Em formação

Em que organismos são encontradas as enzimas cloroperoxidase?


Eles são encontrados em humanos? Estou pensando porque eles exibem uma semelhança estrutural com a glicose-6-fosfatase, que é uma enzima importante na gliconeogênese.


Ele só é encontrado em um ascomicetes que é nomeado Leptoxyphium fumago, também conhecido como Caldariomyces fumago.

Não foi encontrado em nenhuma outra espécie que conhecemos, conforme pesquisado no RCSB PDB e no Uni-Prot.

Nas pesquisas que o utilizam, eles o extraem do organismo, também está disponível para compra de empresas como a Sigma Aldrich, que também o extraem do ascomiceto.

Fontes:

Melhoria da atividade e estabilidade da cloroperoxidase por modificação química

Superexpressão de cloroperoxidase em Caldariomyces fumago.

Banco de dados de proteínas RCSB

Uni-Prot


Engenharia baseada em genoma de enzimas ligninolíticas em fungos

Muitos fungos crescem como organismos sapróbios e obtêm nutrientes de uma ampla variedade de materiais orgânicos mortos. Entre os sapróbios, as espécies de fungos que crescem na madeira ou em ambientes poluídos desenvolveram mecanismos prolíficos para a produção de compostos degradantes, como as enzimas ligninolíticas. Essas enzimas incluem matrizes de oxidorredutase com potencial redox intenso, como lacase, catalase e peroxidases. A capacidade de produzir enzimas ligninolíticas torna uma variedade de espécies de fungos adequadas para aplicação em muitas indústrias, incluindo a produção de biocombustíveis e antibióticos, biorremediação e aplicação biomédica como biossensores. No entanto, as enzimas ligninolíticas fúngicas são produzidas naturalmente em pequenas quantidades que podem não atender às demandas industriais ou de mercado. Na última década, biologia sintética combinada e projetos computacionais produziram resultados significativos no aprimoramento da síntese de compostos naturais em fungos.

Corpo principal do resumo

Nesta revisão, fornecemos insights sobre diferentes métodos de engenharia de proteínas, incluindo abordagens de evolução racional, semirracional e direcionada que foram empregadas para aumentar a produção de algumas enzimas ligninolíticas importantes em fungos. Descrevemos o papel da engenharia de vias metabólicas para otimizar a síntese de compostos químicos de interesse em vários campos. Destacamos novas técnicas de biologia sintética para ativação de agrupamento de genes biossintéticos (BGC) em fungo e reconstrução heteróloga de BGC em células microbianas. Também discutimos em detalhes algumas enzimas ligninolíticas recombinantes que foram aumentadas e expressas com sucesso em diferentes hospedeiros heterólogos. Finalmente, descrevemos o avanço recente nos sistemas de proteínas CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) -Cas (associado ao CRISPR) como a biotecnologia mais promissora para a produção em larga escala de enzimas ligninolíticas.

Conclusão curta

A agregação, expressão e regulação de enzimas ligninolíticas em fungos requerem procedimentos muito complexos com muitos fatores interferentes. Estratégias de biologia sintética e computacional, conforme explicadas nesta revisão, são ferramentas poderosas que podem ser combinadas para resolver esses quebra-cabeças. Essas estratégias integradas podem levar à produção de enzimas com habilidades especiais, como amplas especificações de substrato, termoestabilidade, tolerância a longos períodos de armazenamento e estabilidade em diferentes condições de substrato, como pH e nutrientes.


Resumo

O desempenho catalítico da cloroperoxidase (CPO) na peroxidação de 2, 2′-azinobis - (- 3 etilbenzotiazolina-6-ácido sulfonônico) sal de diamônio (ABTS) e oxidação do indol em uma micela reversa composta de surfactante-água-isooctano-pentanol foi investigado e otimizado neste trabalho. Alguns resultados positivos foram obtidos como a seguir: a atividade de peroxidação do CPO foi aumentada em 248% e 263%, enquanto a atividade de oxidação foi aumentada em 215% e 222% em meio de micela reversa de brometo de cetiltrimetilamônio (CTABr) e meio de brometo de dodeciltrimetilamônio (DTABr), respectivamente. A termoestabilidade também foi muito melhorada na micela reversa: a 40 ° C, o CPO essencialmente perdeu toda a sua atividade após 5 h de incubação, enquanto 58-76% da atividade catalítica foi retida para ambas as reações nos dois meios de micela reversa. A 50 ° C, cerca de 44-75% da atividade catalítica permaneceu para ambas as reações na micela reversa após 2 h em comparação com nenhuma atividade observada no tampão puro nas mesmas condições. O aumento da atividade de CPO era dependente principalmente da concentração e estrutura do surfactante, proporção de solvente orgânico (V pentanol/V isooctano) e conteúdo de água na micela reversa. Os parâmetros cinéticos obtidos mostraram que a frequência de turnover catalítico (k gato) foi aumentado na micela reversa. Além disso, quanto mais baixo K m e mais alto k gato/K m demonstraram que tanto a afinidade quanto a especificidade do CPO para substratos foram melhoradas em meios de micelas reversas. Os ensaios de fluorescência, dicroísmo circular (CD) e espectros de UV-vis indicaram que uma conformação cataliticamente favorável da enzima foi alcançada na micela reversa, incluindo o fortalecimento da estrutura da proteína α-hélice e maior exposição do grupo protético heme para fácil acesso de o substrato em solução a granel. Esses resultados são promissores tendo em vista as aplicações industriais desse versátil catalisador biológico.


Métodos Sintéticos VI - Enzimático e Semienzimático

A. Hill, J. Littlechild, em Comprehensive Chirality, 2012

7.15.5.1 Heme Cloroperoxidases

O heme-CPO foi descoberto por seu papel na síntese do produto clorado caldariomicina, conforme mostrado na Figura 11. Além de catalisar reações de halogenação, também é capaz de catalisar uma série de outras transformações oxidativas, incluindo N-dealquilações, sulfoxidações, epoxidações de alcenos e hidroxilações benzílicas. 61 As reações de epoxidação de algumas enzimas CPO são altamente enriquecidas enantiomericamente. 62

Figura 11. Figura mostrando as clorações em tandem que são realizadas para produzir Caldariomicina pela cloroperoxidase dependente de heme do fungo.

Uma desvantagem das reações de oxidação biocatalítica é que o peróxido de hidrogênio pode inativar as haloperoxidases do heme pela degradação da molécula do heme. Também pode reagir de forma indesejável com o substrato fora do sítio ativo, levando a subprodutos inespecíficos. 8,12,35,61 Para contornar isso, e para melhorar a estabilidade da enzima, o peróxido de hidrogênio pode ser adicionado lentamente ao reator, ou alternativamente, foi demonstrado que o peróxido de hidrogênio pode ser gerado no local. A glicose oxidase (GOX) é capaz de mediar a oxidação da glicose a ácido glucônico, liberando peróxido de hidrogênio como subproduto. 63 Essa enzima foi imobilizada com CPO em uma matriz de espuma de poliuretano. Com a oxidação do sulfeto de metil fenil a sulfóxido, este sistema apresentou aumento da estabilidade das enzimas e aumento da pureza óptica (ee 99%) do produto. 61 Mais recentemente, a oxidação estereoespecífica de sulfeto de metil fenil foi relatada que utilizou CPO e gerou peróxido de hidrogênio no local pela reação catalítica de hidrogênio e oxigênio na presença de um catalisador de paládio. 63 A reação foi realizada em um sistema bifásico de dióxido de carbono supercrítico e água, no qual foi demonstrado que o CPO permaneceu ativo, produzindo o (R) -sulfóxido em 94% ee produção. 62,64 O dióxido de carbono supercrítico como meio de reação tem um excelente poder de solvência que pode ser controlado especificamente por temperatura e pressão e o processamento do produto é menos trabalhoso, pois o dióxido de carbono pode ser evaporado em temperatura e pressão padrão. O dióxido de carbono também é menos tóxico e mais favorável ao meio ambiente do que muitos outros solventes orgânicos e é um produto industrial barato.

Em relação às atividades da heme oxigenase, a enzima se assemelha às monooxigenases do citocromo P450. No entanto, ao contrário dessas monooxigenases, não hidroxila anéis aromáticos. Muitas dessas reações são realizadas de forma estereoespecífica e produzem compostos de interesse tanto para a indústria química fina quanto para a farmacêutica. Especialmente de interesse são os rendimentos essencialmente quantitativos de oxidação de indóis em oxindoles, que são compostos antiinflamatórios potentes. 8

Mais recentemente, uma haloperoxidase heme-tiolato foi identificada em outro fungo, Agrocybe aegerita cepa A1. A peroxidase (AaP) foi originalmente considerada uma lignina peroxidase e foi uma surpresa, pois era expressa apenas em pequenas quantidades, o que impedia uma caracterização detalhada. Agora pode ser produzido em rendimentos úteis de culturas de A. aegerita quando cultivado em meio à base de soja em biorreatores agitados. Isto permitiu a purificação e posterior caracterização de AaP. Estudos espectrais dessa enzima mostraram semelhanças com as enzimas CPO e, em particular, com as enzimas do citocromo P450, sendo provável que o ciclo catalítico envolva as mesmas transições do centro de ferro. As investigações sobre as atividades catalíticas do AaP revelaram que ele possui fortes capacidades de bromação e fraca cloração e iodação, bem como uma ampla gama de atividades de oxigenase. Pode converter fenol em 4- e 2-bromofenol na presença de Br - na proporção de 4: 1, com polibrominação desprezível, ao contrário do CPO, que leva a um alto grau de polibromofenóis. 66 Uma seleção de reações de oxidação catalisadas por AaP é mostrada na Figura 12.

Figura 12. Uma seleção de reações de oxidação catalisadas pela enzima AaP. Brominação de fenol, oxidação em tandem de álcoois benzílicos substituídos em benzaldeídos e hidroxilação de ácidos benzóicos de naftaleno.


Em que organismos são encontradas as enzimas cloroperoxidase? - Biologia

& quotLowell criou um ambiente onde a criatividade era estimulada, os padrões científicos eram elevados e fazer ciência era divertido. Ele deixou sua marca no departamento que permanece até hoje. & Quot

O Departamento de Bioquímica sediou um final de semana do Simpósio Memorial em homenagem a Lowell Hager nos dias 17 e 18 de outubro de 2014.

Professor Lowell P. Hager faleceu pacificamente em 15 de abril de 2014 aos 87 anos. Lowell era um enzimologista e químico de proteínas reconhecido internacionalmente, mais conhecido por seus estudos fundamentais sobre enzimas halogenantes e heme peroxidases. Ele ingressou no corpo docente da Universidade de Illinois em 1960 e, em 1967, tornou-se Chefe de Bioquímica, uma das seis grandes divisões do Departamento de Química e Engenharia Química. Uma de suas primeiras ações como chefe foi liderar a tarefa de converter o Departamento de Química e Engenharia Química em uma Escola de Química, com cada uma das seis Divisões se tornando um Departamento, uma mudança que ocorreu em 1969. Lowell então tornou-se Chefe do Departamento de Bioquímica em 1969 e permaneceu nessa posição por 20 anos.

