Bioprospection and characterization of the amylolytic activity by filamentous fungi from Brazilian Atlantic Forest / Bioprospecção e caracterização da atividade amilolítica de fungos filamentosos da Mata Atlântica Brasileira

Abstract Filamentous fungi are widely diverse and ubiquitous organisms. Such biodiversity is barely known, making room for a great potential still to be discovered, especially in tropical environments - which are favorable to growth and species variety. Filamentous fungi are extensively applied to the production of industrial enzymes, such as the amylases. This class of enzymes acts in the hydrolysis of starch to glucose or maltooligosaccharides. In this work twenty-five filamentous fungi were isolated from samples of decomposing material collected in the Brazilian Atlantic Forest. The two best amylase producers were identified as Aspergillus brasiliensis and Rhizopus oryzae. Both are mesophilic, they grow well in organic nitrogen-rich media produce great amounts of glucoamylases. The enzymes of A. brasiliensis and R. oryzae are different, possibly because of their phylogenetical distance. The best amylase production of A. brasiliensis occurred during 120 hours with initial pH of 7.5; it had a better activity in the pH range of 3.5-5.0 and at 60-75°C. Both fungal glucoamylase had wide pH stability (3-8) and were activated by Mn2+. R. oryzae best production occurred in 96 hours and at pH 6.5. Its amylases had a greater activity in the pH range of 4.0-5.5 and temperature at 50-65ºC. The most significant difference between the enzymes produced by both fungi is the resistance to thermal denaturation: A. brasiliensis glucoamylase had a T50 of 60 minutes at 70ºC. The R. oryzae glucoamylase only had a residual activity when incubated at 50°C with a 12 min T50.

Resumo Fungos filamentosos são organismos amplamente diversificados e ubíquos. Esta biodiversidade ainda é pouco caracterizada, desta forma, há um grande potencial a ser descoberto, sobretudo em biomas tropicais, que favorecem o crescimento e diversificação de espécies. Fungos filamentosos são extensivamente utilizados para a produção industrial de enzimas, como as amilases. Esta classe de enzimas atua na hidrólise do amido em glicose ou maltooligossacarídeos. Neste trabalho 25 cepas de fungos filamentosos foram isoladas a partir de amostras de material em decomposição coletados na Mata Atlântica Brasileira. As duas cepas que produziram mais amilases foram identificadas como Aspergillus brasiliensis e Rhizopus oryzae. Ambos os fungos são mesofílicos, crescem bem em meio de cultivo rico em nitrogênio orgânico, e produziram grande quantidade de glucoamilase. As enzimas de A. brasiliensis e R. oryzae possuem características distintas, possivelmente devido à distância filogenética das espécies. A produção de amilase mais expressiva de A. brasiliensis ocorreu em 120 horas de cultivo e pH inicial de 7,5; possui maior atividade em temperaturas entre 60-75ºC e pH entre 3,5-5,0. Ambas glucoamilases fúngicas obtiveram ampla estabilidade de pH (3-8) e foram ativadas por Mn2+. A melhor produção de R. oryzae ocorreu em 96 horas de cultivo e pH 6,5. Suas amilases são mais ativas na faixa de pH de 4,0-5,5 e temperatura entre 50-60ºC. A diferença mais significativa dentre as enzimas produzidas pelos fungos selecionados é a resistência à desnaturação térmica, tendo a glucoamilase de A. brasiliensis um T50 de 60 minutos a 70ºC, já a glucoamilase de R. oryzae somente obteve atividade residual quando incubada a 50°C, com um T50 de apenas 12 minutos.

Mycelial glucoamylases produced by the thermophilic fungus Scytalidium thermophilum strains 15.1 and 15.8: purification and biochemical characterization / Glucoamilases miceliais produzidas pelas linhagens 15.1 e 15.8 do fungo termofílico Scytalidium thermophilum: purificação e caracterização bioquímica

Two strains (15.1 and 15.8) of the thermophilic fungus Scytalidium thermophilum produced high levels of intracellular glucoamylases, with potential for industrial applications. The isoform I of the glucoamylase produced by 15.1 strain was sequentially submitted to DEAE-Cellulose and CM-Cellulose chromatography, and purified 141-fold, with 5.45 percent recovery. The glucoamylase of strain 15.8 was purified 71-fold by CM-Cellulose and Concanavalin A-Sepharose chromatography, with 7.38 percent recovery. Temperature and pH optima were in the range of 50-60ºC and 5.0-6.0, respectively, using starch and maltose as substrates. The glucoamylase of S. thermophilum 15.8 was more stable (t50 > 60 min) than that of S. thermophilum 15.1 (t50= 11-15 min), at 60ºC. The glucoamylase activities were enhanced by several ions (e.g. Mn2+ and Ca2+) and inhibited by β-mercaptoethanol. The glucoamylase from 15.1 strain showed a Km of 0.094 mg/ml and 0.029 mg/ml and Vmax of 202 U/mg prot and 109 U/mg prot, for starch and maltose, respectively. The hydrolysis products of starch and maltose, analyzed by TLC, demonstrated glucose as end product and confirming the character of the enzyme as glucoamylase. Differences were observed in relation to the products formed with maltose as substrate between the two strains studied. S. thermophilum 15.8 formed maltotriose in contrast with S. thermophilum 15.1.

