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Tipo: Dissertação
Título: Abordagens de evolução dirigida para aumento da eficiência catalítica da enzima terapêutica L-asparaginase II de Bacillus subtilis
Autor(es): Silva, João Matheus Fonteles
Orientador: Furtado, Gilvan Pessoa
Palavras-chave em português: Leucemia linfoide aguda;Bacillus subtilis;Mutantes;Asparaginase;Engenharia de proteínas
Palavras-chave em inglês: Acute lymphoid leukemia;Bacillus subtilis;Error-prone PCR;Mutants
CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS
Data do documento: 2025
Citação: SILVA, João Matheus Fonteles. Abordagens de evolução dirigida para aumento da eficiência catalítica da enzima terapêutica L-asparaginase II de Bacillus subtilis. 2025. Dissertação (Mestrado em Biotecnologia de Recursos Naturais) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A L-asparaginase II é uma enzima utilizada em rotinas quimioterápicas no tratamento de Leucemia linfoide aguda. Atualmente, as principais formulações de L-asparaginases (L-ASNases) comerciais são provenientes das bactérias Escherichia coli e Erwinia chrysanthemi, porém estão associadas a efeitos colaterais como imunogenicidade, hipersensibilidade e demais efeitos adversos. Assim, faz-se necessário a implementação de técnicas que visem desenvolver L-ASNases com atividade, estabilidade e afinidade melhoradas. A evolução dirigida de proteínas é uma ferramenta que permite a construção de bibliotecas de genes mutantes utilizando técnicas como error-prone PCR (epPCR) ou recombinação gênica in vitro. Quando associada a um método de screening eficiente, é possível prospectar os mutantes que apresentem os melhores desempenhos para uma determinada propriedade de interesse e obter uma proteína melhorada. O objetivo desse trabalho é utilizar métodos de evolução dirigida para melhorar a eficiência catalítica da L-asparaginase II de Bacillus subtilis (BsAII). A epPCR foi realizada para construir três bibliotecas de mutantes do gene ansZ, que codifica a L-ASNase, com taxas de mutação distintas. Com base na análise das mutações determinou-se a taxa de mutação mais adequada, de aproximadamente 1%. Os genes ansZ mutantes foram clonados em vetores para expressão constitutiva periplasmáticas, sendo inseridos em células de E. coli. Os métodos de screening foram divididos em três diferentes etapas, começando com uma seleção em meio sólido, passando por um ensaio enzimático do caldo livre de células pós-expressão e finalizando com testes de atividade asparaginásica e determinação dos parâmetros cinéticos das proteínas recombinantes. Os mutantes selecionados através do método de screening nº 1 (BsAII-S1-Mut93) e nº 2 (BsAII-S2-Mut26) foram expressos em vetor pET28a. O rendimento de expressão, a avaliação da atividade e a determinação dos parâmetros cinéticos dos mutantes foram comparados ao da BsAII nativa. A BsAII-S2-Mut26 apresentou um rendimento de expressão 2 vezes maior e atividade asparaginásica e afinidade similares ao da BsAII nativa. Já o BsAII-S1-Mut93 apresentou um rendimento de expressão similar, atividade asparaginásica 5 vezes menor e Constante de Michaelis-Menten (KM) 3 vezes menor em comparação a BsAII nativa. Embora as técnicas de evolução dirigida mostrem grande potencial para o desenvolvimento de enzimas melhoradas, condições mais eficientes de seleção e rastreamento de mutantes precisam ser padronizadas a fim de obter clones de L-asparaginase II de Bacillus subtilis promissores para aplicação aplicações terapêuticas.
Abstract: L-asparaginase II is an enzyme used in routine chemotherapy for the treatment of acute lymphoblastic leukaemia (ALL). Currently, the main commercial formulations of L-asparaginases (L-ASNases) are derived from the bacteria Escherichia coli and Erwinia chrysanthemi, but they are associated with side effects such as immunogenicity, hypersensitivity and other adverse effects. It is therefore necessary to apply techniques aimed at developing L-ASNases with improved activity, stability and affinity. Directed protein evolution is a tool that allows the construction of mutant gene libraries using techniques such as error-prone PCR (epPCR) or in vitro gene recombination. When combined with an efficient screening method, it is possible to select the mutants with the best performance for a given property of interest and obtain an improved protein. The aim of this work is to use directed evolution methods to improve the catalytic efficiency of L-asparaginase II from Bacillus subtilis (BsAII). EpPCR was used to generate three libraries of mutants of the ansZ gene encoding L-ASNase with different mutation rates. Based on the analysis of the mutations, the most appropriate mutation rate of approximately 1% was determined. The mutated ansZ genes were cloned into periplasmic constitutive expression vectors and inserted into E. coli cells. The screening methods were divided into three different stages, starting with a selection in solid medium, followed by an enzymatic assay of the post-expression cell-free broth, and ending with tests of asparaginase activity and determination of the kinetic parameters of the recombinant proteins. The mutants nº 1 (BsAII-S1-Mut93) and nº 2 (BsAII-S2-Mut26) selected by the screening method were expressed in the pET28a vector. The expression yield, activity evaluation and determination of kinetic parameters of the mutants were compared with those of native BsAII. BsAII-S2-Mut26 showed a 2-fold higher expression yield and similar asparaginase activity and affinity to native BsAII. On the other hand, BsAII-S1-Mut93 showed a similar expression yield, 5-fold lower asparaginase activity and 3-fold lower Michaelis-Menten constant (KM) compared to native BsAII. Although directed evolution techniques have great potential for the development of improved enzymes, more efficient mutant selection and screening conditions need to be standardised in order to obtain promising Bacillus subtilis L-asparaginase II clones for therapeutic applications.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/83189
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0009-0002-1434-4771
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/4044241418983086
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-8797-7783
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/4259673144880085
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:PPGBRN - Dissertações defendidas na UFC

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