Lowell tinha a notável capacidade de manter um programa de pesquisa de alto nível enquanto dirigia e construía o departamento de maneira eficiente, mas muito pessoal, alegre e enérgica. Ele se preocupava profundamente com o departamento e conquistou a confiança e o respeito do corpo docente por sua franqueza e justiça. Durante seu mandato à frente do departamento, ele desenvolveu um forte senso de colegialidade e comunidade dentro do corpo docente e da equipe. Ele e sua esposa, Fran, abriram sua casa para festas departamentais e jantares envolvendo visitantes, alunos, pós-doutorandos e professores. Além de sua fama como cientista, Lowell também era famoso por seus martinis (apenas uma lufada de vermute), suas festas de chili em seu quintal a cada outono para receber novos alunos de graduação, seu estabelecimento de retiros para professores e alunos em Allerton Park cada outono onde os alunos apresentavam as palestras e onde, durante a noite, Lowell tocava piano e conduzia os cantores reunidos em seus sing-a-longs levemente obscenos. As festas de Natal na casa Alpha Chi Sigma apresentavam esquetes de professores e funcionários, muitas vezes em roupas escandalosas, apresentando paródias bem-humoradas de nossas peculiaridades e pontos fracos. Ele próprio um jogador de golfe ao longo da vida, Lowell reviveu uma tradição anterior de "The Biochemistry Open" a cada primavera, com todos os membros do departamento convidados a mostrar seus talentos, ou a falta deles, e um sistema de pontuação que muitas vezes permitia que os duffers entre nós ganhassem troféus. Lowell criou um ambiente onde a criatividade era estimulada, os padrões científicos eram elevados e fazer ciência era divertido. Ele deixou sua marca no departamento que permanece até hoje.

Nascido em 1926, Lowell foi criado na pequena cidade de Hepler, no sudeste do Kansas. Ele obteve seu bacharelado em 1947 na Valparaiso University em Indiana, um mestrado em 1950 pela University of Kansas e seu doutorado em 1953 no laboratório de I.C. “Gunny” Gunsalus na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, após o qual fez pós-doutorado com Fritz Lipmann na Harvard Medical School. Ele ingressou no corpo docente de química em Harvard em 1955, mas voltou para a Universidade de Illinois como membro do corpo docente, onde permaneceu pelo resto de sua carreira altamente produtiva. Um relato mais colorido desses primeiros dias da carreira de Lowell pode ser encontrado em suas memórias, "A Lifetime of Playing with Enzymes" no Journal of Biological Chemistry, publicado em 2010 (http://www.jbc.org/lookup/doi/10.1074/jbc.X110.121905).

O trabalho de doutorado de Lowell no laboratório de Gunny demonstrou o papel do ácido lipóico nas enzimas piruvato desidrogenase e alfa-cetoglutarato desidrogenase. Ele descobriu que cada uma dessas enzimas tinha atividade desidrogenase do ácido lipóico, bem como atividade da transacetilase lipóica. No laboratório de Fritz Lipmann na Harvard Medical School, Lowell continuou a trabalhar na oxidação do piruvato, mas em Lactobacillus delbrueckii, caracterizando a enzima que forma acetil fosfato diretamente sem o auxílio do ácido lipóico. Durante seu tempo como professor assistente em Harvard de 1955 a 1960, Lowell continuou a trabalhar na bioquímica da oxidação do piruvato. Ele descobriu a enzima piruvato oxidase em um mutante de E. coli, e mostraram que essa enzima é o que hoje se chama de proteína de membrana “monotópica”, que existe na forma solúvel em água e, ao reduzir seu cofator de flavina, se liga à membrana e usa a ubiquinona como aceptor de elétrons. Ele trouxe este projeto com ele quando se mudou para a Universidade de Illinois.

Enquanto preparava as palestras para seu curso de bioquímica comparada, Lowell conheceu as reações biológicas de halogenação e decidiu lançar um novo projeto para definir a enzimologia, que era totalmente desconhecido. Como Lowell gostava de contar a história, o primeiro artigo nesta área foi publicado por Plínio, o Velho, no primeiro século DC, descrevendo a fabricação de Púrpura de Tírio (6,6'-dibromoindigo), um corante valioso feito de secreções de murex marisco e usado para colorir as vestes romanas de púrpura. Dois mil anos depois, o segundo artigo sobre este tópico foi publicado no JACS por Paul Shaw e Lowell em 1959 sobre a cloroperoxidase (CPO) do fungo do solo Caldariomyces fumago. O estudo do CPO e enzimas relacionadas permaneceu no centro da carreira científica de Lowell. Em 1972, a NSF financiou uma doação para Lowell e Ken Reinhart para isolamento e caracterização de novos compostos halogenados de organismos marinhos. Isso foi realizado por meio da coleta de amostras em expedições ao largo da costa da Califórnia usando o navio de pesquisa Alpha Helix, que foi equipado para a análise de extratos lipídicos a bordo. Isso levou à descoberta de muitos produtos naturais bromados junto com uma enzima bromoperoxidase isolada de algas verdes.

Os estudos de Lowell sobre a cloroperoxidase levaram Lowell em várias direções frutíferas. Entre suas realizações mais conhecidas estava a caracterização em 1981 do "intermediário verde" na reação, que provou ser comum a uma série de enzimas peroxidases e que agora é conhecido como Composto I. A versatilidade do CPO em catalisar uma série de As reações enantiosseletivas foram exploradas com a idéia de usar o CPO na fabricação eficiente e barata de compostos quirais. Para este fim, Lowell fundou a empresa Chirazyme Labs para produzir grandes quantidades de CPO comercializáveis, uma empresa que persiste até hoje sob a direção do filho de Lowell, Paul.

Enquanto estava na Universidade de Illinois, Lowell orientou aproximadamente 50 alunos de doutorado e publicou mais de 400 artigos. Ele foi eleito para a Academia Nacional de Ciências em 1995 e foi o destinatário inaugural da Cadeira William Rutter de Bioquímica em 1996.

Lowell gostou de apontar que muitos dos cientistas em cujos laboratórios ele passou algum tempo foram logo depois para receber o Prêmio Nobel. Entre eles estavam Fritz Lipmann e Konrad Bloch em seus primeiros anos, e Fedor Lynen, Hans Krebs e Renato Dulbecco, com quem Lowell passou anos sabáticos.

Na verdade, Lowell tinha um toque mágico. Todos nós vamos sentir falta dele.

Fundo de bolsa Lowell P. Hager

Clique aqui para fazer uma contribuição ao Lowell P. Hager Fellowship Fund online, ou as doações podem ser enviadas para a University of Illinois Foundation, 1305 West Green Street, MC-386, Urbana, IL 61801. Se enviar sua doação, por favor indique que é um memorial para o Prof. Lowell Hager.

Contate Sean Williams, oficial de desenvolvimento, School of Molecular and Cellular Biology, em (217) 300-4462 ou [email protected] com perguntas ou assistência para fazer uma doação.

Créditos:
Bob Gennis, PhD, Departamento de Bioquímica, Universidade de Illinois
Ed Conrad, PhD, Departamento de Bioquímica, Universidade de Illinois


Mecanismo proposto

Haloperoxidases catalisam a reação entre H2O2 e íons haleto, e são, portanto, diferentes das reações de catalisação de peroxidases com substratos orgânicos específicos. A discussão abaixo se aplica a todas as haloperoxidases, mas nos concentramos principalmente nas cloroperoxidases, que convertem o cloreto, um dos íons mais comuns da Terra, em HOCl e H2O. HOCl reage quase instantaneamente com qualquer grupo oxidável e, portanto, em contraste com H2O2, não se difunde em distâncias maiores (Ortiz-Bermudez et al., 2007 ).

No caso de cloração extracelular, as concentrações intracelulares e extracelulares de HOCl não devem ser proporcionais, uma vez que a formação extracelular de HOCl transfere poder oxidante de H2O2 ao cloro reativo. O cloreto reativo, por sua vez, reagiria com qualquer composto orgânico presente, que no solo é predominantemente matéria orgânica, formando assim matéria orgânica clorada, que é consideravelmente menos tóxica para as células do que H2O2. Tomados em conjunto, a natureza altamente reativa de HOCl, em combinação com a abundância de um redutor (Cl -), torna o sistema haloperoxidase um candidato plausível para a desintoxicação extracelular de H2O2 para prevenir o estresse oxidativo. Abaixo segue uma análise e discussão de cada uma das questões de pesquisa colocadas acima.

Eu. As cloroperoxidases são produzidas principalmente por organismos que vivem em ambientes onde estão (pelo menos periodicamente) expostos a altas concentrações de ROS?

Conforme desenvolvido a seguir, a pesquisa em Peroxibase e Uniprot revelou que a maioria das haloperoxidases identificadas são encontradas em organismos que vivem em ambientes onde são provavelmente expostos a altas concentrações de ROS (Tabelas 1–3 e Tabela S1). As haloperoxidases heme-dependentes são encontradas principalmente em ascomicetes, mas também em alguns basidiomicetos e no oomiceto Phytophthora infestans (Tabela 1). Um denominador comum para esses organismos parece ser que eles são patógenos de plantas, simbiontes ou fungos que crescem na filosfera. Haloperoxidases dependentes de hemácias também são encontradas em Metarhizium espécie, um gênero de ascomicetes entomopatogênicos.

