Cyclodextrin glycosyltransferase production by new Bacillus sp. strains isolated from brazilian soil

Three strains of Bacillus sp. (BACRP, BACNC-1 and BACAR) were isolated from soil adhered to cassava husk. CGTase specific activity for the three isolated strains was higher when cultivated at 40ºC. Potato starch, cassava starch, maltodextrin and glucose were used as carbon source and growth temperatures varied from 25 to 55ºC. The three isolates presented higher CGTase specific activity when cultivated with potato starch at 40ºC. Isolated BACRP and BACAR presented specific activity of 4.0x10-3 and 2.2x10-3 U/mg prot at pH 7.0, respectively, when cultivated in mediums added with NaCl 2%; at pH 10,0 their activities were of 3.4x10-3 and 3.0x10-3 U/mg prot, respectively, in the same concentration of NaCl. On the other hand, the isolated BACNC-1 presented activity specific of 2.4x10-3 U/mg prot when cultivated at pH 7.0 added of NaCl 1%, and at pH 10.0 the specific activity was of 3.4x10-3 U/mg prot without NaCl addition. This work also showed the presence of cyclodextrins formed during fermentation process and that precipitation with acetone or lyophilization followed by dialysis was efficient at removing CDs (cyclodextrins), thus, eliminating interference in the activity assays. The enzyme produced by the BACAR strain was partially purified and -CD was liberated as a reaction product.

Três linhagens de Bacillus sp (BACRP, BACNC- 1 e BACAR) foram isoladas a partir de solo aderido em casca de mandioca. Foram utilizados amido de batata, amido de mandioca, maltodextrina e glicose como fonte de carbono, e temperaturas de crescimento de 25-55ºC, sendo que os três isolados apresentaram maior atividade específica de CGTase quando cultivados com amido de batata a 40ºC. Em pH 7,0 os isolados BACRP e BACAR apresentaram atividade específica de 4,0x 10-3 e 2,2x10-3 U/mg prot, respectivamente, quando cultivados em meios acrescidos de 2% de NaCl; em pH 10,0 suas atividades foram de 3,4x10-3 e 3,0x10-3 U/mg prot na mesma concentração de NaCl. Por outro lado, o isolado de BACNC-1 apresentou atividade específica 2,4x10-3 U/mg prot quando cultivado em pH 7,0 acrescido de 1% de NaCl, e em pH 10,0 sua atividade específica foi de 3,4x10-3 U/mg prot sem adição de NaCl. Também foi demonstrada neste trabalho que ciclodextrinas são formadas durante o processo fermentativo, e que a precipitação com acetona ou liofilização seguida de diálise foram eficientes na remoção destas CDs, eliminando sua interferência nos ensaios enzimáticos. A enzima produzida pela cepa BACAR foi purificada parcialmente liberando b-CD como produto da reação.

Cyclodextrin glycosyltransferase from Bacillus licheniformis: optimization of production and its properties

Cyclodextrin glycosyltransferase (EC 2.4.1.19) is an enzyme that produces cyclodextrins from starch via an intramolecular transglycosylation reaction. An alkalophilic Bacillus strain, isolated from cassava peels, was identified as Bacillus licheniformis. CGTase production by this strain was better when potato starch was used as carbon source, followed by cassava starch and amylopectin. Glucose and amylose, on the other hand, acted as synthesis repressors. When the cultivation was supplemented with sodium ions and had the pH adjusted between 6.0 and 9.0, the microorganism maintained the growth and enzyme production capacity. This data is interesting because it contradicts the concept that alkalophilic microorganisms do not grow in this pH range. After ultrafiltration-centrifugation, one protein of 85.2 kDa with CGTase activity was isolated. This protein was identified in plates with starch and phenolphthalein. Determination of the optimum temperature showed higher activities at 25ºC and 55ºC, indicating the possible presence of more than one CGTase in the culture filtrate. Km and Vmax values were 1.77 mg/mL and 0.0263 U/mg protein, respectively, using potato starch as substrate.

Ciclodextrina glicosiltransferase (EC 2.4.1.19) é uma enzima que produz ciclodextrinas a partir de amido via transglicosilação intramolecular. Uma cepa de Bacillus alcalofílico, isolada de cascas de mandioca, foi identificada como Bacillus licheniformis. A produção de CGTase por esta cepa foi melhor quando amido de batata foi utilizado como fonte de carbono, seguido por amido de mandioca e amilopectina. Glicose e amilose, por outro lado, atuaram como repressor de síntese desta enzima. Quando o cultivo foi suplementado com íons sódio e teve o pH ajustado entre 6,0 e 9,0, o microrganismo manteve a capacidade de crescimento e de produção da enzima. Este dado é interessante pois contraria o conceito de que microrganismos alcalofílicos não apresentam crescimento nesta faixa de pH. Após ultrafiltração-centrifugação, uma proteína de 85,2 kDa com atividade de CGTase foi isolada. Esta proteína foi identificada em placas contendo amido e fenolftaleína. A determinação da temperatura ótima mostrou atividades mais elevadas em 25ºC e 55ºC, indicando a possível presença de mais de uma CGTase no filtrado de cultura. Valores de Km e Vmax foram 1,77 mg/mL e 0,0263 U/mg proteína, respectivamente, usando amido de batata como substrato.

