Obtenção de quitosana natural e filogenia dos fungos dimórficos Benjaminiella, Cokeromyces e Mycotypha

Abstract

A quitosana é um copolímero de glicosamina e N-acetilglicosamina normalmente obtido por desacetilação da quitina de crustáceos. Fungos da Ordem Mucorales contêm quitosana nativa como um dos componentes estruturais de suas paredes celulares. O presente trabalho trata da prospecção para identificação de fungo produtor de quitosana fúngica nativa em crescimento leveduriforme, a caracterização físico-química das quitosanas obtidas e, paralelamente, foi feito um estudo filogenético dos organismos de interesse. Sete espécies de fungos dimórficos da Ordem Mucorales foram selecionados: Benjaminiella multispora (BM), B. poitrasii (BP), B. youngii (BY), Cokeromyces recurvatus (CR), Mycotypha africana (MA), M. indica (MI) e M. microspora (MM1). Esses fungos apresentam crescimento leveduriforme, uma característica interessante para o cultivo submerso. As melhores condições para o crescimento leveduriforme puro para a maioria das espécies foi em meio YP2G a 37 ? determinada em ensaios de bancada. A quitosana extraída, em ensaios de bancada, chegou a 16,7% para BP, 16,0% para MA, 11,8% para BM, 8,7% para MI, 7,1% para CR e de 5,1% para BY e MM1. Cultivos em biorreator foram feitos em processo de batelada e contínuo para produção de biomassa e posterior extração de quitosanas. As condições selecionadas em ensaios de bancada permitiram o crescimento da maioria das espécies em crescimento leveduriforme puro, exceto a cepa MA. Os resultados de baixa conversão e baixa produtividade evidenciaram que o crescimento foi fermentativo em todos os casos, possivelmente por inibição do metabolismo respiratório por alta concentração de glicose (efeito Crabtree), condição necessária para a manutenção dos leveduriformes da maioria das cepas, o que indica a necessidade de estudo específico para otimização do processo. Análises físico-químicas das quitosanas por espectrometria de infravermelho e termogravimetria revelaram que o material extraído das cepas BP e MM1 têm características de quitina e a ressonância nuclear magnética confirmou que elas têm grau de desacetilação muito baixos (18,2% e 17,2%). A quitosana nativa extraída da cepa BY apresentou grau de desacetilação muito alto (96,9%) e baixo peso molecular médio (103 kDa), características ideais para aplicações médicas e farmacêuticas. A análise da região ITS revelou que as cepas dos três gêneros neste trabalho formaram grupos monofiléticos entre si e as espécies dos gêneros Benjaminiella e Cokeromyces se agruparam em um clado com 100% de confiabilidade. As espécies M. africana e M. indica são mais próximas entre si do que com M. microspora. A diferença nessa região entre B. youngii e as cepas de B. poitrasii foi de apenas 0,7%, um valor baixíssimo, para espécies diferentes. A subunidade ITS1 não apresentou variação entre todas as cepas e espécies de Mycotypha. O mesmo ocorreu para entre as diferentes cepas de B. poitrasii e entre as de B. multispora. Para C. recurvatus essa foi a região com maior variação intraespecífica. A subunidade ITS2 foi a região com maior amplitude de variação para espécies de Benjaminiella e, também, entre as de Mycotypha. Para a subunidade 5.8S, não foi detectada variabilidade intraespecífica em nenhum dos casos. Em dois casos, diferentes espécies de um mesmo gênero apresentaram sequências idênticas (B. youngii x B. poitrasii e M. africana x M. indica). A concatenação das regiões 18S e 28S, não esclareceu a monofilia entre Benjaminiella, Cokeromyces e Mycotypha devido ao baixo valor de suporte (39%). Análises filogenéticas da concatenação oito diferentes regiões/genes (18S e 28S; EFT2, GLN4, MOT1, SGD1, FAL1 e ACT) por três diferentes métodos (agrupamento de vizinhos, máxima verossimilhança e máxima parcimônia) revelaram que as espécies B. poitrasii e C. recurvatus formam um clado monofilético com suporte entre 99-100%, dependendo do método utilizado. Esses resultados indicam que ambos gêneros devem ser realocados em um táxon próprio (Família Cokeromycetaceae) e não nas famílias Mucoraceae ou Mycothyphaceae.

Abstract : Chitosan is a copolymer of glycosamine and N-acetylglucosamine usually obtained by deacetylation of chitin from crustaceans. Fungi of the Order Mucorales contain native chitosan as one of structural components of their cell walls. The present work deals with the prospection for identification of fungus producing native fungal chitosan growing in yeast-like form. Seven species of dimorphic fungi of the Order Mucorales were selected: Benjaminiella multispora (BM), B. poitrasii (BP), B. youngii (BY), Cokeromyces recurvatus (CR), Mycotypha africana (MA), M. indica (MI), and M. microspora (MM1). These fungi show yeast-like growth, an interesting feature for submerged cultivation. The best condition for pure yeast-like growth for most of the species was determinated to be YP2G medium at 37 ? in benchtop conditions. Chitosans extracted in benchtop experiments reached 16.7% for BP, 16.0% for MA, 11.8% for BM, 8.7% for MI, 7.1% for CR and 5.1 % for BY and MM1. Growth in bioreactor were made in batch process and continuous for biomass production and chitosan extraction of the species. The conditions selected in benchtop experiments allowed the growth of most species in pure yeast-like growth, except for the strain MA. Results of low conversion and low productivity evidenced that the growth was fermentative in all cases, possibly by inhibition of the respiratory metabolism by high concentration of glucose (Crabtree effect), a necessary conditions for the maintenance of the yeast-like growth of most strains, and indicates the need for a specific study to optimize the process. Physicochemical analyzes of chitosan by infrared spectrometry and thermogravimetry revealed that the chitinous material extracted from the strains BP and MM1 have characteristics of chitin, and nuclear magnetic resonance hydrogen (H1NMR) confirmed they have very low deacetylation degree (18.2% and 17.2%, respectively). The native chitosan extracted from strain BY showed a very high deacetylation degree (96.9%) and low average molecular weight (103 kDa) by viscometry, ideal for medical and pharmaceutical applications. The analysis of the ITS region revealed that the strains of the three genera under work formed monophyletic groups among themselves and the species of the genus Benjaminiella and Cokeromyces clustered in a clade with 100% reliability. M. africana and M. indica species are closer to each other than to M. microspora. The difference in this region between B. youngii and B. poitrasii strains was only 0.7%, a very low value, for different species. The ITS1 subunit did not show variation among all strains and species of Mycotypha. The same occurred among the different strains of B. poitrasii and among B. multispora strains. For C. recurvatus this was the region with the highest intraspecific variation. The ITS2 subunit was the region with the greatest amplitude of variation for species of Benjaminiella and also between those of Mycotypha. For the 5.8S subunit, no intraspecific variability was detected in any cases. In two cases, different species of the same genus presented identical sequences (B. youngii x B. poitrasii and M. africana x M. indica). The concatenation of the 18S and 28S regions did not clarify the monophyly between Benjaminiella, Cokeromyces and Mycotypha due to the low support value (39%). Phylogenetics analysis of eight different regions/genes (18S, 28S; EFF2, GLN4, MOT1, SGD1, FAL1 and ACT) by three different methods (neighbor-joining, maximum likelihood and maximum parsimony) revealed that the species B. poitrasii and C. recurvatus form a monophyletic clade with support between 99-100% support, depending on the method employed. These results indicate that both genera must be reallocated in an own taxon (Family Cokeromycetaceae) and not in the families Mucoraceae or Mycothyphaceae.