Expressão, purificação e caracterização da enzima ácido fenólico descarboxilase de linhagem bacteriana nativa e recombinante

Abstract

A valorização seletiva da lignina pode resultar na produção de diversos compostos químicos de elevado valor comercial, entre eles os compostos 4-vinílicos. Esse grupo químico possui diversas aplicações, como aditivo para bebidas e alimentos, na produção de perfumes e cosméticos e como matéria-prima para outros produtos biotecnológicos. A obtenção desses compostos pode ser realizada por meio da descarboxilação de ácidos hidroxicinâmicos derivados de fontes vegetais renováveis, entre elas a biomassa lignocelulósica. O presente trabalho teve como objetivo o estudo da enzima ácido fenólico descarboxilase (PAD), produzida por uma linhagem nativa de Bacillus subtilis TG 3.48, isolada de solo de canavial, bem como a expressão heteróloga dessa enzima em Escherichia coli BL21(DE3), utilizando o plasmídeo pET28a(+)-TEV contendo o gene PAD recombinante de B. subtilis TG 3.48. Os resultados comparativos mostraram que as enzimas nativa e heteróloga apresentaram o mesmo perfil de atividade frente às variações de pH e temperatura, bem como a mesma preferência por substrato, seguindo a ordem: ácido ferúlico, ácido p-cumárico e ácido cafeico. Estudos realizados com esses substratos sintéticos e com aqueles obtidos por hidrólise alcalina de bagaço de cana-de-açúcar e palha de milho confirmaram a capacidade da enzima de catalisar a conversão dos ácidos ferúlico e p-cumárico em 4-vinilguaiacol e 4-vinilfenol. Os resultados indicaram a viabilidade de um processo biológico sustentável para a produção de compostos vinílicos a partir de substratos renováveis.

The selective valorization of lignin can lead to the production of several highvalue chemical compounds, including 4-vinyl compounds. This class of chemicals has a wide range of applications, such as additives for food and beverages, ingredients in the production of fragrances and cosmetics, and raw materials for the manufacture of other biotechnological products. These compounds can be obtained through the decarboxylation of hydroxycinnamic acids derived from renewable plant sources, including lignocellulosic biomass. The present study aimed to investigate the enzyme phenolic acid decarboxylase (PAD) produced by a native strain of Bacillus subtilis TG 3.48, isolated from sugarcane field soil, as well as the heterologous expression of this enzyme in Escherichia coli BL21(DE3) using the pET28a(+)-TEV plasmid carrying the recombinant PAD gene from B. subtilis TG 3.48. Comparative analyses demonstrated that the native and heterologous enzymes exhibited the same activity profile under different pH and temperature conditions, as well as the same substrate preference, in the following order: ferulic acid, p-coumaric acid, and caffeic acid. Experiments performed with these synthetic substrates and with substrates obtained by alkaline hydrolysis of sugarcane bagasse and corn stover confirmed the enzyme's ability to catalyze the conversion of ferulic acid and p-coumaric acid into 4-vinylguaiacol and 4-vinylphenol, respectively. The results demonstrated the feasibility of a sustainable biological process for the production of vinyl compounds from renewable feedstocks.