7653 microbiologia industrial e biotecnologia

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Microbiologia Industrial e Biotecnologia

Microrganismos como elementos-chave em processos biotecnológicos

Microbiologia industrial = otimização de certas reações para produção de compostos de interesse

Biotecnologia = microrganismos geneticamentemodificados visando a produção de produtos que normalmente elesnão são capazes de produzir

1. Introdução

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1. Introdução

Biotecnologia é apenastransformação genética

Biotecnologia

1. Introdução

Transformaçãogenética

Biorremediação

Produção de compostos: enzimas, antibióticos, aa,hormônios, vacinas, etc.

Alimentos

Biocombustíveis

Tratamento deefluentes

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2.1. Principais organismos

Fungos = leveduras e bolores

Actinomycetes = Streptomyces

2.2. Características dos microrganismos empregados em processosbiotecnológicos:

* Crescer in vitro* Crescer em larga escala* Não ser fastidioso* Crescer mesmo em condições subótimas* Ser de fácil manutenção* Não ser patogênico* Ser facilmente manipulável e geneticamente estável

2. Microbiologia Industrial

2.3. Processos

Produção de fármacos: antibióticos, esteróides, insulina

Produção de químicos valiosos: solventes, enzimas

Produção de suplementos alimentares: probióticos, etc.

Produção de bebidas alcoólicas: cerveja, vinho, destilados, etc.

Produção de vacinas (principalmente antivirais)

Controle biológico de pragas e doenças: B. thuringiensis, Beauveria, etc.

Uso de microrganismos na mineração e na indústria do petróleo

Biorremediação/fertilidade dos solos: micorrizas, FBN, etc.

Processos podem ser melhorados engenharia genéticagrande potencial com grande impacto econômico

2. Microbiologia Industrial

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Fermentação de produtos lácteos Iogurte – Lactococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus

Kefir (leite fementado) – Lactococcus lactis, L. bulgaricus e leveduras

Leite fermentado – Lactobacillus acidophilus

Manteiga – Streptococcus cremoris, Leuconostoc cremoris e Lactobacillus lactis

3. Microrganismos na produção de alimentos

Fermentação de produtos lácteos

Queijo Lactococcus e Lactobacillus

Propionibacterium – queijo Suíço

Penicillium – queijo camembert, roquefort, brie


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Vegetais fermentados

Chucrute – Enterobacter cloacae, Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum, L. brevis

Picles – L. plantarum, L. mesentereoides, Enterococcus faecalis, Pediococcus cerevisae, Pseudomonas spp., Flavobacterium spp., Bacillus spp. e leveduras


Vegetais fermentados

Azeitonas – Leuconostoc

Molho de soja – Aspergillus oryzae, Pediococcus soyae, Saccharomyces spp., Torulopsis spp., e Lactobacillus spp.

Miso – Aspergillus oryzae


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Fermentação de carnes Embutidos – produzidos por bactérias do ácido lático, em particular

Pediococcus cerevisae

Produção de pães Pães – Saccharomyces cerevisae, Clostridium spp. e bactérias

coliformes podem ser empregados


Bebidas alcoólicas Cervejas: produção de 50 bilhões de litros por ano usando

Saccharomyces cerevisae

Vinho: fermentação usando S. cerevisae

Vinagre: fermentação a álcool (S. cerevisae) e em seguida a ácido acético (Acetobacter e Gluconobacter) ou conversão direta a acetato (Clostridiumspp.)


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3.6. Cogumelos comestiveis

Definição da espécie a ser cultivada

Mais cultivados: Agaricus bisporus (champignon de Paris)

Lentinus edulus (shiitake)

Produção em locais de umidade e temperatura controlados

Substratos orgânicos ricos:

Agaricus: cama de esterco de cavalo, palha, etc.

Shiitake: toras de madeira

Produção de spawn

3. Produtos para a indústria alimentícia

3. Produtos para a indústria alimentícia

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Microrganismos na produção de etanol

50 bilhões de litros produzidos anualmente

Milho, cana-de-açúcar, trigo, beterraba, cavacos de madeira, etc.

Saccharomyces, Kluyveromyces, Candida, etc.

Solvente industrial e suplemento de gasolina

Reduz a emissão de monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio

Composto energeticamente caro: necessita-se de 25% a mais de E para

produzir um litro de etanol do que a energia contida no próprio etanol

4. Produtos para a indústria

Celulose a glicose = fermentada a etanol

Produto Microrganismo UsoProduto Microrganismo Uso

Acetona e butanol C. acetobutylicum Solventes, fabricação dee outros clostrídios produtos químicos

2,3‐Butanediol Bacillus polymyxa; Solvente, hidratantes,Enterobacter aerogenes intermediários químicos

Ácido 2‐cetoglucônico Pseudomonas spp. Intermediário na fabri‐cação de ácido isoascór‐bico (vitamina C)

Sorbose Gluconobacter oxydans Fabricação de ácido ascórbico (vitamina C)