Nome Grupo taxonômico Organismo Ecologia
AfumHalPrx01 Ascomycota Aspergillus fumigatus Um patógeno oportunista encontrado em quase todos os ambientes ricos em oxigênio.
AniHalPrx01 Ascomycota Aspergillus nidulans Veja acima.
AorHalPrx01 Ascomycota Aspergillus oryzae Veja acima.
AteHalPrx02 Ascomycota Aspergillus terreus Veja acima.
CfuHalPrx Ascomycota Caldariomyces fumago Molde de fuligem que coloniza habitats vivos da superfície das plantas.
CgHalPrx01 Ascomycota Chaetomium globosum Levedura normalmente encontrada no solo, ar e restos de plantas. Também vive endofiticamente em plantas e mostra efeitos antagônicos contra patógenos fúngicos de plantas.
GzHalPrx01 Ascomycota Gibberella zeae Patógeno de planta que causa a doença da mandíbula do trigo.
HjHalPrx01 Ascomycota Trichoderma reesei Comum em ambientes de solo e raízes. Simbiontes de plantas oportunistas e avirulentas. Trichoderma spp. são conhecidos por produzir uma grande variedade de antibióticos e podem parasitar outros fungos.
MpiHalPrx01 Ascomycota Mycosphaerella pini Parasita, causando a queima das agulhas em árvores coníferas.
NcHalPrx01 Ascomycota Neurospora crassa Molde de pão vermelho. Ocorre naturalmente principalmente em matéria de plantas mortas após incêndios em regiões tropicais e subtropicais.
PnoHalPrx01 Ascomycota Phaeosphaeria nodorum Patógeno vegetal que causa Septoria doenças.
PanHalPrx01 Ascomycota Podospora anserina Fungos saprofíticos em esterco de herbívoro.
AbHalPrx01 Basidiomycota Agaricus bisporus Fungos saprofíticos crescendo em, e. lixo e composto.
CcinHalPrx01 Basidiomycota Coprinopsis cinerea (Coprinus cinereus) Fungos saprofíticos crescendo em esterco.
LbiHalPrx01 Basidiomycota Laccaria bicolor Forma associações ectomicorrízicas com uma grande variedade de espécies de árvores.
PinvHalPrx Basidiomycota Paxillus involutus Forma associações ectomicorrízicas com uma grande variedade de espécies de árvores.
PcHalPrx01 Basidiomycota Phanerochaete chrysosporium Um fungo da podridão branca degradante da lignina.
PplHalPrx01 Basidiomycota Postia placenta Fungos da podridão parda comumente encontrados em ecossistemas florestais. Uma das principais causas da degradação da madeira.
UmHalPrx01 Basidiomycota Ustilago Maydis Fungos patogênicos que causam a poluição do milho em milho.
PiHalPrx01 De outros Stramenopiles Phytophthora infestans Oomiceto patogênico que causa a ferrugem da batata.
Nome Grupo taxonômico Organismo Ecologia
MvaHalNPrx Actinobactérias Mycobacterium vanbaalenii Comumente encontrada em solos e sedimentos contaminados.
RerHalNPrx Actinobactérias Rhodococcus erythropolis Patógeno oportunista que também tem a capacidade de tolerar e degradar poluentes orgânicos.
STaHalNPrx01 Actinobactérias Streptomyces aureofaciens Bactérias associadas à raiz que produzem compostos antifúngicos.
ScoHalNPrx Actinobactérias Streptomyces coelicolor Bactérias da rizosfera que também colonizam algumas plantas aquáticas.
SliHalNPrx Actinobactérias Streptomyces lividans Bactérias associadas à raiz.
GfoHalNPrx Bacteroidetes Gramella forsetii Encontrado na neve marinha. Degrada compostos de alto peso molecular na fração dissolvida e particulada da matéria orgânica marinha.
MmarHalNPrx Bacteroidetes Microscilla marina Encontrado na neve marinha. Degrada compostos de alto peso molecular na fração dissolvida e particulada da matéria orgânica marinha.
PtorHalNPrx Bacteroidetes Psychroflexus torquis Bactéria psicrofílica encontrada no gelo marinho.
SYspHalNPrx Cianobactéria Synechocystis sp. Cianobactéria capaz de crescimento fototrófico, bem como heterotrofia.
LacHalNPrx Firmicutes Lactobacillus acidophilus Bactéria láctica que ocorre naturalmente na boca humana e animal, vagina e trato gastrointestinal.
LplHalNPrx01 Firmicutes Lactobacillus plantarum Bactéria láctica encontrada em vegetais e saliva.
PpenHalNPrx Firmicutes Pediococcus pentosaceus Bactéria láctica encontrada em vegetais.
WpaHalNPrx Firmicutes Weissella paramesenteroides Bactéria de ácido láctico encontrada em vegetais.
BjaHalNPrx01 Alphaproteobacteria Bradyrhizobium japonicum Bactéria formadora de nódulos radiculares fixadores de nitrogênio.
BRspHalNPrx Alphaproteobacteria Bradyrhizobium sp. Bactéria formadora de nódulos radiculares fixadores de nitrogênio.
BcHalNPrx Betaproteobactérias Burkholderia cepacia Uma bactéria do solo responsável por bulbíferos Aliaceae doenças da podridão radicular. Também é um patógeno humano.
PpyrHalNPrx Betaproteobactérias Pseudomonas pyrrocinia Uma bactéria associada ao rizoplano possivelmente pertencente ao gênero Burkholderia.
PaerHalNPrx_PAO1 Gammaproteobacteria Pseudomonas aeruginosa Bactéria da rizosfera que produz uma ampla gama de compostos antifúngicos.
PfHalNPrx01_Pf5 Gammaproteobacteria Pseudomonas fluorescens Bactérias que colonizam a raiz, produzindo uma ampla gama de compostos antifúngicos.
BdeHalNPrx Chytridiomycota Batrachochytrium dendrobatidis Fungo patogênico que causa quitridiomicose em anfíbios.
Nome Grupo taxonômico Organismo Ecologia
StrVBPo Actinobactérias Salinispora tropica Uma bactéria marinha que vive em sedimentos, produzindo uma ampla gama de metabólitos secundários estruturalmente únicos.
BRspVCPo Alphaproteobacteria Bradyrhizobium sp. Bactéria formadora de nódulos radiculares fixadores de nitrogênio.
RpVCPo Alphaproteobacteria Rhodopseudomonas palustris Bactérias fototróficas com uma ampla gama de capacidades metabólicas.
CinaVCPo Ascomycota Curvularia inaequalis Um fungo fitopatogênico que causa Curvularia doença da mancha foliar no milho.
EdVCPo Ascomycota Embellisia didymospora
MagVCPo Ascomycota Magnaporthe grisea (Pyricularia grisea) Fungos patogênicos de plantas que causam a doença bacteriana em, e. arroz e grãos.
PnoVCPo Ascomycota Phaeosphaeria nodorum Fungos patogênicos de plantas que causam Septoria mancha de gluma no trigo.
PtritVCPo Ascomycota Pyrenophora tritici-repentis Fungos patogênicos de plantas que causam manchas bronzeadas em trigo.
CoVBPo Corallina Corallina officinalis Alga marinha vermelha que habita as zonas baixa e média do litoral.
CpiVBPo01 Corallina Corallina pilulifera Alga vermelha encontrada na zona sub-litoral. Alelopático contra microalgas da maré vermelha.
CcriVBPo Florideophyceae Chondrus crispus Alga vermelha marinha amplamente distribuída encontrada nas zonas entre-marés e sub-litorâneas.
GcVBPo Florideophyceae Gracilaria changii Um ágar produtor de algas vermelhas encontrado em manguezais.
AnoVBPo Phaeophyceae Ascophyllum nodosum Alga marrom encontrada nas zonas intertidal e médio-litoral.
FdVBPo Phaeophyceae Fucus distichus Alga marrom amplamente distribuída encontrada na zona entremarés.
LdVBPo01 Phaeophyceae Laminaria digitata Alga marrom encontrada na zona litorânea inferior.
AvaVBPo Cianobactéria Anabaena variabilis Uma cianobactéria fototrófica fixadora de N também capaz de heterotrofia. Forma associações simbióticas com plantas e fungos.
CwaVBPo Cianobactéria Crocosphaera watsonii Uma cianobactéria fototrófica fixadora de N encontrada em águas marinhas quentes.
NspuVBPo Cianobactéria Nodularia spumigena Cianobactéria fototrófica fixadora de N, tolerante a UV, encontrada em águas superficiais salobras e marinhas, onde pode formar florações intensas.
NOspVCPo Cianobactéria Nostoc sp. Gênero de cianobactérias encontradas em uma ampla variedade de habitats. Também forma relações simbióticas com plantas e fungos.
SspVBPo02_CC9311 Cianobactéria Synechococcus sp. Bactérias marinhas fotoautotróficas.
CboVBPo_TypeA Firmicutes Clostridium botulinum Bactérias anaeróbicas do solo.
RbaVCPo De outros Bactérias Rodopirellula baltica Uma bactéria marinha amplamente distribuída encontrada associada a florescências de fitoplâncton e em partículas orgânicas macroscópicas na zona fótica.
SuVBPo De outros Bactérias Solibacter usitatus Um aeróbico Acidobactérias encontrado no solo.

As haloperoxidases sem heme e sem vanádio parecem ser difundidas entre os microrganismos associados a plantas, como Streptomyces e Pseudomonas spp. (comumente encontrado na rizosfera / rizoplano), e endossimbiótico ou parasita Bradyrhizobium, Burkholderia, Cupriavidus, Frankia, Rhizobium spp. (Mesa 2). Haloperoxidases sem heme e sem vanádio também são produzidas por vários Agrobacterium, Clostridium, Mycobacterium e Xanthomonas spp., todos conhecidos por causar doenças em plantas e mamíferos. Outro filo bacteriano não produzindo heme, sem haloperoxidase de vanádio, Bacteriodetes, são comumente encontrados como assembléias de vida livre em microambientes ricos em nutrientes associados à proliferação de fitoplâncton e em partículas orgânicas macroscópicas (neve marinha) formadas na zona fótica (Bauer et al., 2006). Bactérias que prosperam em ambientes poluídos e são capazes de tolerar altas concentrações de poluentes orgânicos, metais e estresse oxidativo, por ex. Arthrobacter, Deinococcus, Ralstonia e Rhodoccocus spp., também parecem ter a capacidade de produzir haloperoxidase sem heme e sem vanádio. Finalmente, vários Lactobacillus spp., cujo metabolismo resulta na criação auto-induzida de um ambiente de alto ROS, têm a capacidade de produzir haloperoxidase sem heme e sem vanádio.

Haloperoxidases dependentes de vanádio são produzidas principalmente por algas vermelhas e marrons e fungos patogênicos de plantas, mas também por cianobactérias e algumas outras bactérias fototróficas, como Citreicella e Rhodopseudomonas palustris (Tabela 3). Outras haloperoxidases dependentes de vanádio produtoras de bactérias incluem Deinococcus radiodurans, que tem uma capacidade incomparável de superar o estresse oxidativo (Slade e Radman, 2011), e Bacillus mycoides, uma bactéria do solo que também pode induzir uma explosão oxidativa, levando à resistência sistêmica contra pragas da beterraba sacarina, sem causar morte de células vegetais ou necrose de tecidos (Bargabus et al., 2002 2003). Haloperoxidases dependentes de vanádio também são produzidas por patógenos oportunistas (por exemplo, Flavobacteria), endófitos de plantas (por exemplo Bradyrhizobium e Dyadobacter fermentans) e as bactérias Rodopirellula baltica e Gramella forsetii, que semelhante a muitos Bacteriodetes são encontrados associados a florações de fitoplâncton e em partículas orgânicas macroscópicas formadas na zona fótica (Gade et al., 2005 ).

Com base nas observações acima e nas informações nas Tabelas 1–3 e Tabela S1, concluímos que muitos dos organismos produtores de haloperoxidase podem ser colocados em um dos seguintes cinco grupos / nichos:

microrganismos associados a plantas e animais (por exemplo, microrganismos associados a rizosfera / rizoplano, endófitos / endossimbiontes e patógenos / parasitas)

organismos fotoautotróficos, como algas, cianobactérias e algas marrons

bactérias associadas à neve marinha

microorganismos que prosperam em ambientes poluídos e

microorganismos que criam altas concentrações de ROS em seu próprio ambiente.