Duas linhagens (15.1 e 15.8) do fungo termofílico Scytalidium thermophilum se mostraram produtoras de grandes quantidades de glucoamilases, com potencial aplicação industrial. A isoforma I de glucoamilase produzida pela linhagem 15.1 foi submetida seqüencialmente a cromatografia em colunas de DEAE-celulose e CM-celulose, sendo purificada 141 vezes com porcentagem de recuperação de 5,45 por cento. A glucoamilase da linhagem 15.8 foi purificada 71 vezes através do uso de colunas de cromatografia de CM-celulose e Concanavalina A-sepharose com porcentagem de recuperação de 7,38 por cento. Temperatura e pH ótimo foram de 50-60ºC e 5,0-6,0 respectivamente, utilizando-se amido e maltose como substratos. A glucoamilase de S. thermophilum 15.8 se mostrou mais estável (t50 > 60 min) que a de S. thermophilum 15.1 (t50 =11-15min) a 60ºC. As glucoamilases tiveram suas atividades enzimáticas aumentadas na presença de vários íons (ex: Mn2+, e Ca2+) e inibidas por β-mercaptoetanol. A glucoamilase da linhagem 15.1 apresentou um Km de 0,094 mg/ml e 0,029 mg/ml and Vmax de 202U/mg prot e 109U/mg prot, para amido e maltose respectivamente. A análise do produto da hidrólise de amido e maltose por TLC, demonstrou que o produto final era glucose, confirmando as características da enzima como glucoamilase. Diferenças entre as duas linhagens foram observadas com relação aos produtos formados tendo maltose como susbstrato, a linhagem 15.8 de S. thermophilum produziu maltotriose como produto final em contrate com a linhagem 15.1.

Production and characterization of glucoamylase from fungus Aspergillus awamori expressed in yeast Saccharomyces cerevisiae using different carbon sources

Glucoamylase is widely used in the food industry to produce high glucose syrup, and also in fermentation processes for production beer and ethanol. In this work the productivity of the glucoamylase of Aspergillus awamori expressed by the yeast Saccharomyces cerevisiae, produced in submerged fermentation using different starches, was evaluated and characterized physico-chemically. The enzyme presented high specific activity, 13.8 U/mgprotein or 2.9 U/mgbiomass, after 48 h of fermentation using soluble starch as substrate. Glucoamylase presented optimum activity at temperature of 55ºC, and, in the substratum absence, the thermostability was for 1h at 50ºC. The optimum pH of activity was pH 3.5 - 4.0 and the pH stability between 5.0 and 7.0. The half life at 65ºC was at 30.2 min, and the thermal energy of denaturation was 234.3 KJ mol-1. The hydrolysis of different substrate showed the enzyme's preference for the substrate with a larger polymerization degree. The gelatinized corn starch was the substratum most susceptible to the enzymatic action.

A glucoamilase é amplamente utilizada na indústria de alimentos no processamento do amido para a produção de xarope com alto teor de glicose e também muito empregada nos processos de fermentação para produção de cerveja e etanol. Neste trabalho a glucoamilase de Aspergillus awamori expressa em Saccharomyces cerevisiae produzida sob fermentação líquida foi avaliada quanto à produtividade em diferentes amidos e caracterizada físico-quimicamente. A enzima apresentou alta atividade específica de 13,8 U/mg proteína e de 2,9 U/mg biomassa ao final de 48 h de fermentação em meio contendo amido solúvel. A glucoamilase apresentou temperatura ótima de atividade a 55ºC, e temperatura de desnaturação térmica na ausência de substrato por 1h a 50ºC. O pH ótimo de atividade foi na faixa de 3,5 - 4,0 e a estabilidade ao pH entre os valores 5,0 e 7,0. A meia vida a 65ºC foi 30,2 min., e a energia de desnaturação foi de 234.3 KJ mol-1. A hidrólise em diferentes substratos mostrou a preferência da enzima pelos substratos com maior grau de polimerização, sendo o amido de milho gelatinizado o substrato preferencial à ação enzimática.