Ácido cítrico Aspergillus niger Alimentos e bebidas, cosméticos, couro

Ácido glucônico Aspergillus niger Alimentos, clarificadoresÁcido itacônico Aspergillus terreus Fabricação de resinas acrílicasÁcido fumárico Rhizopus nigricans Fabricação de resinas

Bactérias

Fungos

4. Produtos para a indústria

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5.1. Antibióticos - Agentes antimicrobianos produzidos por microrganismos (bactérias e fungos) exibindo função de inibir ou eliminar outros microrganismos

1941 – nenhuma indústria de antibióticos

1951 – 344 milhões de U$D por ano1980 – 100.000 toneladas com vendas superiores a

1 bilhão de U$D/ano somente nos EUA2010 – 20 bilhões de U$D/ano

Custo de produção de um antibiótico: 1,2 bilhões de U$De cerca de 15 anos até a comercialização

5. Produtos ligados a saúde

Ganhadores do Premio Nobel em Fisiologia e Medicina de 1945 “Descoberta da Penicilina e seus efeitos curativos em várias doenças infeciosas"

Sir Alexander Fleming Ernst B. Chain Sir Howard Florey

Alguns antibióticos produzidos comercialmenteAntibiótico Microrganismo Produtor

Cloranfenicol Síntese química: anteriormente produzido via síntese microbiana por S. venezuelae (A)

Cicloheximida Streptomyces griseus (A)

Cicloserina Streptomyces orchidaceus (A)

Eritromicina Streptomyces erithreus (A)

Cefalosporina Cephalosporium sp. (F)

Kanamicina Streptomyces kanamyceticus (A)

Griseofulvina Penicillium griseofulvin (F)

Bacitracina Bacillus licheniformis (BFE)

Neomicina Streptomyces fradiae (A)

Nistatina Streptomyces noursei (A)

Penicilina Penicillium chrysogenum (F)

Polimyxina B Bacillus polimyxa (BFE)

Estreptomicina Streptomyces griseus (A)

Tetraciclina Streptomyces rimosus (A)

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Isolamento e seleção de microrganismos produtores de antibióticos(p.ex. Estreptomicina)

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5.2. Enzimas

Catalisadores: aceleram atividades bioquímicas

Utilizadas como suplementos nutricionais

Produzidas por fungos e bactérias

Exemplos:

Amilases: adesivos, sucos, detergentes

Invertases (glicose a frutose): cremes, xaropes (refrigerantes)

Proteases: couro, seda, detergentes

Pectinases: sucos

Extremozimas: ácido-tolerantes usadas como suplemento animal


5.3. Vitaminas

A maioria é produzida quimicamente, mas muitas são muito complexas e portanto produzidas apenas por microrganismos

Principais:

B12:

Sintetizada exclusivamente por microrganismos

Essencial a todos os animais

Essencial no sangue (hemácias)

Não é produzida por plantas (vegetarianos)

Propionibacterium e Pseudomonas

Riboflavina: bactérias e fungos (Ashbya gossypii)


Vitamina B12 Riboflavina

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5.4. Aminoácidos

Acido glutâmico: glutamato monossódico – intensificador de sabor produzido por Corynebacterium glutamicum

Acido aspártico

Fenilalanina

Lisina: aditivo alimentar produzido por Brevibacterium flavum


aspartame

Fonte: Madigan et al., 2010. Microbiologia de Brock

5.5. Esteróides e outras biotransformações

Hormônios animais

Utilizados como fármacos

Corticosteróides: reduzem inflamações, artrites, etc.

Estrógenos e androgênicos: usados na fertilidade humana e ganho de massa muscular

Cortisona e hidrocortisona: usados no controle de pruridos subcutâneos

Podem ser produzidos quimicamente, mas normalmente, pela dificuldade de síntese, tem pelo menos uma etapa microbiana = biotransformação

Produção anual supera 800 toneladas


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7. Biomineração* Redução das reservas mundiais

* Exploração de minérios de baixa qualidade

* Poluição causada pelos métodos tradicionais de extração

uso de microrganismos mineradores

Thiobacillus thioxidans e Thiobacillus ferroxidans

ácidos oxidação do minério precipitação

A companhia Vale tem um projeto em biomineração

8. Bioremediação de Solos com Poluição QuímicaBioaumentação em Processo de “Landfarming” de resíduos orgânicos

Moreira & Siqueira, 2006

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8. Bioremediação de Solos com Poluição QuímicaSimbioses Radiculares em Ambientes Contaminados

9. Microrganismos na Recuperação de Áreas Degradadas

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10. Microrganismos no Controle Biológico

Trichoderma stromaticum(controle Vassoura de Bruxa)

(Brasil)

Stewart et al., 2007; Pomella et al., 2007

10. Microrganismos no Controle Biológico

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Mecanismo de Ação de Bacillus thurigiensis(Who, 1999)

Nunes Pinto & Fiuza, 2008

Vegetais Modificados com Genes Cry de B. thuringiensis, Resistentes a Insetos-praga de Importância Agrícola

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11. Inoculação de Leguminosas Produtoras de Grãos, Forrageiras e Espécies Arbóreas

AmendoimStylosanthes

CrotaláriaLeucena

Bracatinga

Perspectivas para a Biotecnologia

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