dissertação

Purificação de l-asparaginase de aspergillus caespitosus ccdca 11593 em criogel de troca iônica

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Não

Resumo

A L-asparaginase (EC 3.5.1.1) catalisa a hidrólise da L-asparagina em ácido aspártico e amônia, reduzindo a formação de acrilamida, um composto potencialmente carcinogênico gerado na reação de Maillard entre açúcares redutores e L-asparagina. Para a purificação de enzimas, técnicas cromatográficas são amplamente empregadas, sendo os criogéis poliméricos matrizes consolidadas para esse processo, devido à sua elevada porosidade, capacidade adsortiva e volume de processamento. No entanto, modificações estruturais são necessárias para melhorar a eficiência da captura da biomolécula-alvo. Neste estudo, criogéis de poliacrilamida foram funcionalizados com nicotinamida e aplicados na purificação de L-asparaginase produzida por Aspergillus caespitosus CCDCA 11593, utilizando cromatografia de troca iônica. Avaliou-se o efeito da estratégia de funcionalização dos criogéis (método do glutaraldeído e método da base de Schiff), da concentração do tampão fosfato de sódio (0,05 e 0,10 mol·L⁻¹) e do pH (3,0; 5,0 e 8,0) na adsorção da enzima, visando maximizar a capacidade adsortiva (q, mg·g⁻¹). O criogel funcionalizado com niacinamida pelo método do glutaraldeído (Glu-Nic) apresentou desempenho superior (q = 161,32 ± 2,36 mg·g⁻¹ e atividade residual no sobrenadante de 11032,609 U·mL⁻¹), sendo selecionado como matriz ideal para a adsorção da enzima, nas condições de pH 5,0 e força iônica de 0,05 mol·L⁻¹. Embora o criogel funcionalizado com hexanodiamina, seguido da adição de glutaraldeído e niacinamida (Hex-Glu-Nic) tenha apresentado resultados estatisticamente semelhantes, o Glu-Nic foi escolhido por reduzir etapas de funcionalização, mantendo elevada eficiência adsortiva. A caracterização físico-química dos criogéis Glu-Nic demonstrou manutenção da estrutura macroporosa, com porosidade total (φT = 0,795 ± 0,035), porosidade de macroporos (φM = 0,528 ± 0,054), capacidade de inchamento de 11,33 ± 2,67 e densidade de grupos epóxi de 352,28 ± 57,93 µmol·g⁻¹, assegurando disponibilidade de sítios ativos para funcionalização. O ponto de carga zero (pHpzc ≈ 6,5) indicou predominância de cargas positivas em meio ácido, favorecendo interações eletrostáticas com a L-asparaginase, especialmente em pH 5,0. Na etapa de purificação por cromatografia de troca iônica, o criogel Glu-Nic promoveu redução da concentração de proteínas totais de 1,084 para 0,074 mg·mL⁻¹, com aumento da atividade específica para 441,94 U·mg⁻¹, confirmando elevada seletividade e eficiência do processo. As isotermas de adsorção ajustaram-se adequadamente ao modelo de Langmuir (qₘₐₓ = 68,7 mg·g⁻¹), indicando adsorção em monocamada homogênea. A análise termodinâmica revelou que o processo de adsorção foi espontâneo (ΔG° < 0) e exotérmico (ΔH° < 0). A análise por SDS-PAGE confirmou a seletividade do criogel Glu-Nic para a captura cromatográfica da L-asparaginase. Assim, o criogel Glu-Nic mostrou-se uma matriz estável, seletiva, com potencial para aplicações biotecnológicas na purificação de enzimas terapêuticas, como a L-asparaginase. Palavras-chave: Adsorção; acrilamida; criogel; nicotinamida; purificação; enzima.

Abstract

L-asparaginase (EC 3.5.1.1) catalyzes the hydrolysis of L-asparagine into aspartic acid and ammonia, thereby reducing the formation of acrylamide, a potentially carcinogenic compound generated during the Maillard reaction between reducing sugars and L-asparagine. Chromatographic techniques are widely employed for enzyme purification, and polymeric cryogels have emerged as well-established matrices for this purpose due to their high porosity, elevated adsorption capacity, and ability to process large sample volumes. Nevertheless, structural modifications are required to enhance the efficiency of target biomolecule capture. In this study, polyacrylamide cryogels were functionalized with nicotinamide and applied to the purification of L-asparaginase produced by Aspergillus caespitosus CCDCA 11593 using ion-exchange chromatography. The effects of cryogel functionalization strategies (glutaraldehyde method and Schiff base method), sodium phosphate buffer concentration (0.05 and 0.10 mol·L⁻¹), and pH (3.0, 5.0, and 8.0) on enzyme adsorption were evaluated in order to maximize the adsorption capacity (q, mg·g⁻¹). The cryogel functionalized with niacinamide via the glutaraldehyde method (Glu-Nic) exhibited superior performance (q = 161.32 ± 2.36 mg·g⁻¹ and residual activity in the supernatant of 42,716.36 ± 10,856.18 U·mL⁻¹), and was therefore selected as the optimal matrix for enzyme adsorption under conditions of pH 5.0 and ionic strength of 0.05 mol·L⁻¹. Although the cryogel functionalized with hexanediamine followed by glutaraldehyde and niacinamide addition (Hex-GluNic) showed statistically comparable results, the Glu-Nic matrix was preferred due to the reduced number of functionalization steps while maintaining high adsorption efficiency. Physicochemical characterization of the Glu-Nic cryogels demonstrated the preservation of the macroporous structure, with total porosity (φT = 0.795 ± 0.035), macropore porosity (φM = 0.528 ± 0.054), swelling capacity of 11.33 ± 2.67, and epoxy group density of 352.28 ± 57.93 µmol·g⁻¹, ensuring the availability of active sites for functionalization. The point of zero charge (pHpzc ≈ 6.5) indicated a predominance of positive charges under acidic conditions, favoring electrostatic interactions with L-asparaginase, particularly at pH 5.0. During the ion-exchange chromatography purification step, the Glu-Nic cryogel reduced the total protein concentration from 1.084 to 0.074 mg·mL⁻¹, accompanied by an increase in specific activity to 441.94 U·mg⁻¹, confirming the high selectivity and efficiency of the purification process. Adsorption isotherms were best described by the Langmuir model (qₘₐₓ = 68.7 mg·g⁻¹), suggesting homogeneous monolayer adsorption. Thermodynamic analysis indicated that the adsorption process was spontaneous (ΔG° < 0) and exothermic (ΔH° < 0). Furthermore, SDS-PAGE analysis confirmed the selectivity of the Glu-Nic cryogel for the chromatographic capture of L-asparaginase. Overall, the Glu-Nic cryogel demonstrated high stability and selectivity, highlighting its potential as a promising matrix for biotechnological applications in the purification of therapeutic enzymes such as L-asparaginase. Keywords: Adsorption; acrylamide; cryogel; niacinamide; purification; enzyme

Descrição

Título: Optimization of ion exchange cryogel functionalization via the epoxy method for protein adsorption from ora-pro-nobis (Pereskia aculeata). link: https://doi.org/10.1002/cjce.25660.

Área de concentração

Engenharia de Alimentos

Linha de pesquisa

Desenvolvimento de processos na indústria de alimentos

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

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Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

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DOI

Citação

BOTELHO, Dayana Teixeira. Purificação de l-asparaginase de aspergillus caespitosus ccdca 11593 em criogel de troca iônica. 2026. 105 p. Dissertação (Mestrado Acadêmico). Universidade Federal de Lavras, 2026.

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