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Type: Tese
Title: Avaliação bioquímica e estrutural de enzimas recombinantes envolvidas na degradação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos
Authors: Lorena Gusmão Alvarenga de Andrade
First Advisor: Ronaldo Alves Pinto Nagem
First Referee: Rafael Victório Carvalho Guido
Second Referee: Juliana Barbosa Coitinho Gonçalves
Third Referee: Lucas Bleicher
metadata.dc.contributor.referee4: Mariana Torquato Quezado de Magalhães
Abstract: Os Hidrocarbonetos Aromáticos Policíclicos (HAPs), compostos orgânicos formados por anéis benzênicos fusionados, são contaminantes ambientais que ocorrem naturalmente durante a combustão de matéria orgânica como também pelo derramamento de petróleo e outros processos industriais. Existe uma grande diversidade de bactérias capazes de degradar os HAPs e as enzimas presentes na vias metabólicas podem ser utilizadas para remediar esses poluentes. O naftaleno é um dos HAPs mais tóxicos sendo utilizado como modelo no estudo de degradação desses compostos e, em P. putida G7 o metabolismo do naftaleno é um processo bem estudado. O complexo enzimático da naftaleno dioxigenase (NahA) atua na primeira reação da via de degradação desse contaminante e a NahA pertence a uma grande família de Rieske oxigenases que iniciam a degradação de diversos compostos aromáticos. Todavia, a busca por potenciais enzimas envolvidas na degradação de HAPs não está limitada à P. putida G7, sendo que diferentes fontes validadas podem ser incluídas para enriquecer os bancos de dados. Neste trabalho foi realizada a busca por proteínas homólogas a NahA com o intuito de se obter um complexo dioxigenase que atue sobre vários substratos aromáticos. As sequências gênicas das proteínas de Achromobacter xylosoxidans A8, denominadas de Aa, Ab, Ac e Ad foram selecionadas a partir de bases genômicas e metagenômicas de diferentes organismos. As proteínas recombinantes foram expressas separadamente em três componentes (Aa, Ab e AcAd) bem como co-expressas em conjunto e após a expressão, as células foram submetidas a lise celular para a liberação das proteínas e o extrato resultante foi imediatamente utilizado para a purificação por cromatografias de afinidade e de exclusão molecular. O processo de purificação com o sistema contendo o complexo dioxigenase (AaAbAcAd) foi o mais satisfatório e por isso, decidiu-se dar prosseguimento com essa amostra. As proteínas recombinantes foram identificadas por western blotting e por espectrometria de massa. Através dos ensaios de ensaios de espalhamento dinâmico de luz (DLS) as proteínas apresentaram-se, em solução, como monodispersas sendo Aa em forma dimérica e AcAd como hexamérica. A atividade enzimática do complexo dioxigenase foi demonstrada pelo consumo de NADH. A estrutura cristalográfica contendo as proteínas AcAd, foi resolvida a 1,35 Å e o modelo cristalográfico apresentou enovelamento α/β típico das Rieske oxigenases, com os domínios Rieske [2Fe-2S] e catalítico na subunidade alfa bem definidos, com exceção da presença do átomo de manganês mononuclear no sítio ativo, ao invés do ferro, metal conservado para as dioxigenases. Na unidade assimétrica, a molécula foi encontrada na forma de heterodímero αβ e através de operações de simetria cristalográfica observou-se a unidade biológica, na forma de heterohexâmero (α3β3). Os resíduos Cys-104, His-106, Cys-124 e His-127 no domínio Rieske e os resíduos His-232, His-237 e Asp-379 no domínio catalítico são conservados para todas as Rieske oxigenases sendo importantes para a catálise. Os resíduos não conservados presentes no sítio catalítico Leu-325, His-323, Val-375 e Ile-369 se mostraram importantes, podendo contribuir para a especificidade e acomodação de substratos. No modelo cristalográfico contendo o catecol, este apresentou-se ligado ao sítio ativo, interagindo com a Asn-226. Os resultados deste trabalho apresentam pela primeira vez estudos sobre as características estruturais em relação ao componente catalítico do complexo dioxigenase de Achromobacter xylosoxidans A8, os quais contribuem para estudos futuros sobre a identificação de resíduos-chave para catálise sobre diversos substratos.
Abstract: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), organic compounds formed by fused benzene rings, are environmental contaminants that occur naturally during the combustion of organic matter as well as by oils spills and other industrial processes. There is a great diversity of bacteria capable of degrading the PAHs and the enzymes present in the metabolic pathways can be used for the bioremediation of these pollutants. Naphthalene is one of the most toxic HAPs being used as a model in the degradation study of these compounds and in P. putida G7 the metabolism of naphthalene is a well-studied process. The enzymatic complex of naphthalene dioxygenase (NahA) acts in the first reaction of the degradation pathway of this contaminant and NahA is a member of a large family of Rieske oxygenases which initiates the degradation of various aromatic compounds. However, the search for potential enzymes involved in the degradation of PAHs is not limited to P. putida G7, and different validated sources can be included to enrich the databases. In this work the search for proteins homologous to NahA was carried out in order to obtain a dioxygenase complex that could act on several aromatic substrates. The gene sequences of the dioxygenase complex proteins Aa, Ab, Ac and Ad from Achromobacter xylosoxidans A8 were selected from genomic and metagenomics databases of different organisms. Recombinants proteins were expressed separately in three components (Aa, Ab and AcAd) as well as co-expressed together and after the expression, cells were lysed for protein release and the resulting extract was immediately subjected to purification by affinity chromatography followed by a size exclusion chromatography. The purification process with the system containing the dioxygenase complex (AaAbAcAd) was the most satisfactory and therefore it was decided to proceed with this sample. Recombinant proteins were identified by western blotting and mass spectrometry. Dynamic light scattering (DLS) assays with the samples showed the proteins presented in solution as monodisperse, with Aa as monomeric and AcAd as hexameric forms.The enzymatic activity of the complex was measured by the NADH consumption. Crystallographic structure of the AcAd proteins was solved at 1.35 Å and the crystallographic model presented an α/β folding typical of the Rieske oxygenases, with the well-defined Rieske [2Fe-2S] and catalytic domains in the alpha subunit, except for the presence of the mononuclear manganese in the active site, rather than iron, a conserved metal of the dioxygenases. In the asymmetric unit, the molecule was found in the form of αβ heterodimer and with crystallographic symmetry operations the biological unit was observed, in the form of heterohexamer (α3β3). Cys-104, His-106, Cys-124 and His-127 residues in the Rieske domain and His-232, His-237 and Asp-379 in the catalytic domain are conserved residues for all Rieske oxygenases being important for catalysis. The non-conserved residues present in the catalytic site Leu-325, His-323, Val-375 and Ile-369 proved to be important and could contribute to the specificity and accommodation of substrates. In the crystallographic model containing catechol, it was bound to the active site, interacting with Asn-226. The results of this work present, for the first time, studies of structural characteristics concerning the catalytic component of the dioxygenase complex from Achromobacter xylosoxidans A8, which can contribute for future studies on the identification of key residues for catalysis on several substrates.
Subject: Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos
Achromobacter denitrificans
Proteínas recombinantes
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICB - DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA E IMUNOLOGIA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Bioquímica e Imunologia
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/34938
Issue Date: 18-Feb-2019
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