Genômica funcional de Clostridium thermocellum em diferentes condições de cultivo

Abstract

O Brasil possui biomassa de origem lignocelulósica, de abundância, como os resíduos da indústria da cana de açúcar que, podem ser convertidos em produtos de alto valor agregado. Clostridium thermocellum é um microrganismo com grande potencial para degradação de celulose e biomassa lignocelulósica, devido à capacidade dessa bactéria em secretar um complexo multi-enzimático (celulossoma), formado por um arsenal de enzimas entre glicosil hidrolases, carboidrato esterases, e polissacarídeo liases, considerado carboidrato-ativas. Além disso, essa bactéria fermenta hexoses (C6) e não pentoses (C5), produzindo principalmente etanol, acetato e lactato. A regulação da expressão de genes, regulados pela fonte de carbono, é uma temática de contínuo estudo. Assim, foi realizado o proteoma descritivo de Clostridium thermocellum quando crescido por 96 horas em diferentes fontes de carbono: celulose, bagaço e palha de cana. Foram analisadas diferentes frações de conteúdo de proteína; sobrenadante (FS), ligado ao substrato (FES), e parcialmente purificado em coluna de exclusão molecular (CPP). Em todas as frações foram encontradas proteínas relacionadas à degradação da biomassa, em maior número em amostras de CPP de celulose, seguido pela amostra FES de palha. As exoglucanases CelS, CelK, CbhA, e proteínas estruturais CipA e OlpB foram encontradas em todos os substratos. Na amostra de bagaço foram identificadas as endoglucanases CelN, CelA, CelB, CelR, CelJ, CelQ, CelW, CelG e hemicelulases, Xgh74A, XynC, XynZ, Cthe_0798, sendo a última, presente também em palha. O transcritoma (RNAseq) e análise diferencial dos genes nas mesmas condições, porém em 37 horas, foi realizado. Das proteínas encontradas no proteoma, os genes cthe_0798 e xgh74A foram encontrados diferencialmente expressos em bagaço quando comparado com celulose, seguido pelos genes codificadores de CelP, CtMan5A, CelC, XynA, ManA, Cthe_1257, Cthe_3163 e Orf2p. Genes envolvidos na mobilidade celular, incluindo proteínas de formação de flagelos, motor e regulação, foram encontrados como a categoria (COG N) de maior regulação positiva em bagaço e palha. Na mesma categoria estão genes envolvidos na quimiotaxia e quorum sensing. Durante as análises do transcritoma foi verificada a presença de outra bactéria, Moorella thermoacetica, conhecida por não ser celulolítica, porém com a habilidade de fermentar açúcares C5 e C6. A análise de expressão diferencial de genes nos diferentes tratamentos, mostrou moth_0612 e moth_0699 regulados positivamente em bagaço, ambos codificando transportadores de ribose (C5). A análise de proteínas ortólogas entre as duas bactérias revelou que M.thermoacética não possui ortólogos com potenciais de atuar como enzimas carboidrato ativas de C.thermocellum. Relativo à C.thermocellum, o gene cthe_2196, ausente de caracterização, contendo os domínios GH43, CBM6 e Doquerina tipo I, foi encontrado expresso em bagaço e palha, ausente em celulose, além de ser predito como fazendo parte de um operon juntamente com cthe_2195. Cthe_2196, foi clonado em sistema pET, expresso em E.coli, e a proteína denominada AxB8 foi caracterizada bioquimicamente. AxB8 possui habilidade de degradar arabinoxilana e substratos sintéticos pNP-α-Larabinofuranosidase, e pNP-α-L-arabinofuranosidase. AxB8 apresenta domínio Glicosil hidrolase família 43, subfamília 29, e sua sequência mostrou maior similaridade com outras proteínas de termófilos não caracterizadas. Concluindo, os resultados desse trabalho demonstraram proteínas que são essenciais à degradação de bagaço e palha de cana, além de revelar importantes mecanismos regulados nessas condições que facilitam a proximidade da bactéria com o substrato, como os genes envolvidos na motilidade da bactéria. Essas informações podem ser utilizadas para desenvolvimento de novas linhagens e enzimas que aumentem o processo de degradação de biomassas lignocelulósicas, com o concomitante uso de produtos formados na geração de novas tecnologias.