Production of CGTase by a Bacillus alkalophilic CGII strain isolated from wastewater of a manioc flour industry

GCTase production by a new strain of Bacillus alkalophilic CGII isolated from Brazilian wastewater of manioc flour industry was examined. The growth medium used was composed by 1.5% starch, 1.5% nitrogen and 1% Na2CO3. Higher activity was obtained with starch, maltodextrin and galactose. When glucose was added to the medium, no enzyme production was observed. High enzyme activity and growth were reached when aeration was increased (88.6 U/mL). The enzyme characterization showed an optimum pH and temperature 8.0 and 55ºC for starch hydrolyses, respectively. Mg+ and Ca++ showed small activation; however, Hg+ and Cu+ showed a strong enzyme inhibition.

Estudou-se a produção de CGTase por uma nova cepa de Bacillus alkalophilic CGII, isolada de água residuária de uma fecularia de mandioca, durante cultivo em meio composto de 1,5% de amido, 1,5% de fonte de nitrogênio e 1% Na2CO3. A atividade enzimática foi alta quando se utilizou amido, maltodextrina e galactose como fontes de carbono. Quando se utilizou glicose no meio de cultivo não se observou produção da enzima. Atividade enzimática alta (88,6 U/mL) e melhor crescimento foram obtidos quando se aumentou a aeração. A caracterização da enzima mostrou um pH ótimo de 8,0 e temperatura ótima de 55ºC sendo que a enzima sofreu uma pequena ativação por Mg+ e Ca++. A enzima foi fortemente inibida por Hg+ e Cu+.

Study of parameters that influence the production of the enzyme CGTase from Bacillus firmus, strain no. 37 / Estudos de parâmetros que influenciam na produção da enzima CGTase de Bacillus firmus, cepa nº 37

The cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides formed by residues of glucopyranose linked by -1,4. The most common are the -, - and -CD that present 6, 7 and 8 units of glucopyranose, respectively. They are produced from starch by the action of the enzyme cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase). Frequently, -CD is produced in larger amount. A study of optimization of the production of the CGTase from Bacillus firmus, strain no. 37 (-CGTase) was performed. The production of the enzyme occurred during the phase of exponential growth of the microorganism and the maximum activity was observed within three days of cultivation at 37ºC. The best production of the enzyme was obtained with inoculum of optical density between 0.5 and 1.0 (660 nm). The use of the maltodextrin for production of the enzyme provided an enzymatic activity at 31% lower than the substrate, soluble starch. Therefore, the substrate maltodextrin is not appropriate to improve the production of the studied enzyme.

As ciclodextrinas (CDs) são oligossacarídeos cíclicos formados por resíduos de glucopiranose unidos por ligação -1,4. As mais comuns são -, - e -CD contendo 6, 7 e 8 resíduos de glucopiranose, respectivamente. Elas são produzidas a partir do amido pela ação da enzima ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase). Freqüentemente, -CD é produzida em maior quantidade. Um estudo da otimização da produção da CGTase de Bacillus firmus cepa nº 37 (-CGTase) foi realizado. A produção da enzima ocorreu durante a fase de crescimento exponencial do microrganismo e a máxima atividade foi observada com três dias de cultivo a 37ºC. O melhor rendimento na produção da enzima foi obtido quando da utilização de pré-inóculo com absorbância entre 0,5 e 1,0 (660 nm). O uso do substrato maltodextrina para produção da enzima proporcionou uma atividade enzimática ao redor de 31% menor que o substrato amido solúvel. Portanto, o substrato maltodextrina não é adequado para melhorar a produção da enzima estudada.

Study of parameters that influence the production of the enzyme CGTase from Bacillus firmus, strain no. 37 / Estudos de parâmetros que influenciam na produção da enzima CGTase de Bacillus firmus, cepa nº 37

The cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides formed by residues of glucopyranose linked by -1,4. The most common are the -, - and -CD that present 6, 7 and 8 units of glucopyranose, respectively. They are produced from starch by the action of the enzyme cyclodextrin glycosyltransferase (CGTase). Frequently, -CD is produced in larger amount. A study of optimization of the production of the CGTase from Bacillus firmus, strain no. 37 (-CGTase) was performed. The production of the enzyme occurred during the phase of exponential growth of the microorganism and the maximum activity was observed within three days of cultivation at 37ºC. The best production of the enzyme was obtained with inoculum of optical density between 0.5 and 1.0 (660 nm). The use of the maltodextrin for production of the enzyme provided an enzymatic activity at 31% lower than the substrate, soluble starch. Therefore, the substrate maltodextrin is not appropriate to improve the production of the studied enzyme.

As ciclodextrinas (CDs) são oligossacarídeos cíclicos formados por resíduos de glucopiranose unidos por ligação -1,4. As mais comuns são -, - e -CD contendo 6, 7 e 8 resíduos de glucopiranose, respectivamente. Elas são produzidas a partir do amido pela ação da enzima ciclodextrina glicosiltransferase (CGTase). Freqüentemente, -CD é produzida em maior quantidade. Um estudo da otimização da produção da CGTase de Bacillus firmus cepa nº 37 (-CGTase) foi realizado. A produção da enzima ocorreu durante a fase de crescimento exponencial do microrganismo e a máxima atividade foi observada com três dias de cultivo a 37ºC. O melhor rendimento na produção da enzima foi obtido quando da utilização de pré-inóculo com absorbância entre 0,5 e 1,0 (660 nm). O uso do substrato maltodextrina para produção da enzima proporcionou uma atividade enzimática ao redor de 31% menor que o substrato amido solúvel. Portanto, o substrato maltodextrina não é adequado para melhorar a produção da enzima estudada.