Os organismos que habitam esses ambientes são, pelo menos, periodicamente expostos a altas concentrações de ROS. Por exemplo, plantas e animais reagem à invasão microbiana com uma explosão respiratória que produz H2O2 (Doke et al., 1991 Jacks e Davidonis, 1996 Nauseef, 2007). No primeiro grupo encontramos patógenos oportunistas, bem como microorganismos endossimbióticos e endopatogênicos associados a plantas que estão severamente expostos a ROS, especialmente H2O2, durante a colonização de seu hospedeiro (Tavares et al., 2007). Na verdade, há evidências crescentes de que as ROS são necessárias para o sucesso da colonização e estabelecimento da simbiose leguminosas-rizóbio (Pauly et al., 2006 Kopcinska, 2009). Além disso, microrganismos associados à folha estão expostos a altos níveis de radiação UV e ROS (Liu et al., 2000 Lindow e Leveau, 2002 Cohen e Yamasaki, 2003 Lindow e Brandl, 2003), o que pode explicar por que os primeiros estudos sobre cloração microbiana revelaram que microrganismos crescendo em plantas, como Caldariomyces fumago, produzem compostos orgânicos clorados em taxas especialmente altas (Clutterbuck et al., 1940). Na rizosfera, a redução microbiana do ferro férrico a Fe (II) induz a produção de ROS por meio da reação de Fenton (Halliwell e Gutteridge, 1984 Laturnus et al., 2005). A rizosfera também é um ambiente onde as interações antagônicas e a capacidade de produzir antibióticos são comuns (Hassett e Imlay, 2007).

O segundo grupo, microrganismos fotoautotróficos, estão fortemente expostos a ROS como resultado da alta produção intracelular de ROS durante a fotossíntese (Ashur et al., Latifi 2009 et al., 2009). O mesmo é verdade para o terceiro grupo, bactérias associadas com florações de fitoplâncton e neve marinha na zona fótica dos oceanos, que são expostas a altas concentrações de ROS devido à geração fotoquímica de ROS a partir de matéria orgânica dissolvida (Zepp et al., 1977 Cooper e Zika, 1983 Cory et al., 2010 ).

O quarto grupo está ligado a ambientes contaminados, que contêm uma mistura complexa de produtos químicos que induzem a formação de ROS. Por exemplo, a genotoxicidade dos hidrocarbonetos aromáticos policíclicos parece ser o resultado final da degradação incompleta, resultando na produção de ROS (Park et al., 2008). Uma segunda causa de estresse oxidativo em ambientes contaminados é a formação de ROS (Hrimpeng) mediada por metal et al., 2006 Park et al., 2008 Rico et al., 2009 ).

O quinto grupo, finalmente, são os organismos produtores de haloperoxidase, como as bactérias do ácido láctico, que também são expostos a altos níveis de ROS por causa de sua falta de heme, o que leva à criação auto-induzida de um ambiente de alto ROS: A falta de heme significa que eles usam flavoproteínas em vez do sistema de citocromo dependente de heme para oxidações terminais (Klebanoff, 2005). O oxigênio é então convertido em peróxido de hidrogênio em vez de em água, como na maioria dos organismos. A falta de heme também significa que esses organismos não possuem o sistema de catalase que é normalmente usado para eliminar o peróxido de hidrogênio acumulado (Barloy-Hubler et al., 2004 Hansen et al., 2004). As haloperoxidases também são produzidas por bactérias resistentes à radiação e halofílicas e arqueas (Tabela S1), o que pode explicar sua eliminação efetiva de ROS produzidas por radiólise de água (Roh et al., 2007 Kish et al., 2009 ).

A capacidade de produzir cloroperoxidases (e, portanto, a capacidade potencial de induzir a formação de matéria orgânica clorada) parece ocorrer principalmente em organismos expostos a altas concentrações de ROS intracelularmente ou extracelularmente. O estresse oxidativo pode, portanto, ser um gatilho para a evolução das enzimas de cloração. Para pelo menos alguns dos ambientes mencionados acima, há uma correspondência entre alta abundância de ROS e atividade de cloração. Por exemplo, altas taxas de produção de compostos orgânicos clorados voláteis foram observadas em ambientes marinhos (Palmer et al., 2005 Leblanc et al., 2006), e como mencionado acima, microrganismos crescendo em plantas também produzem compostos orgânicos clorados em taxas especialmente altas (Clutterbuck et al., 1940). Não fomos capazes de identificar nenhum estudo abordando se a atividade de cloração é aumentada em ambientes poluídos ou se a invasão de plantas e animais por patógenos e endossimbiontes resulta na produção de compostos orgânicos clorados mediada pela cloroperoxidase. Há, no entanto, indicações de que a formação de HOCl pela mieloperoxidase, um análogo funcional da cloroperoxidase, é responsável por uma alta proporção do oxigênio reativo consumido na explosão oxidativa nos sistemas de defesa de mamíferos (Klebanoff, 2005).

Ii. Os níveis elevados de ROS induzem a expressão de genes que codificam a cloroperoxidase?

Recentemente, foram disponibilizadas evidências sobre a expressão de genes que codificam para cloroperoxidases. Uma análise de microarray de genes expressos em resposta à exposição ao peróxido de hidrogênio demonstra que o Sinorhizobium meliloti gene smc01944, que codifica uma cloroperoxidase sem heme, é fortemente induzida sob estresse oxidativo (Barloy-Hubler et al., 2004 ). Sinorhizobium meliloti é uma bactéria do solo que forma uma relação simbiótica com as plantas hospedeiras, infectando suas raízes e formando nódulos de fixação de nitrogênio. Durante o estágio de infecção, a planta responde com uma forte explosão oxidativa que produz ROS, principalmente peróxido de hidrogênio. Parece provável que a indução de smc01944 é um meio de se defender contra os altos níveis deste ROS. A quantidade de smc01944 O mRNA no estudo aumentou 50 vezes em resposta ao peróxido de hidrogênio, enquanto o de KatA (codificando uma catalase) aumentou apenas 10 vezes.

Em contraste com a catalase, a cloroperoxidase Smc01944 é excretada pelas células (Barloy-Hubler et al., 2004) e poderia, portanto, ser eficaz na desintoxicação de ROS tanto dentro das células quanto no meio externo, o que pode explicar os altos níveis de smc01944 mRNA em comparação com KatA mRNA. o smc01944 gene codifica uma cloroperoxidase não heme que também foi encontrada em, e. Pseudomonas flourescens.

Além disso, acredita-se que a capacidade generalizada de produzir compostos orgânicos bromados e iodados entre as algas macrofíticas marrons desempenhe um papel central na desintoxicação oxidativa (La Barre et al., 2006). Análise de tag de sequência expressa (EST) de genes expressos nas algas marrons Laminaria digitata revelou que uma família de genes de haloperoxidase que codificam para bromoperoxidase de vanádio (vBPO) é altamente expressa sob estresse oxidativo (Roeder et al., 2005).Curiosamente, a família de genes vBPO-II não identificada anteriormente foi induzida especificamente em células de protoplastos, que devem lidar com altos níveis de ROS tóxicas durante o isolamento experimental, sugerindo que as proteínas vBPO-II desempenham um papel ativo como enzimas eliminadoras de ROS. Análise EST das algas vermelhas não relacionadas, Chondrus crispus, produziu indução semelhante de genes vBPO. A produção de vBPO também é induzida por estresse de cobre na alga marrom Ectocarpus siliculosus (Ritter et al., 2010). O cobre induz a produção de ROS, e parece que o vBPO desempenha um papel importante na desintoxicação de ROS (Kupper et al., Ritter 2008 et al., 2010). Uma segunda alga vermelha marinha, Gracilaria changii, é conhecido por produzir cloroperoxidase de vanádio (vCPO) e vBPO em resposta ao estresse (Teo et al., 2007), enquanto os kelps produzem iodoperoxidas (Palmer et al., 2005 Leblanc et al., 2006). Kelps também parecem produzir vBPO (por exemplo Saccharina japonica) e a produção é aumentada durante o verão, possivelmente como uma defesa contra ROS (Yotsukura et al., 2010 ).

Tomadas em conjunto, essas observações suportam a hipótese de que níveis elevados de ROS induzem a expressão de genes que codificam haloperoxidases, e os mecanismos parecem ocorrer em vários filos. Não fomos capazes de encontrar quaisquer estudos que abordem explicitamente a importância relativa do mecanismo proposto para desintoxicar ROS em comparação com as vias conhecidas. No entanto, como mencionado acima, a formação de HOCl pela mieloperoxidase é responsável por uma alta proporção do oxigênio reativo consumido na explosão oxidativa em sistemas de defesa de mamíferos (Klebanoff, 2005). Outras evidências mais diretas incluem observações de que a atividade da haloperoxidase é sincronizada com a atividade da superóxido dismutase, mas não com a atividade da catalase, na alga marrom Corallina Pilufiera. Enquanto a superóxido dismutase produz H2O2, Funções BPO para eliminar H2O2 e, portanto, compensa a falta de catalase (Ohsawa et al., 2001). Outras evidências consistem em observações de que KatA mutantes de Sinorhizobium meliloti ainda têm sucesso na formação de nódulos radiculares, apesar de não terem a capacidade de produzir catalase para se proteger contra a exposição a ROS durante a formação dos nódulos radiculares. Uma possível razão é que a produção de haloperoxidase é fortemente aumentada em resposta às concentrações elevadas de ROS (Barloy-Hubler et al., 2004 ).

Iii. O mecanismo pode ser estendido para defesa contra ROS extracelulares?

A maioria dos estudos sobre cloroperoxidases é baseada em enzimas isoladas de células intactas, e a literatura sobre estudos de níveis extracelulares é limitada. No entanto, organismos de pelo menos três táxons diferentes são conhecidos por produzir haloperoxidases que são excretadas e permanecem ativas no meio extracelular. Já em 1940, Clutterbuck e colegas (1940) demonstraram que os fungos de plantas, como Caldariomyces fumago excretar altos níveis de uma enzima clorante. Posteriormente, foi confirmado que a enzima é uma cloroperoxidase (Conesa et al., 2001). Os fungos marinhos Curvularia inaequalis excretar vanádio cloroperoxidase no meio extracelular durante a iodofase de crescimento, e o fenômeno também foi demonstrado para vários ascomicetos patogênicos de plantas (Barnett et al., 1997 Ortiz-Bermudez et al., 2007). A haloperoxidase smc01944, que é produzida em resposta ao H2O2 estresse por Sinorhizobium meliloti, também é excretado (Barloy-Hubler et al., 2004). As algas marinhas são os terceiros taxa conhecidos por produzir e liberar haloperoxidases para o meio externo (Roeder et al., 2005). A capacidade de exalar haloperoxidases pode, portanto, ser uma característica bastante comum, embora isso ainda precise ser investigado.

É razoável pensar que o mecanismo proposto é relevante em comparação com as vias conhecidas para desintoxicar ROS?

