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Microrganismos como elementos-chave em processos biotecnológicos
Microbiologia industrial = otimização de certas reações para produção de compostos de interesse
Biotecnologia = microrganismos geneticamente modificados visando a produção
de produtos que normalmente eles não são capazes de produzir
1. Introdução
?1. Introdução
Biotecnologia é apenastransformação genética
Biotecnologia
1. Introdução
Transformaçãogenética
Biorremediação
Produção de compostos: enzimas, antibióticos, aa,hormônios, vacinas, etc.
Alimentos
Biocombustíveis
Tratamento deefluentes
2.1. Principais organismos
Fungos = leveduras e bolores
Actinomycetes = Streptomyces
2.2. Características dos microrganismos empregados em processos biotecnológicos:
* 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. Microbiologia Industrial
2.3. Produtos
As próprias células microbianas: alimentos ou agentes imunizantes (leveduras)
Moléculas de alto PM: enzimas (glicose isomerase – xaropes)
Produtos metabólitos primários (produzidos durante a fase exponencial de crescimento): p. ex. vitaminas
Produtos metabólitos secundários (produzidos durante a fase final de crescimento): ex. antibióticos, esteróides, alcalóides, etc.
Produção de químicos especiais: aspartame, etc.
Compostos químicos de conveniência: etanol, ácido cítrico, etc.
2. Microbiologia Industrial
2. Microbiologia Industrial
Metabolismo primário: álcool por levedurasMetabolismo secundário: penicilina porPenicillium chrysogenum
2.4. 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
3.1. Leveduras como alimento e suplemento alimentar
A grande maioria Saccharomyces cerevisae
Produzidas em tanques de fermentação (40 a 200 mil litros)
Levedura ativa desidratada: fermentos
Levedura nutricional (morta e seca): rica em vitamina B e proteínas
3. Produtos para a indústria alimentícia
3. Produtos para a indústria alimentícia
3.2. Microrganismos na produção de vinhos
Leveduras selvagens e leveduras cultivadas (S. ellipsoideus)
Fermentadores de até 200 mil litros (carvalho, cimento, pedra, vidro)
Vinho branco, tinto e rose
Sulfitos (Na2S2O5) para eliminar leveduras selvagens (sabores
indesejáveis)
Fermentação malolática (ácido málico) com produção de ácido lático
e diacetil (sabor amanteigado):
Lactobacillus
Pediococcus
Oenococcus
3. Produtos para a indústria alimentícia
3.3. Microrganismos na produção de cervejas
A partir de grãos maltados: grãos de cevada germinados (enzimas que
que digerem o amido convertendo-o em açúcar) Maceração dos grãos Cozimento: enzimas degradam o amido a glicose que será fermentada
pelas leveduras. Proteínas e aminoácidos (1 hora a 65-67 C) Adição de lúpulo (aromatizante e antimicrobiano) Fervura para liberar ação do lúpulo e coagulação de proteínas Filtragem Resfriamento Fermentação:
alta fermentação: leveduras em todo o mosto (ales) – S. cerevisae
baixa fermentação: no fundo do tanque (cervejas claras) – S. carlsbergensis
Filtragem
3. Produtos para a indústria alimentícia
3. Produtos para a indústria alimentícia
3. Produtos para a indústria alimentícia
3.4. Microrganismos na produção de bebidas alcoólicas destiladas
Aquecimento de líquido fermentado com volatilização do álcool Álcool condensado via destilação Qualquer produto fermentado pode ser destilado, gerando produtos
distintos: Uisque: destilado de bebidas maltadas Conhaque: destilado de vinho Rum: destilado de melaço Vodca: destilado de grãos ou batata Gim: destilado de grãos de junípero
Envelhecimento remove certos compostos da fermentação (sabores
indesejados) e confere colorações aos destilados
3. Produtos para a indústria alimentícia
3. Produtos para a indústria alimentícia
3.5. Microrganismos na produção de vinagre
Álcool etílico ácido acético Acetobacter e Gluconobacter A partir de qualquer produto que tenha etanol: vinho, cerveja, arroz, maçã Usado como conservante: carnes, picles, etc.
O processo é dependente de O2
Existem vários processos: Tonel aberto: vinho exposto ao ar (camada limosa de bactérias na
superfície do substrato), pouco eficiente Gotejamento: gotejamento do líquido alcoólico em substratos como
madeira Borbulhamento: fermentação submersa com aeração
3. Produtos para a indústria alimentícia
3. Produtos para a indústria alimentícia
3.5. Microrganismos na produção de vinagre
Álcool etílico ácido acético Acetobacter e Gluconobacter A partir de qualquer produto que tenha etanol: vinho, cerveja, arroz, maçã Usado como conservante: carnes, picles, etc.
