and have attracted great attention due to importance in increasing the efficiency in degradation of recalcitrant polymeric substrates, in synergism with the action of hydrolytic enzymes, as an accessory function. However, LPMOs act via oxidative cleavage rather than hydrolysis. In industrial applications, LPMOs of fungal origin are the most frequent, while other taxonomic groups have been described as possible alternative sources of these enzymes. In the present study, we aimed to identify and characterize in silico a LPMO of cyanobacterial origin with putative functions in chitin depolymerization. The search for sequence similarity and conservation of domains with other characterized LPMOs identified a 289 AA protein from the cyanobacterium Mastigocoleus testarum of the Nostocales Order, being a probable LPMO of the CAZy-AA10 class. This protein is referred to as MtLPMO10. Phylogenetic analysis revealed that MtLPMO10 is homologous to the Tma12 protein from the fern Tectaria macrodonta, with 52.11% identity, which was the first LPMO characterized as originating from the plant kingdom. The occurrence of shared structural and functional patterns with other AA10 class LPMOs, as well as the existence of variations in these established patterns, contributed to the understanding of the biological functions of this class of enzymes. The predicted protein tertiary arrangement by the AlphaFold server pointed out structural features common to LPMOs, especially a histidine brace composed of His31 and His132 and an immunoglobulin-like domain consisting of antiparallel beta strands. Molecular dynamics simulation (MD) allowed evaluating the enzyme-substrate affinity, using an initial pose based on data obtained from the literature. There was stability of the MtLPMO10-chitoheptaose complex during 100ns of MD, while the MtLPMO10-celloheptaose complex broke apart in 30ns of MD. Also, there was a shorter Cu(I)-H4 distance in the first complex compared to the Cu(I)-H1 distance (averages 6.0 ± 0.7 Å and 7.9 ± 0.7 Å, respectively), suggesting a C4-type regioselectivity, as defined for Tma12. This study highlights the existence of lytic polysaccharide monooxygenases in cyanobacteria and paves the way for further investigations related to this enigmatic class of enzymes and their potential use in biotechnological applications.
Palavras-chave: Oxigenases de função mista
Polissacarídeos bacterianos
Materiais biocompatíveis
Biocombustíveis
Cianobactérias
Quitina
Despolimerização
Mastigocoleus
Área de Concentração: Biotecnologia
Linha de Pesquisa: Biotecnologia de Recursos Naturais Aplicada a Saúde
CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Pará
Sigla da Instituição: UFPA
Instituto: Instituto de Ciências Biológicas
Programa: Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Fonte URI: Disponível na internet via correio eletrônico: bibbiologicas@ufpa.br
Aparece nas coleções:Teses em Biotecnologia (Doutorado) - PPGBIOTEC/ICB

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