Não encontramos estudos que abordassem explicitamente essa hipótese. No entanto, embora faltem evidências diretas sobre a importância do mecanismo proposto para desintoxicar ROS, há várias indicações interessantes. Por exemplo, uma alta proporção do oxigênio reativo consumido na explosão oxidativa nos sistemas de defesa de mamíferos pode ser atribuída à atividade da mieloperoxidase (Klebanoff, 2005). Além disso, a atividade da superóxido dismutase na alga marrom Corallina Pilufiera é sincronizado com a atividade da haloperoxidase, mas não com a atividade da catalase, sugerindo que H2O2 produzida pela superóxido dismutase é removida por haloperoxidases (neste caso BPO) em vez de pela catalase (Ohsawa et al., 2001). A hipótese também encontra suporte nas observações acima mencionadas que KatA mutantes de Sinorhizobium meliloti são capazes de lidar com ROS e formar nódulos de raiz com sucesso. Isso co-ocorre com uma produção de haloperoxidase fortemente aumentada, embora a conexão causal ainda não tenha sido estabelecida (Barloy-Hubler et al., 2004 ).


Ciência simples: como as enzimas limpam no mundo?

Quando você ouve a palavra bactérias pode facilmente acumular imagens de doença ou perigo. Mas existem cepas de bactérias que são benéficas para a saúde humana e são úteis para a limpeza. Limpadores “bioenzimáticos” - aqueles que são baseados em bactérias e enzimas - podem ser removedores de sujeira e odores seguros e eficazes, especialmente para tipos orgânicos de solo. Mas como no mundo as enzimas limpam?

Bactérias e Enzimas & # 8230 Melhor Juntas

Para entender melhor os produtos bioenzimáticos, algumas ciências simples sobre como as bactérias e as enzimas trabalham em conjunto para limpar serão úteis. Como você deve se lembrar das aulas de ciências, as bactérias são microrganismos que estão presentes na maioria dos habitats da Terra, incluindo solo, água, partículas de poeira - até mesmo o estômago humano. Existem dois tipos de bactérias: bactérias patogênicas (prejudiciais) e bactérias & # 8220bom & # 8221, como os probióticos que ajudam na digestão e na imunidade.

Ao contrário da crença popular, as enzimas não estão vivas. Eles são produzidos por bactérias vivas e abrem caminho para que funcionem. As enzimas funcionam como ferramentas úteis que catalisam (aceleram) as reações químicas entre as bactérias e os solos, tornando as bactérias mais eficientes. As enzimas trabalham para quebrar partículas de resíduos complexas em pedaços menores que as bactérias podem consumir mais facilmente. Essas partículas menores - resíduos orgânicos, urina, graxa, manchas - tornam-se “alimento” para as bactérias digerirem e se decomporem em dois compostos básicos - dióxido de carbono (CO2) e água (H2O).

As enzimas típicas podem ser categorizadas em quatro grupos principais, com base nos tipos de solo com os quais reagem.

  • Proteases decompõe solos baseados em proteínas, incluindo sangue, urina, alimentos, fezes, vinho e outras bebidas.
  • Lipases quebrar moléculas de gordura como óleos e graxas.
  • Amilases quebrar moléculas de amido como ovos, açúcares, molhos, sorvete, molho.
  • Celulases são usados ​​para amaciar tecidos e restaurar a cor de fibras feitas de material celulósico. Eles também removem partículas de sujeira e reduzem o envelhecimento e o pilling de tecidos.

Cada tipo de enzima é diferente e irá catalisar apenas um tipo de reação (conhecido como mecanismo de "fechadura e chave"). Eles são altamente específicos para o tipo de superfície ou material em que podem trabalhar e só estão ativos quando as condições são corretas.

A magia dos produtos de limpeza bioenzimáticos

Produtos de limpeza biológicos são soluções vivas formuladas usando cepas de bactérias naturais seguras junto com enzimas especificamente selecionadas. As bactérias e as enzimas trabalham juntas para limpar, confiando umas nas outras para fazer o trabalho. Quando aplicado em superfícies, sujidades, manchas e maus odores são decompostos pelas enzimas e depois consumidos pelas bactérias. Desde que haja solo e superfícies suficientemente úmidas, esses “limpadores” microscópicos se multiplicam, continuando a remover vestígios de sujeira e odor das superfícies horas ou mesmo dias após a aplicação inicial.

Enzymes Go Solo

As enzimas também podem ser usadas sem bactérias em certos produtos de limpeza (embora sejam inicialmente colhidas de bactérias). As enzimas nos detergentes para a roupa, por exemplo, funcionam para catalisar as reações químicas de outros ingredientes nos detergentes. Na água de lavagem, eles ajudam a quebrar a sujeira, de modo que a água pode lavá-la com mais facilidade.

Obtendo o máximo de seus produtos de limpeza bioenzimáticos

Ao usar produtos de limpeza bioenzimáticos em suas instalações, é importante selecionar o produto apropriado para o tipo de sujeira que você está limpando. As formulações bioenzimáticas funcionam particularmente bem para essas quatro aplicações de limpeza:

O processo natural de limpeza de produtos bioenzimáticos pode torná-los uma maneira mais segura e suave de manter o fluxo livre dos canos. O Limpador / Mantenedor de Drenos Bactizyme é uma escolha natural para a manutenção de ralos e sifões, trabalhando para quebrar materiais orgânicos como graxa, gorduras e espuma que podem entupir o encanamento e causar odores.

Quando usado como parte de um programa de manutenção regular, a formulação específica do Eliminador de Ácido Úrico de Detenção da Nyco ataca manchas e odores de ácido úrico de superfícies de banheiros, incluindo fendas de difícil acesso e áreas com rejuntes. A sua eficácia residual significa que funciona muito depois da aplicação para manter as áreas de tráfego intenso com um cheiro fresco e limpo durante dias.

Os produtos enzimáticos são freqüentemente formulados para aplicações de limpeza de carpetes, pois podem penetrar em superfícies macias sem descolorir. Seu pH quase neutro ajuda a garantir que esses produtos de limpeza não danifiquem as superfícies.

Geralmente seguro para a maioria dos tecidos, várias enzimas serão adicionadas aos detergentes para a roupa com a intenção de remover manchas específicas. Manchas de sangue, molho, alimentos gordurosos e cosméticos oleosos são alvos fáceis para as enzimas se concentrarem.

Sempre siga as instruções

Os produtos bioenzimáticos têm uma vida útil (geralmente de um a dois anos), portanto, esteja atento às datas de validade. As temperaturas extremas podem fazer com que percam a eficácia. Além disso, nunca use desinfetantes ou produtos com pH alto na mesma superfície, pois isso pode neutralizar a atividade enzimática e reduzir seu poder de limpeza.

Os limpadores bioenzimáticos são uma escolha de alto desempenho para incluir em seu arsenal de limpeza para tipos específicos de superfícies e sujeira. Para aplicações de limpeza como banheiros, ralos e maus cheiros, deixe esses minúsculos organismos fazerem o trabalho sujo em suas instalações.

Vocabulário de enzimas de ciência simples

• Amilases - Tipo de enzima que decompõe as moléculas de amido.

• Bactérias - Organismos microscópicos unicelulares que podem ser encontrados em todos os lugares. Eles podem ser perigosos ou benéficos.

• Limpador Bioenzimático - Formulação à base de bactérias e / ou enzimas.

• Catalisar - Acelerar.

• Celulases - Tipo de enzima que reage com o material de celulose.

• Enzima - Proteína produzida por bactérias que são usadas para acelerar reações químicas.

• Lipases - Tipo de enzima que quebra as moléculas de gordura.

• Proteases - Tipo de enzima que reage com solos à base de proteínas.


Resultados e discussão

A Evolução da Heme Catalase Monofuncional

Existem registros acessíveis de mais de 260 sequências de catalases monofuncionais (tabela 1), a maioria delas na forma de cDNA. As relações evolutivas de subconjuntos dessas enzimas foram discutidas no passado (Mayfield e Duvall 1996 Klotz, Klassen e Loewen 1997 Scandalios, Guan e Polidoros 1997 Frugoli et al. 1998 Kim, Sha e Mayfield 2000 Loewen, Klotz e Hassett 2000), e as diferenças na conclusão foram provavelmente devido a limitações no tamanho da amostra. Por exemplo, o deslocamento lateral frequente de genes de catalase entre hospedeiros eucarióticos e bactérias (Mayfield e Duvall 1996 Kim, Sha e Mayfield 2000) foi proposto usando subconjuntos selecionados de enzimas não grandes o suficiente para revelar a trifurcação da árvore filogenética. Da mesma forma, a evolução das catalases vegetais por perda de íntron de um gene da catalase eucariótica ancestral rico em íntrons (Frugoli et al. 1998) foi proposta usando apenas catalases vegetais, o que não permitiu a determinação da polaridade do processo. Em contraste, a seguinte discussão sobre a evolução da família do gene da catalase monofuncional é baseada em uma análise abrangente de todas as sequências de genes e proteínas da catalase disponíveis, um número que mais do que triplicou desde nossa última revisão (Klotz, Klassen e Loewen 1997) .

As árvores filogenéticas construídas por inferências de junção de vizinhos por distância (Phylip 3.5) ou MP (PAUP *) produziram árvores quase idênticas, mostrando que a família do gene da catalase monofuncional se divide em três clados de membros (fig. 1). Enquanto os clade 1 e 3 contêm sequências de catalase de subunidades pequenas, o clade 2 contém exclusivamente sequências de catalase de subunidades grandes. O padrão de ramificação observado implica uma evolução das três linhagens de sequência após um mínimo de duas duplicações de genes (Klotz, Klassen e Loewen 1997 Loewen, Klotz e Hassett 2000). Catalases são encontradas em ambos os impérios da vida, o Prokaryota e Eukaryota (Mayr 1998 Cavalier-Smith 2002b), mas sua abundância e diversidade em alguns taxa são limitadas. Nos Eucariotos, as catalases estão presentes em todos os táxons principais, Protista, Animalia, Fungi e Planta, mas no geral, as catalases não se agrupam de acordo com as relações filogenéticas de espécies baseadas em ssu-rRNA (Olsen, Woese e Overbeek 1994). Por exemplo, todos os três clados de catalase contêm enzimas bacterianas, e a análise dos clados individuais mostra que cada clado tem uma base de sequências bacterianas que se ramificam em um ramo bacteriano e um ramo eucariótico (fig. 1).

Em bactérias com múltiplos genes de catalase, as enzimas geralmente (com exceção de algumas pequenas subunidades catalases) agrupam-se em diferentes clados (Klotz, Klassen e Loewen 1997 Loewen, Klotz e Hassett 2000). Isso é fundamentalmente diferente do caso das catalases em animais e plantas. Animais superiores parecem ter apenas um gene da catalase do tipo 3 do clado. Em animais inferiores com múltiplos genes de catalase (por exemplo, Caenorhabditis elegans), os genes se agrupam fortemente no clado e provavelmente surgiram por uma duplicação inicial de um gene da catalase do tipo 3 do clado, após o qual cada um dos loci evoluiu independentemente. O verme Onchocerca não tem nenhum gene de catalase funcional e pode usar a catalase de seu endossimbionte α-proteobacteriano obrigatório (Henkle-Dührsen et al. 1998) para degradar o peróxido de hidrogênio.

