Caracterização e atividade biológica de quitinases provenientes de uma biblioteca metagenômica

Abstract

Resumo: A quitina é um polímero linear e insolúvel composto por resíduos de N-acetil-Dglucosamina (GlcNAc) formando ligações ?(1'4). Depois da celulose, é o segundo polissacarídeo mais abundante do planeta estando presente na parede celular de fungos e leveduras e no exoesqueleto de artrópodes. A quitosana é a forma deacetilada parcial da quitina, portanto é um heteropolímero formado por resíduos de GlcNAc e Dglucosamina (GlcN). Ao contrário da quitina é solúvel em soluções ácidas diluídas. Quitinases são enzimas que catalisam a hidrólise das ligações ?(1'4) entre unidades de NAcGlc ou NAcGlc e GlcN. Estudos utilizando quitinases e quitosanas identificaram um potencial de aplicação no controle de pragas agrícolas e fitopatógenos. Estes agentes são principalmente insetos, fungos ou helmintos que possuem em sua estrutura o polissacarídeo quitina. As quitinases atuam degradando parte da estrutura dos agentes fitopatógenos ou fitófagos impedindo seu desenvolvimento. As quitosanas atuam ativando o sistema de defesa das plantas, pois mimetizam parte das estruturas dos agentes causadores de doenças. O projeto de doutorado teve como objetivo caracterizar a atividade de quitinases, isoladas de uma biblioteca metagenômica (Chi1 e Chi3) e determinar a aplicação das enzimas e seus produtos como agentes de biocontrole e promotores de crescimento em plantas. Parte do doutorado foi realizado no Laboratório de Biologia e Biotecnologia de Plantas da Universidade de Münster (Alemanha). A Chi1 é uma chitinase processiva que libera dímeros como principal produto de substratos insolúveis. A Chi3 também produz principalmente dímeros mas a clivagem de trímeros é maior que a de Chi1. Ambas atividades ótimas foram obtidas em pH 5 e temperaturas entre 50 e 60°C. As enzimas prejudicaram o desenvolvimento de lagartas de Spodoptera eridania e do fungo fitopatogênico Fusarium graminearum. Os produtos da hidrólise de quitosana com grau de acetilação de 35%, aceleraram a germinação de sementes de trigo e causaram um aumento da resistência de plantas de trigo contra o fungo Blumeria graminis. Palavras-chave: quitinases, quitosana e biocontrole

Abstract: Chitin is a linear polysaccharide of ?-1,4-linked N-acetyl glucosamine (GlcNAc) residues that are highly cross-linked by hydrogen bonds, thus insoluble in water. It is a major structural component of insect exoskeletons, crustacean shells, fungi and nematodes, hence, chitin is the second most abundant biopolymer on Earth, after cellulose. Chitosan is the partial deacetylated form of chitin, a heteropolymer of GlcNAC and D-glucosamine (GlcN) residues. It is soluble in weak acid solution. Chitinases are enzymes that catalyse ?(1'4) link hydrolysis between GlcNAcs or GlcNAc and GlcN residues. Some studies with chitinases and chitosan identify a potential application on biocontrol of agriculture pests and phytopathogenic fungi. Chitinases act damaging insects, fungi and nematodes chitin structures. Chitosan can prime plants immune system, as it mimics the structure of disease causative agents. These PhD project aimed to characterize the activity of chitinases from a metagenomics library (Chi1 and Chi3) and to evaluate the usability of enzymes and their products as biocontrol and growth promotor on plants. Part of PhD project was performed in the Institute of Plant Biotechnology and Biology, University of Münster, (Germany). Chi1 is a processive chitinase that releases mainly dimers as product on insoluble substrate. Chi3 produces dimers as well, but trimers are also produced from insoluble substrates. Both enzymes have optimum activity at pH 5 and temperatures between 50 and 60°C. The chitinases impaired the development of Spodoptera eridania larvae and the fungi Fusarium graminearum. The hydrolysates produced from chitosan with degree of acetylation of 35% speeded up the germination of wheat seeds and induced resistance to the fungi Blumeria graminis on wheat plants. Keywords: chitinases, chitosan and biocontrol