Aumento da atividade celulásica para hidrólise da casca de coco verde pela aplicação da alta pressão hidrostática

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dc.contributor.advisor-co1Fernandes, Antonio Alberto Ribeiro
dc.contributor.advisor1Fernandes, Patricia Machado Bueno
dc.contributor.authorAlbuquerque, Érica Dutra
dc.contributor.referee1Marco, Janice Lisboa De
dc.contributor.referee2Torres, Fernando Araripe Gonçalves
dc.contributor.referee3Castro, Eustáqio Vinícius
dc.contributor.referee4Gomes, Daniel Cláudio de Oliveira
dc.date.accessioned2016-08-29T15:34:41Z
dc.date.available2016-07-11
dc.date.available2016-08-29T15:34:41Z
dc.date.issued2013-04-01
dc.description.abstractThe use of cellulosic biomass for cellulosic ethanol production has been a serious option for the production of renewable fuels. The main focus in the cellulosic ethanol production is to increase the hydrolysis of these cellulosic materials in order to produce products with a low-molecular weight, such as hexoses.The high costs involved with this process due to the use of cellulases and the biomass pretreatment, causes the main problem in an economically viable large-scale production of bioethanol. Even though enzymatic disruption of cellulose has been considered the best environmental practice, cellulase is the most expensive step during cellulosic ethanol production. Another problem is the inhibition of the cellulase complex by reducing-sugars such as cellobiose and glucose. Significant cost-reduction becomes needed in order to enhance viable commercial use of cellulase hydrolysis technology. Using coconut husk as a biomass substrate, we applied two approaches: firstly, we isolated fungi from coconut husks. We found that their cellulases outperforme the cellulases of the industry standards on the hydrolysis of coconut husk. Secondly, we employed High Hydrostatic Pressure (HHP) to the cellulases in order to improve the enzymatic performance. After the HHP treatment, we observed an increase in coconut husk hydrolysis by a factor of 2 as a result of an increase of the βglucosidase, endoglucanase and total cellulase activities. The effect of HHP is able to break the hydrogen bonds working down to the scales of the coconut fibers. Further, the inhibition of β-glucosidases caused by glucose was removed under HHP, the βglucosidases achivied higher activities in the presence of 55 mM of glucose as a result of changes in the conformation of this cellulase on HHP. Using bioinformatics tools to analyse structures of β-glucosidase and endoglucanase, we found hydrophobic aminoacids and glycosylation regions in the cavities; in the active sites; and on β-sheets structures. While HHP affects the cavities of the proteins, the carbohydrates can bind both to their side chains of hydrophobic amino acids as to glycosylation regions, leading to an increase of the activities and a stabilization of the protein. HHP to value of 300 MPa exposes the internal apolar parts of the coconut fiber (CEF) and favors the binding of hydrophobic aminoacids of the cellulase to these parts of the fibers, as well as to glucose. The increase of the cellulase hydrolysis under HHP can be caused by a factor that works like a CBM (Carbohydrate Binding Module) that approaches the substrate at the active site. Thus, employing both the 21 technologies HHP as well as substrate specific fungi can potentially make bioethanol production an economic viable and energy-efficient process, especially regarding the improvement of β-glucosidase activities.eng
dc.description.resumoA utilização de biomassa celulósica para a produção de etanol celulósico é uma alternativa como combustível renovável. O principal desafio desta produção é aumentar a hidrólise da biomassa celulósica a fim de adquirir produtos com um baixo peso molecular, como por exemplo hexoses. O alto custo do processo é o principal problema, devido às celulases e ao pré-tratamento que são dispendiosos. A utilização de hidrólise celulásica para a produção do bioetanol é considerada sustentável, porém inviável economicamente. Outro problema é a inibição do complexo celulásico por açúcares redutores, tais como celobiose e glicose. Reduções significativas dos custos são necessárias para melhorar a viabilidade comercial da tecnologia de hidrólise celulásica, principalmente a da casca de coco. Usando a casca de coco como substrato foram aplicadas duas abordagens: primeiro, foram isolados fungos da casca de coco, os quais alcançaram atividades celulásicas maiores do que as de fungos padrões utilizados na indústria. Na segunda etapa, a alta pressão hidrostática (HHP) foi utilizada para melhorar a hidrólise enzimática da casca de coco. As celulases dos fungos isolados da casca de coco demonstraram melhor desempenho do que as celulases dos fungos padrões durante a hidrólise celulásica das fibras da casca de coco, tanto em HHP quanto em pressão atmosférica. Observou-se um aumento de cerca de duas vezes na hidrólise da casca de coco usando HHP, devido aos aumentos das atividades β-glicosidásicas, endoglicanásica e celulásicas totais. As β-glicosidases alcançaram um aumento de suas atividades no valor de pressão de 300 MPa, mesmo em presença de concentrações inibitórias de glicose (55 mM). Este evento seria resultado das alterações conformacionais destas celulases, removendo a inibição por glicose. Usando bioinformática para identificar o efeito da HHP nas proteínas, as estruturas de β-glicosidases e endoglicanases foram analisadas por similaridade e alinhamento. Aminoácidos hidrofóbicos e regiões de glicosilação foram detectadas em cavidades, nos sítios ativos e em estruturas β-pregueadas. A análise sugere que a HHP ao afetar as regiões internas das proteínas, promove também a ligação de aminoácidos hidrofóbicos das cavidades e de regiões de glicosilação aos carboidratos, levando à estabilização da proteína e ao aumento da atividade. A HHP foi capaz de causar rupturas e de romper ligações de hidrogênio das fibras de coco, acessando partes internas. O valor de 300 MPa é capaz de expor as partes apolares das fibras, tais 19 como CEF, que podem se ligar por interação hidrofóbica aos aminoácidos internos das celulases expostos pela HHP. O aumento da hidrólise celulásica ao utilizarmos pressão, pode ser devido à aproximação do substrato ao sítio ativo via interações hidrofóbicas, tais como aquelas promovidas por CBM (modulos ligantes de carboidrato). Assim, empregando a tecnologia de HHP juntamente com celulases de fungos isolados de substratos específicos, o processo de produção de etanol celulósico pode se tornar econômico, viável e eficiente em termos energéticos, especialmente com relação ao melhoramento das atividades β-glicosidásicas.
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/4513
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseDoutorado em Biotecnologia
dc.publisher.departmentCentro de Ciências da Saúde
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Biotecnologia
dc.rightsopen access
dc.subjectCellulase hydrolysiseng
dc.subjectFungieng
dc.subjectCellulosic ethanoleng
dc.subjectCoconut huskeng
dc.subjectHHPpor
dc.subjectHidrólise celulásicapor
dc.subjectFungospor
dc.subjectEtanol celulósicopor
dc.subjectCasca de cocopor
dc.subject.cnpqBiotecnologia
dc.subject.udc61
dc.titleAumento da atividade celulásica para hidrólise da casca de coco verde pela aplicação da alta pressão hidrostática
dc.typedoctoralThesis
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