Todas as catalases de algas / plantas residem no clado 1 junto com um subconjunto de catalases de subunidades pequenas de Posibacteria e Negibacteria. Vários genes da catalase no genoma da planta provavelmente surgiram por uma duplicação inicial de um gene da catalase do tipo 1 do clade. Genomas de plantas abrigam pequenas subfamílias de genes de catalase de até quatro genes membros, e suas relações filogenéticas (Frugoli et al. 1996 Guan e Scandalios 1996) e estruturas gênicas (Frugoli et al. 1996) foram analisadas recentemente. Os produtos de expressão desses genes podem se reunir em várias isoenzimas tetraméricas diferentes, e a regulação disso permite a síntese de catalases específicas de órgãos (Frugoli et al. 1998). As catalases do tipo clade 1 ainda não foram encontradas em animais ou fungos. Os fungos geralmente têm vários genes de catalase por genoma. Alguns fungos expressam catalases que se agrupam em um único clado (clade 2 ou clade 3), e outros mostram distribuição de suas catalases em ambos os clade 2 e 3. As catalases do clade 2 também são encontradas em bactérias, enquanto as catalases do clade 3 são encontradas em todos os grupos filogenéticos, exceto para plantas. As catalases eucarióticas do tipo 3 do clado 3 são geralmente peroxissômicas.

Para refinar os agrupamentos relativos das catalases eucarióticas, o número e as localizações dos íntrons em cada gene foram analisados ​​conforme descrito anteriormente (Johnson et al. 2002), e os resultados foram usados ​​para construir uma árvore filogenética inferindo parcimônia máxima (fig. 2). Considerando que um agrupamento de planta (clado 1) e catalases animais (clado 3) na árvore do intron implica a existência de linhagens de intron de raiz única, múltiplas linhagens de intron independentes são evidentes para protozoários (clade 3) e fungos (clades 2 e 3) genes da catalase. Os genes da catalase procariótica carecem naturalmente de íntrons.

Uma discussão evolutiva de uma família de genes deve tentar identificar o gene ancestral e colocar a evolução molecular da enzima em perspectiva. Todas as hipóteses discutidas atualmente (Martin e Müller 1998 Mayr 1998 Embley e Martin 1998 Müller e Martin 1999 Rotte et al. 2000 Henze e Martin 2001 Bansal e Meyer 2002 Cavalier-Smith 2002uma, 2002b Hartman e Fedorov 2002) são compatíveis com uma origem bacteriana da família do gene da catalase monofuncional (conforme fig. 1). Para esta comunicação, mapeamos a residência da catalase em uma árvore composta (fig. 3) esquematicamente construída pela integração de várias árvores universais de vida publicadas recentemente (Gupta 1998 Cavalier-Smith 2002uma, 2002b Wolf et al. 2002).

Catalases Monofuncionais Procarióticas

Em geral, todas as catalases contendo heme monofuncionais recentes são significativamente semelhantes em sequência e são verdadeiras homólogas como resultado de evolução divergente. Primeiro, discutiremos a evolução das catalases nas bactérias. Algumas bactérias gram-negativas e gram-positivas (aqui chamadas de Negibacteria e Posibacteria, respectivamente) contêm genes da catalase funcional de todos os três clados (tabela 1), o que pode ser interpretado como evidência de que os eventos de duplicação do gene da catalase ocorreram no início das bactérias após sua evolução do cenancestor, a progenota Woesean (Olsen, Woese e Overbeek 1994), aproximadamente 3.500 MYA e antes da delineação das “Glycobacteria” (Cavalier-Smith 2002uma) aproximadamente 2.500 MYA (fig. 3). Um olhar mais atento, entretanto, sugere que as catalases do tipo 3 do clado foram “inventadas” muito mais tarde (veja abaixo). O gene arquetípico da catalase monofuncional é provavelmente um gene da catalase de subunidade grande do tipo clade 2. As catalases de subunidade grande são tetrâmeros com uma estabilidade notável que permanecem funcionais após a exposição a temperaturas extremas e ambientes de pH (Switala, O'Neil e Loewen 1999). Não surpreendentemente, os genes da catalase do tipo 2 do clade foram identificados em espécies existentes de Eobacteria (Cavalier-Smith 2002uma) como Deiniococcus radiodurans, e eles evoluíram de forma divergente nas divisões negibacterianas evolutivamente mais jovens das “Glycobacteria” e nas Posibacteria (fig. 3). Esta conclusão também se baseia na sugestão de que o genoma de D. radiodurans foi submetido a poucos eventos de transferência horizontal de genes incomum quando comparado com outros genomas procarióticos (Makarova et al. 2001 White et al. 1999). De acordo com a maioria das filogenias de árvores universais, as Cianobactérias e as Posibactérias unibacterianas são grupos irmãos parafiléticos. Os genes da catalase do tipo 2 do clade estão ausentes nas cianobactérias (tabela 1 e fig.1), portanto, as cianobactérias parecem ter perdido o gene da catalase do tipo 2 do clado no processo de sua emergência do ancestral comum das cianobactérias e das posibactérias, enquanto as posibactérias retêm o gene (fig. 3). Uma explicação plausível para essa perda de gene é que as cianobactérias geralmente aquáticas viviam em habitats mais estáveis ​​em relação ao estresse ambiental do que as Posibactérias, principalmente de solo. Além disso, o complemento de enzimas que degradam o peróxido de hidrogênio aumentou nas “Glicobactérias” com o surgimento das catalases não-heme (Mn) não relacionadas (ver fig. 3 e abaixo). Como é óbvio a partir da tabela 1 e da figura 1, os genes da catalase de subunidade grande tipo clade 2 foram retidos pelos gêneros ambientais abundantes em ambas as subdivisões de Posibacteria (por exemplo, Bacilo, Streptomyces, e Mycobacterium), enquanto a maioria dos gêneros associados ao hospedeiro (por exemplo, Estafilococo e Listeria) perderam o gene pela economia do genoma, provavelmente devido à redução de estresses ambientais. Os genes da catalase do tipo 2 do clade também evoluíram holofileticamente no outro ramo da "Glycobacteria" negibacteriana, como representantes das Sphingobacteria (Cytophaga) e Proteobacteria (por exemplo, pseudomonas e Enterobacteria) abrigam o gene (tabela 1 e figs. 1 e 3). A interpretação do padrão de ramificação no clado 2 (fig. 1) sugere que a linhagem posibacteriana evoluiu independentemente da linhagem "glicobacteriana", que parece ser subestruturada em sub-linhagens α-bacterianas e β / γ-proteobacterianas (fig. 1 e tabela 1 ) As catalases do tipo clade 2 estão ausentes na Spirochaetea geralmente livre de catalase (veja uma exceção abaixo), nas Planktobacteria e nas δ-Proteobacteria e ϵ-Proteobacteria. Isso não é surpreendente, já que a maioria dessas bactérias são associadas ao hospedeiro e sofreram perdas significativas de genes em sua evolução (Cavalier-Smith 2002uma) A recente identificação de um gene da catalase do tipo clade 2 no genoma de Euryarchaebacterium Methanosarcina mazei foi muito surpreendente e constitui a primeira descoberta de um gene procariótico da catalase de subunidade grande fora da Eubacteria (Deppenmeier et al. 2002). Sua sequência está mais intimamente relacionada àquelas de enzimas de subunidades grandes de bacilos (fig. 1), e a alta abundância e ampla distribuição de bacilos que se sobrepõem aos dos metanógenos faz uma aquisição deste gene da catalase do tipo 2 do clade por M. mazei de bacilos muito provavelmente.

Pouco depois do surgimento das catalases do tipo 2 do clade, um evento de duplicação de genes acompanhado por perdas de sequência nas extremidades 5 'e 3' resultou no gene ancestral que codifica catalases de subunidade pequena. Tal cenário de "perda de sequência após duplicação" é apoiado por dados experimentais recentes em que uma catalase do tipo clade 2 digerida no terminal N e terminal C foi encontrada para reter a atividade da catalase (Loewen, em preparação). O primeiro gene da catalase de subunidade pequena era provavelmente um gene do tipo clade 1, pois está presente nas Eobactérias nas quais um gene do tipo clade 3 ainda não foi encontrado (fig. 3). Além disso, a orientação do heme nas catalases do tipo clade 2 e clade 1 é idêntica, mas difere em 180 ° nas catalases do tipo 3 do clado (Carpena et al. 2002). Além disso, a distância evolutiva entre os clados 2 e 1 na árvore filogenética é sempre menor do que a distância entre o clado 3 e um do clado 1 ou clado 2 (fig. 1), independente do método de inferência. A árvore na figura 1 também nos diz que o gene da catalase do tipo clade 1 evoluiu ainda mais parafileticamente e ortologicamente nas linhagens evolutivamente mais jovens de Negibacteria e Posibacteria. Curiosamente, como no caso das catalases do tipo 2 do clade, os genes da catalase do tipo 1 do clade das Posibacteria são mais semelhantes em sequência ao gene eobacteriano encontrado em Deinococcus do que os genes do tipo 1 do clado negibacteriano (figs. 1 e 3).