O processo é dependente de O2
Existem vários processos: Tonel aberto: vinho exposto ao ar (camada limosa de bactérias na
superfície do substrato). Pouco eficiente Gotejamento: gotejamento do liquido alcoólico em substratos como
madeira Borbulhamento: fermentação submersa com aeração
3. Produtos para a indústria alimentícia
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
4.1. 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
5.1. Fermentações em larga escala
Tamanhos variados: poucos litros até 3 milhões de litros Divididos em:
Aeróbios: mais complexos, com equipamentos que garantam a
homogeneização e aeração adequadas Anaeróbios: mais simples, somente com necessidade de equipamento
para dissipação do calor produzido
Fermentadores aeróbios: Necessidade de difusão do oxigênio no líquido
Necessidade de controle de pH, concentração de O2, temperatura,
massa celular, níveis de nutrientes e concentração do produto Automatização do processo
5. Fermentadores industriais
6. Outros produtos industriais
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
7.1. Antibióticos
1941 – nenhuma indústria de antibióticos1951 – 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$D/ano
Custo de produção de um antibiótico: 1,2 bilhões de U$D e cerca de 15 anos até a comercialização
7. Produtos ligados a saúde
Isolamento e seleção de microrganismos produtores de antibióticos
7.1. Antibióticos
Isolamento das estirpes Testes de eficácia e ausência de toxicidade Seleção das estirpes mais produtivas Modificação genética (nem sempre necessária) Produção em fermentadores Extração dos compostos antimicrobianos:
Solventes orgânicos Adsorção Precipitação química
Purificação Testes continuados para busca de estirpes cada vez mais eficientes
7. Produtos ligados a saúde
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)
7.2. 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
7. Produtos ligados a saúde
7.3. Vitaminas e aminoácidos
Na indústria farmacêutica
Como suplementos nutricionais
Na indústria alimentícia
7.3.1. 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)
7. Produtos ligados a saúde
Vitamina B12
Riboflavina
7.3. Vitaminas e aminoácidos
Na indústria farmacêutica
Como suplementos nutricionais
Na indústria alimentícia
7.3.1. Aminoácidos
Acido glutâmico: glutamato monossódico – intensificador de sabor produzido por Corynebacterium glutamicum
Acido aspártico
Fenilalanina
Lisina: aditivo alimentar produzido por Brevibacterium flavum
7. Produtos ligados a saúde
aspartame
Fonte: Madigan et al., 2010. Microbiologia de Brock
7.4. 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
7. Produtos ligados a saúde
Produtos produzidos por células geneticamente modificadas * área da biotecnologia de maior crescimento
8.1. Insulina humana - 1º biofármaco produzido pela engenharia genética
1982 - produção nos EUA pela Eli Lilly & Co. Microrganismo produtor: Escherichia coli com o gene humano paraprodução de insulina
8.2. Vacina contra hepatite B (HBV) - 1982Vírus não cultivável em laboratórioProteína viral HBsAgs (antígeno)Microrganismo: Saccharomyces cerevisiae com o gene para a proteína
8.3. Hormônio do crescimento humano - somatotropina1982 - E. coli recombinante com o gene
8. Transformação genética
7.4. Vacinas
Vacinas de DNA recombinante Vacinas de DNA:
porções especificas do genoma do patógeno ou genes que codificam proteínas imunogênicas
Estes são clonadas em vetor plasmidial ou viral Injeção destes no animal A tradução leva à produção de proteínas de
imunoresistência Resposta imune pela proteína codificada
Exemplos: Vacina de HIV Vacina de hepatite B Vacina contra cânceres
8. Transformação genética
9. Biocontrole
Bacillus thuringiensis
* 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
10. Biomineração
11. Perspectivas na biotecnologia
Soja, milho, algodão transgênicos resistentes a insetos e herbicidas
Transgenia para aumentar o valor nutritivo de certos alimentos
Transgenia para a produção de compostos de interesse farmacêutico: interferon (proteínas de proteção), anticorpos (planticorpos)
Vírus do tabaco e tomate modificado contendo proteínas de superfície no controle do plasmódio causador da malária = vacinas comestíveis
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