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Gennari A, Simon R, Sperotto NDDM, Bizarro CV, Basso LA, Machado P, Benvenutti EV, Da Cas Viegas A, Nicolodi S, Renard G, Chies JM, Volpato G, Volken de Souza CF. One-step purification of a recombinant beta-galactosidase using magnetic cellulose as a support: Rapid immobilization and high thermal stability. BIORESOURCE TECHNOLOGY 2022; 345:126497. [PMID: 34883192 DOI: 10.1016/j.biortech.2021.126497] [Citation(s) in RCA: 15] [Impact Index Per Article: 7.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/25/2021] [Revised: 11/30/2021] [Accepted: 12/01/2021] [Indexed: 06/13/2023]
Abstract
For the first time, this work reported the one-step purification and targeted immobilization process of a β-galactosidase (Gal) with the Cellulose Binding Domain (CBD) tag, by binding it to different magnetic cellulose supports. The process efficiency after β-galactosidase-CBD immobilization on magnetic cellulose-based supports showed values of approximately 90% for all evaluated enzymatic loads. Compared with free Gal, derivatives showed affinity values between β-galactosidase and the substrate 1.2 × higher in the lactose hydrolysis of milk. β-Galactosidase-CBD's oriented immobilization process on supports increased the thermal stability of the immobilized enzyme by up to 7 × . After 15 cycles of reuse, both enzyme preparations showed a relative hydrolysis percentage of 50% of lactose in milk. The oriented immobilization process developed for purifying recombinant proteins containing the CBD tag enabled the execution of both steps simultaneously and quickly and the obtention of β-galactosidases with promising catalytic characteristics for application in the food and pharmaceutical industries.
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Affiliation(s)
- Adriano Gennari
- Laboratório de Biotecnologia de Alimentos, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil
| | - Renate Simon
- Laboratório de Biotecnologia de Alimentos, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil
| | - Nathalia Denise de Moura Sperotto
- Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Tuberculose, Centro de Pesquisas em Biologia Molecular e Funcional, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Cristiano Valim Bizarro
- Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Tuberculose, Centro de Pesquisas em Biologia Molecular e Funcional, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Luiz Augusto Basso
- Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Tuberculose, Centro de Pesquisas em Biologia Molecular e Funcional, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Pablo Machado
- Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Tuberculose, Centro de Pesquisas em Biologia Molecular e Funcional, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | | | | | - Sabrina Nicolodi
- Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Gaby Renard
- Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Tuberculose, Centro de Pesquisas em Biologia Molecular e Funcional, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | | | - Giandra Volpato
- Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul (IFRS), Campus Porto Alegre, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Claucia Fernanda Volken de Souza
- Laboratório de Biotecnologia de Alimentos, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil.
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Gennari A, Simon R, de Andrade BC, Saraiva Macedo Timmers LF, Milani Martins VL, Renard G, Chies JM, Volpato G, Volken de Souza CF. Production of beta-galactosidase fused to a cellulose-binding domain for application in sustainable industrial processes. BIORESOURCE TECHNOLOGY 2021; 326:124747. [PMID: 33517047 DOI: 10.1016/j.biortech.2021.124747] [Citation(s) in RCA: 9] [Impact Index Per Article: 3.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/08/2020] [Revised: 01/14/2021] [Accepted: 01/15/2021] [Indexed: 06/12/2023]
Abstract
This study aimed to produce and characterize a recombinant Kluyveromyces sp. β-galactosidase fused to a cellulose-binding domain (CBD) for industrial application. In expression assays, the highest enzymatic activities occurred after 48 h induction on Escherichia coli C41(DE3) strain at 20 °C in Terrific Broth (TB) culture medium, using isopropyl β-d-1-thiogalactopyranoside (IPTG) 0.5 mM (108.77 U/mL) or lactose 5 g/L (93.10 U/mL) as inducers. Cultures at bioreactor scale indicated that higher product yield values in relation to biomass (2000 U/g) and productivity (0.72 U/mL.h) were obtained in culture media containing higher protein concentration. The recombinant enzyme showed high binding affinity to nanocellulose, reaching both immobilization yield and efficiency values of approximately 70% at pH 7.0 after 10 min reaction. The results of the present study pointed out a strategy for recombinant β-galactosidase-CBD production and immobilization, aiming toward the application in sustainable industrial processes using low-cost inputs.
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Affiliation(s)
- Adriano Gennari
- Laboratório de Biotecnologia de Alimentos, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil
| | - Renate Simon
- Laboratório de Biotecnologia de Alimentos, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil
| | - Bruna Coelho de Andrade
- Laboratório de Biotecnologia de Alimentos, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil
| | | | - Vera Lúcia Milani Martins
- Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul - IFRS, Campus Porto Alegre, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Gaby Renard
- Centro de Pesquisa em Biologia Molecular e Funcional, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | | | - Giandra Volpato
- Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul - IFRS, Campus Porto Alegre, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Claucia Fernanda Volken de Souza
- Laboratório de Biotecnologia de Alimentos, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia, Universidade do Vale do Taquari - Univates, Lajeado, RS, Brazil.
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