Os genes da catalase do tipo 3 do clade estão ausentes dos representantes modernos dos grupos taxonômicos filogeneticamente antigos e são abundantes apenas em Posibacteria, Proteobacteria e Eucaryota (fig. 3 e tabela 1). Se os genes da catalase do tipo 3 do clade 3 eram tão antigos quanto os outros dois membros da família do gene, então o gene deve ter se perdido massivamente em todos esses taxa de evolução divergente após o surgimento de Posibacteria e Proteobacteria. Embora a escassez de traços moleculares (pseudogenes) em genomas bacterianos após a perda de genes possa ser explicada teoricamente (Lawrence, Hendrix e Casjens 2001), uma perda seletiva maciça simultânea de genes em alguns, mas não em outros taxa, é muito improvável. Em vez disso, raciocinamos que o gene da catalase de subunidade pequena do clade 3 provavelmente se desenvolveu por último por um segundo evento de duplicação de genes em Posibacteria ou Proteobacteria e foi subsequentemente adquirido horizontalmente pelo outro táxon e algumas espécies em outros táxons bacterianos ( Veja abaixo). Propomos que o gene da catalase do tipo 3 do clade evoluiu na Posibacteria. Isso é concluído a partir do padrão de ramificação da figura 1, pois as sequências posibacterianas se agrupam próximo à raiz do clado, formando dois subclados, sendo um exclusivamente Actinobacteria e o outro uma mistura de sequências actinobacterianas e endobacterianas. O último subclado contém predominantemente genes de catalase proteobacteriana, que se subgrupo em linhagens α-proteobacteriana e β / γ-proteobacteriana. Portanto, propomos que (a) o (s) gene (s) da catalase (s) posibacterial (s) do clade 3 do tipo 3 foram adquiridos lateralmente por Proteobacteria. Este gene da catalase do tipo 3 do clade adquirido lateralmente foi retido, além de outros tipos de genes da catalase em gêneros ambientais, como Pseudomonas, Ralstonia, e Rhizobium, enquanto gêneros associados a hospedeiros animais, como Neisseria, Brucella, e Bordetella mantiveram esse gene às custas de todos os outros tipos de genes da catalase. Curiosamente, os hospedeiros animais também abrigam catalases do tipo 3 do clado, sugerindo que as pressões de seleção fisiológica semelhantes resultaram na seleção da mesma enzima tanto no parasita quanto no hospedeiro. Os subaglomerados proteobacterianos no clado 3 (fig. 1) são "pontilhados" com "exceções" taxonômicas: um gene esfingobacteriano (Bacteroides), um gene planctobacteriano (Pirellula), um gene espiroqueta (Leptospira), um gene cianobacteriano (Nostoc), e um gene arqueobacteriano (Methanosarcina mazei) o Bacteroides e Methanosarcina e Nostoc e Pirullela as catalases agrupam-se intimamente na árvore filogenética (fig. 1), embora os organismos sejam parentes distantes (fig. 3). Um gene da catalase do tipo 3 do clade foi isolado recentemente do espiroqueta Leptospira interrogans (Número de acesso do GenBank AE011360). Além de seu agrupamento próximo com catalases do tipo 3 do clado de pseudomonas e Wolbachia na árvore filogenética (fig. 1), o Leptospira o gene da catalase também está em um arranjo em tandem com a anquirina, conforme encontrado para várias pseudomonas catalases (Ma et al. 1999). Assim, esses genes da catalase do tipo 3 do clado provavelmente chegaram em suas respectivas células hospedeiras por transferência lateral, visto que eles compartilham habitats com muitos dos primos eubacterianos doadores de genes em perspectiva. Os representantes existentes de Spirochaetae, Planctobacteria, Sphingobacteria e Cyanobacteria, de outra forma, não possuem genes da catalase do tipo 3 do clade, e os outros genes da catalase do tipo 3 do clade detectados em Euryarcheota estão muito distantes do Methanosarcina mazei gene na árvore para propor um ancestral comum direto para todos os três genes arqueobacterianos (fig. 1). Assim, os genes da catalase do tipo 3 do clade provavelmente foram transferidos horizontalmente em vários eventos entre Eubacteria e pelo menos uma vez entre Eubacteria e Euryarchaebacterium Methanosarcina mazei. O último organismo parece ter adquirido ambos os genes da catalase horizontalmente de diferentes doadores: o gene da catalase do tipo 2 do clade de bacilos e o gene da catalase do tipo 1 do clade de um doador proteobacteriano (fig. 1). A transferência horizontal de genes foi abordada recentemente como um evento importante amplamente difundido e evolucionário entre as bactérias (por exemplo, Doolittle 1999 Ochman, Lawrence e Groisman 2000 Nesbø et al. 2001 Gogarten, Doolittle e Lawrence 2002).

As outras três ocorrências documentadas de uma catalase do tipo 3 do clado em Euryarcheota (Methanobacteriales e Methanosarcinales [figs. 1 e 3]) representam a evolução molecular holofilética vertical provável de um gene da catalase do tipo 3 do clado micobacteriano / estreptomiceto no estado transicional de revisão do exoesqueleto (Cavalier-Smith 2002uma, veja a fig. 3 e abaixo). Um reexame cuidadoso dos dados de sequenciamento pelo Metanossarcina acetivoranA equipe do projeto genoma ([email protected]) confirmou uma mutação frame-shift imediatamente a jusante da região catalítica. A sequência corrigida por nós para esta mutação e incluída na análise (fig. 1) representa, portanto, o produto da expressão hipotética de um pseudogene. Nossa hipótese é que perdas semelhantes de mutações de função ocorreram também em outros metanógenos cujos traços moleculares foram apagados (Lawrence, Hendrix e Casjens 2001). Todos os outros descendentes crenarchaeal e euriarchaeal do "ancestral neoexoesquelético" provavelmente perderam genes da catalase entre muitos outros genes no início do processo de adaptação a ambientes extremos (ácido, alta temperatura, etc.) e economia contínua do genoma (Cavalier-Smith 2002uma e referências nele).

Catalases Monofuncionais Eucarióticas

Existem apenas alguns relatórios sobre LGT de bactérias para os Eukaryota. Alguns genes foram suspeitos de terem sido transferidos como resultado da aquisição de endossimbiontes pela célula eucariótica, e alguns outros foram relatados entre bactérias e protozoários (Andersson e Roger 2002 Nixon et al. 2002 e referências nele). As células eucarióticas e as arqueobactérias provavelmente adquiriram genes da catalase de eubactérias tanto vertical quanto lateralmente após os três tipos de genes da catalase terem evoluído conforme descrito acima, e iremos discutir a seguir como os eubactérias os adquiriram. Será útil nesta discussão considerar também os papéis fisiológicos de catalases individuais em seus organismos hospedeiros e perguntar se eles são enzimas de manutenção ou enzimas induzidas ou secretadas que conferem propriedades vantajosas à sua célula hospedeira. Além disso, nossa análise da residência do íntron (número e localização) nos genes da catalase eucariótica, resumida na figura 2, fornece mais informações sobre a direção da evolução do gene da catalase e - se houver suspeita de transferência lateral - quantas vezes essa transferência pode ter ocorrido . Embora a árvore filogenética derivada de alinhamentos de sequências de proteínas da catalase revele pelo menos um evento de transferência lateral de um gene da catalase do tipo 3 do clado de eubactérias para metanógenos, os ancestrais neoexoesqueléticos das Archae-bactérias e Eucariotos parecem ter adquirido seu gene da catalase de manutenção de descendentes das Actinobactérias. Isso está de acordo com as numerosas semelhanças recentemente revisadas entre e linhas de descendência de muitas estruturas e funções em Actinobacteria e Archaebacteria (Cavalier-Smith 2002uma) e Eukaryota inferior, como o Protozoa (Cavalier-Smith 2002b).

É quase certo que a aquisição do gene da catalase tipo 3 por células eucarióticas de bactérias sucedeu a ambos os eventos de duplicação do gene da catalase. Se este não fosse o caso, a residência de todos os três tipos de catalases ou dos remanescentes moleculares de seus genes codificadores deveria ser esperada na maioria dos taxa eucarióticos. Em vez disso, Protista, Animalia e Fungi positivos para catalase contêm uma catalase do tipo 3 do clado como uma enzima de manutenção, enquanto as algas e plantas modernas não têm catalases do tipo 3. Está bem documentado (Cavalier-Smith 2002b e referências nele) que as plantas evoluíram de protistas ancestrais diferentes dos ancestrais dos fungos e animais. Portanto, a ausência de catalases do tipo clade 3 em plantas pode ser bem explicada por um único evento de perda de gene no início da linhagem evolutiva de algas / plantas. As plantas e algas modernas contêm famílias de genes da catalase do tipo 1 do clado exclusivamente pequenas (Frugoli et al. 1996). Estes provavelmente não se originaram da α-bactéria endossimbiônica ancestral da mitocôndria ou da cianobactéria endossimbiótica oxigenada fotossintética ancestral dos cloroplastos porque α-Proteobacteria e Cyanobacteria não adquiriram holofileticamente genes da catalase do tipo 1 do clade (tabela 1 e fig. 3). Em vez disso, e porque os genes da catalase do tipo 1 do clade não são abundantes entre as Actinobactérias (tabela 1), a (s) célula (s) do protistão ancestral da linhagem da alga / planta provavelmente adquiriu seu gene da catalase do tipo 1 do clade diretamente via LTG de um endobacteriano / eobacteriano ou doador proteobacteriano cujos descendentes recentes carregam genes do tipo clade 1 (figs. 1 e 3). A linhagem única de residência do íntron nos genes da catalase vegetal (fig. 2) apóia a singularidade dos eventos de perda (gene do tipo clade 3) e aquisição (gene do tipo clade1) na célula ancestral do protistão da alga / planta.

As linhagens protistas, animais e fúngicas dos genes da catalase do clade 3 são delineadas a partir de ramos bacterianos separados que contêm sequências de actinobactérias (fig. 1). Portanto, é plausível propor que protozoários, animais e fungos adquiriram seus genes de catalase como resultado da evolução molecular holofilética de seus ancestrais derivados de Actinobacteria (Cavalier-Smith 2002b) No entanto, também está claro na figura 1 que os genes da catalase do tipo 3 do clado nos protistas e animais e nos fungos provavelmente se originaram de diferentes ancestrais protozoários. Embora não haja atualmente nenhuma sequência de catalase de um protozoário moderno disponível que se agrupe com as catalases de tipo 3 do clado fúngico, a sequência da catalase A de Dictyostelium subgrupos com catalases arqueobacterianas, e a sequência da catalase A de Toxoplasma subgrupos com as catalases animais. As catalases do tipo 3 do clado de Dictyostelium, Toxoplasma, e os animais representam diferentes linhagens de desenvolvimento de genes, na medida em que constituem diferentes linhagens de aquisição de íntrons (fig. 2). As catalases do tipo 3 do clado dos fungos representam várias linhagens de evolução do gene eucariótico, pois adquiriram de um a até sete íntrons ou carecem de íntrons todos juntos (fig. 2).

Em contraste com a maioria das catalases do tipo 3 do clado doméstico, muitas das catalases do tipo 3 do clado 2 em fungos são secretadas e / ou induzidas por estímulos ambientais (Johnson et al. 2002 Kawasaki et al. 1997). Essas propriedades sugerem que as catalases do tipo clade 2 foram adquiridas como suplementos para enzimas de manutenção constitutiva e desempenham um papel na virulência de seus recipientes (Kawasaki et al. 1997). Uma caracterização recente do complemento de catalase do fungo Histoplasma capsulatum levou Johnson et al. (2002) para propor que os genes conhecidos da catalase de subunidade grande, clade 2 em fungos foram adquiridos de bactérias por pelo menos dois eventos LGT independentes. As sequências de proteínas das duas linhagens de catalase do clade 2 eram mais semelhantes às de subunidades grandes de catalases de Posibacteria, como Bacilo, Mycobacterium, e Streptomyces (fig. 1), que são abundantes em habitats de solo aeróbio que se sobrepõem aos dos fungos. Embora a descrição de Histoplasma A evolução da catalase é um dos primeiros relatos de LGT direta de bactérias para fungos. A evidência de transferência lateral de genes de bactérias para fungos foi documentada em experimentos de laboratório (Sprague 1991 Hayman e Bolen 1993). Nesse contexto, é útil mencionar que também há evidências de genes LGT de CPX recentes de bactérias em fungos (ver abaixo).

Os dados da figura 2 suportam nossa hipótese de que as catalases do tipo clado 1, tipo 2 e tipo 3 evoluíram no Eucarioto por aquisição de íntron. O número de íntrons nos genes da catalase se correlaciona com a riqueza geral de íntrons de seu genoma hospedeiro, portanto, a ausência de íntrons na Hemiascomycotina não é surpreendente. O pequeno número de eventos de perda versus ganho de íntron (apenas três da planta, dois do fungo e dois dos íntrons da catalase animal foram perdidos) apóia a polaridade proposta do processo: invasão de íntrons em genes sem íntron. Isto está em contraste com o modelo de perda de íntron (Frugoli 1998) baseado na análise de sequências selecionadas de catalase vegetal.

Tomados em conjunto, concluímos que os genes da catalase monofuncional são de origem bacteriana e que os genes do tipo 3 do clade evoluíram holofilicamente nas Archaebacteria, Protista, Animalia e Fungi. Os genes da catalase também foram adquiridos lateralmente por Archaebacteria (clado 3), plantas (clado 1) e fungos (clado 2) mais de uma vez (LGT direta e / ou fagocitose), e eles evoluíram em eucariotos ortologica e paralogamente por íntron aquisição em genes anteriormente livres de íntron. Além das análises de distância evolutiva e residência do íntron, informações estruturais / cristalográficas emergentes sobre catalases de todos os três clados (Carpena et al. 2002) apóiam um modelo de evolução divergente em vez de evolução convergente da família de genes da catalase monofuncional.

A evolução da catalase-peroxidase bifuncional

Os CPXs bifuncionais são codificados por uma segunda família de genes de catalase que não estão relacionados com a sequência das catalases monofuncionais discutidas acima. Em um artigo recente, Faguy e Doolittle (2000) alinharam 19 sequências de proteínas CPX (nove proteobacterianas, cinco posibacterianas, três archaebacterianas e duas sequências cianobacterianas) e concluíram a partir das árvores derivadas que os genes CPX foram transferidos lateralmente de Archaebacteria para Proteobacteria patogênica. Dois anos depois, e descontando um punhado de sequências curtas que são provavelmente o resultado de eventos de duplicação gênica incompleta, contamos um total de 58 sequências utilizáveis: 30 proteobacterianas, 14 posibacterianas, cinco arqueobactérias, três cianobacterianas e uma planctobacteriana. Também são relatadas cinco sequências do gene CPX eucariótico de fungos pezizomicotinais. A árvore resultante do alinhamento dessas 58 sequências (fig. 4) é muito menos robusta do que as árvores anteriores baseadas em um conjunto muito menor de sequências selecionadas (Klotz, Klassen e Lowen 1997 Faguy e Doolittle 2000 Loewen, Klotz e Hassett 2000). A árvore de consenso da maioria obtida da inferência bayesiana da filogenia do CPX mostrada na figura 4 permite várias interpretações diferentes da evolução do gene CPX, no entanto, é evidente que vários processos LGT contribuíram para a distribuição do gene CPX. Uma interpretação da árvore filogenética (fig.4) em conjunto com a figura 3 sugere que a evolução da família de genes CPX provavelmente ocorreu muito mais tarde do que a das catalases monofuncionais contendo heme discutidas acima. Os agrupamentos das sequências CPX de Desulfitobacterium (Posibacteria) e Geobacter (Negibacteria) Shewanella, Legionella, e Vibrio (Proteobacteria) e Cyanobacteria e Bacilo (Posibacteria) diversas Proteobacteria e Pirellula (Planctobacteria) e Archaebacteria e Proteobacteria e Archaebacteria sublinham a frequência de troca lateral dos genes CPX entre procariotos. A afirmação de Faguy e Doolittle (2000) de LGT direcionada de genes CPX de Archaebacteria para Eubacteria patogênica é incongruente com árvores filogenéticas obtidas com o conjunto de dados maior (fig. 4), uma vez que o “grupo receptor” proposto contém bactérias não patogênicas no gênero Nitrosomonas, Shewanella, e Pirellula. As proteínas CPX encontradas em fungos são funcionais (Johnson et al. 2002 Kawasaki e Aguirre 2001) e suas sequências agrupam-se intimamente na árvore filogenética como um subaglomerado de um grupo maior de sequências proteobacterianas. Assim, parece viável propor um único evento de aquisição lateral recente de um gene CPX proteobacteriano por um ancestral da Pezizzomicotina.

Atualmente, o CPX é mais abundante em gêneros proteobacterianos, que representam uma direção holofilética da evolução eubacteriana (fig. 3). Portanto, propomos que um gene ancestral CPX provavelmente surgiu em uma proteobactéria ancestral (observe que as sequências α-proteobacteriana e β / γ-proteobacteriana agrupam-se separadamente) e diversificado antes de ser adquirido em eventos LGT independentes por gêneros selecionados nas divisões de o Planctobacteria, Cyanobacteria, Endobacteria, Actinobacteria, Archaebacteria e Pezizzomycotina. No início deste artigo, mencionamos a hipótese de que os CPXs podem ter surgido por meio de uma duplicação e fusão gênica, após a qual o domínio C-terminal provavelmente perdeu sua funcionalidade (Welinder 1991, 1992 Zamocky et al. 2001). A existência de duplicações do gene CPX encurtado e provavelmente não funcional em várias Proteobacteria apenas (por exemplo, Burkholderia fungorum [cepacia] e N. europaea) e a árvore (mostrando duas cópias funcionais do gene CPX para Legionella e Shewanella) revelam que a paralogia nas Proteobactérias provavelmente precedeu muitos dos eventos LGT. O domínio N-terminal do CPX tem uma similaridade de sequência considerável com as peroxidases de ascorbato de plantas (APX), dos quais sete tipos foram identificados (Jespersen et al. 1997). Vários artigos recentes discutiram as relações entre os membros da família APX de planta classe I, que consiste em peroxidases de citocromo C fúngicas (CCPs), citosol de planta e APX de cloroplasto e os CPXs bacterianos (Welinder 1992 Jespersen et al. 1997, Zamocky et al. 2001). Uma inclusão de sequências APX citosólicas e de cloroplasto de plantas em nossa análise filogenética de CPX (tanto de comprimento total quanto N-terminal apenas) gerou árvores nas quais todos os APX delineados a partir do subaglomerado de archaebacterial (na caixa sombreada na fig. 4) e não em o cluster com sequências de cianobactérias. Uma alta similaridade de sequência entre APX e cianobacteriana CPX teria suportado uma transferência mediada por endossimbionte de genes CPX para algas e plantas. Em contraste, o resultado obtido indica que os genes APX modernos e os genes que codificam o CPX na parte sombreada da árvore na figura 4 provavelmente compartilham o mesmo gene CPX ancestral que divergiu da outra cópia do gene encontrada nas cianobactérias modernas após um duplicação (círculo preenchido na fig. 4). Propomos que este gene CPX proteobacteriano chegou por LGT em uma célula ancestral eucariótica, e CPX evoluiu nos descendentes desse ancestral para as enzimas de classe I na superfamília das peroxidases vegetais (Welinder 1992). Enquanto as linhagens de fungos e algas / plantas retiveram o gene, ele foi obviamente perdido nos protozoários modernos e nos animais. A aquisição subsequente do íntron no gene CPX adquirido ancestral de APX e CCP pode ter levado a uma separação do terminal N funcional do terminal C menos ou não funcional durante a evolução dos fungos, algas e plantas, levando assim ao moderno mais curto genes que codificam APX e CCP. Além disso, o encurtamento do gene teve consequências prováveis ​​em relação ao enovelamento de proteínas, que junto com substituições de bases cruciais é provavelmente responsável pela perda da atividade da catalase pelas enzimas APX e CCP (Zamocky et al. 2001). As peroxidases de plantas na família de classe III, como a peroxidase de rábano, parecem ter retido a atividade da catalase (Hernandez-Ruiz et al. 2001 Hiner et al. 2001), mas mais pesquisas são necessárias antes que as peroxidases de plantas de classe III possam ser consideradas hidroperoxidases cataláticas. Dois genes CPX de codificação de domínio encontrados em fungos provavelmente foram adquiridos lateralmente bastante recentemente, pois seus genes deveriam ter evoluído de forma semelhante aos genes que codificam APX e CCP como resultado da aquisição de íntron (separação dos domínios ativo e inativo que representam as cópias do gene fundido ) Como os genes codificadores não são interrompidos nas Archaebacteria procarióticas, os genes CPX encontrados nas Archaebacteria modernas mantiveram os dois domínios.

A evolução da catalase não heme

Para resumir e discutir a evolução da família de genes da catalase não heme (Mn), 29 das 32 sequências disponíveis foram alinhadas e usadas para a construção de árvores filogenéticas. A árvore de consenso da regra da maioria representada obtida por inferência bayesiana da filogenia da catalase não heme (fig. 5) indicou que os genes da catalase não heme se agrupam em dois grupos principais que provavelmente surgiram por duplicação de genes. As catalases não heme aparentemente evoluíram mais tarde do que as catalases monofuncionais, mas precederam a emergência de CPX bifuncional. A consideração das figuras 3 e 5 nos levou a propor que o gene ancestral da catalase não heme evoluiu e foi mantido no ancestral comum negibacteriano de Cyanobacteria e Posibacteria, mas perdido no ancestral comum de Spirochaetae, Sphingobacteria, Planctobacteria e Proteobacteria. Residência atual dos genes da catalase Mn no Planctobacterium Pirellula sp. e várias β-Proteobacteria e γ-Proteobacteria são altamente prováveis ​​devido a LGT de seus associados consorciados, como os nostocales ou bacilos, porque os receptores contêm apenas um ou o outro gene membro da família (fig. 5). Posibactérias e cianobactérias positivas para Mn-catalase geralmente contêm genes representativos de ambos os membros da família. Enquanto alguns dos organismos Mn-catalase-positivos são patógenos oportunistas, os genes Mn-catalase só foram encontrados em espécies abundantes e amplamente distribuídas (fig. 5 e tabela 1).

Mn-catalases não foram detectadas em Eucariotos (fig. 3) e foram encontradas principalmente em Posibacteria (mas não Actinobacteria) e em quatro das seis divisões negibacterianas. As Actinobactérias são implicadas como um ponto de partida crucial para a eucariogênese (Cavalier-Smith 2002uma, 2002b), o que pode explicar por que a Mn-catalase permaneceu amplamente restrita às eubactérias. O recente achado de uma Mn-catalase em uma Chrenarcheabacterium aerobicamente respiratória facultativa, hipertermofílica, Pyrobaculum calidifontis VA1 representa uma exceção única na residência estritamente eubacteriana de Mn-catalases (Amo, Atomi e Imanaka 2002). A atividade catalática da Mn-catalase é menor em comparação com as catalases contendo heme, e é provável que elas tenham significância apenas em bactérias anaeróbias modernas, como os clostrídios e alguns lactobacilos, ao passo que eram bons candidatos para a perda de genes em bactérias aeróbias com diversos complementos de catalases (por exemplo, bacilos e pseudomonas). Curiosamente, a atividade da catalase específica da Mn-catalase em P. calidifontis foi atipicamente alto (23.500 unidades / mg de proteína) (Amo, Atomi e Imanaka 2002).


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Afiliações

Departamento de Biologia Química e Farmacêutica, Universidade de Groningen, Groningen, Holanda

Marie-Cathérine Sigmund e Gerrit J. Poelarends

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Contribuições

M.-C.S. examinou os dados para o artigo, escreveu o manuscrito e preparou as figuras. Ambos M.-C.S. e G.J.P. contribuiu com a discussão, revisão e edição do manuscrito antes da submissão.

Autor correspondente


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