Biotecnologia: A aplicação industrial da Microbiologia

1. Introdução

Biotecnologia: uso industrial de microrganismos

Conjunto de técnicas que:

•Permite à Indústria Farmacêutica cultivar microrganismos para produzir os antibióticos que serão comprados na Farmácia.

•Permite cultivar células de pimenta longa em biorreator para produção de safrol, um importante óleo essencial.

•Permite o tratamento de despejos sanitários pela ação de microrganismos em fossas sépticas.

Biotecnologia

Abrange diferentes áreas do conhecimento:

- Ciências básicas (Biologia Molecular, Microbiologia, Biologia celular, Genética, Genômica, Embriologia etc.),- Ciências aplicadas (Técnicas imunológicas, químicas e bioquímicas)

e outras tecnologias (Informática, Robótica e Controle de processos).

Setores Bens e serviços

Agricultura adubo composto, pesticidas, silagem, mudas de plantas ou de árvores, plantas transgênicas, etc

Alimentação pães, queijos, picles, cerveja, vinho, proteína unicelular, aditivos, etc.

Química butanol, acetona, glicerol, ácidos, enzimas, metais, etc

Eletrônica biosensores

Energia etanol, biogás

Meio Ambiente recuperação de petróleo, tratamento do lixo, purificação da água

Pecuária embriões

Saúde antibióticos, hormônios e outros produtos farmacêuticos, vacinas, reagentes e testes para diagnóstico, etc.

O seu impacto atinge vários setores produtivos, gerando novas oportunidades de emprego:

•plantas resistentes a doenças, •plásticos biodegradáveis, •detergentes mais eficientes, •biocombustíveis, •processos industriais e agrícolas menos poluentes, •métodos de biorremediação do meio ambiente, •testes diagnósticos e novos medicamentos.

Produtos de origem biotecnológica

A Biotecnologia transforma nosso dia a dia

Existem 5 grandes grupos de interesse comercial:

1. Produção de biomassa microbiana

2. Produção de enzimas microbianas

3. Produção de metabólitos

4. Produção de produtos recombinantes

5. Modificação de compostos

2. Processos biotecnológicos

1. Biomassa microbiana

• Divide-se em vários processos:

• Produção de leveduras para panificação. Foi utilizada como alimento na Alemanha

durante a I Guerra Mundial.

• Leveduras para a fabricação de etanol.

• Bactérias para tratamento biológico de efluentes.

• Na alimentação do homem e de animais (SCP – single cell protein) - concentrados

protéico-vitamínicos: algas e leveduras;

• Como fixadores do nitrogênio do ar na agricultura (Rizóbios).

• No controle biológico de pragas (Bacillus).

• Na produção de vacinas (Corynebacterium, Bordetella, Neisseria, Mycobaterium).

Enzimas são obtidas a partir de plantas, animais e microrganismos.

As enzimas microbianas tem grandes vantagens:

• É possível produzir em grandes quantidades via processos

biotecnológicos;

• É infinitamente mais fácil melhorar a produtividade de um sistema

microbiano comparado com plantas e animais;

• Sua produção é controlada para o aumento da produtividade

(indutores no meio, aumento dos genes de expressão, ...).

2. Enzimas microbianas

Durante a fase exponencial de crescimento os microrganismos produzem substâncias essenciais ao crescimento:

• Aminoácidos• Nucleotídeos• Proteínas• Ácidos nucléicos• Lipídeos• Carboidratos, etc.

- São referidos como produtos do metabolismo primário.

3. Metabólitos microbianos

- Normalmente sintetizam quantidades suficiente para suas necessidades mínimas.

• Durante a fase estacionária muitos microrganismos (comum

nos fungos, nas bactérias esporulantes e nas filamentosas) sintetizam produtos que não são sintetizados na fase de crescimento.

- Pode não ter função óbvia para o metabolismo da célula.

- Produtos do metabolismo secundário

As rotas primárias são comuns na maioria dos microrganismos, mas cada produto secundário é sintetizado por poucos microrganismos diferentes.

Metabólitos secundários

• Atividade antimicrobiana• Inibidores específicos de enzimas• Promotores do crescimento• Propriedades farmacológicas

• Formam a base de um grande número de processos biotecnológicos.

• Os microrganismos produzem baixas concentrações, daí ...

• Substâncias produzidas por animais e plantas sintetizadas por microrganismos.

Tecnologia do DNA recombinante: clonagem molecular

4. Produção de recombinantes

Exemplos:

- Hormônio GH (US$ 20 milhões/Kg)

- Hormônio Insulina (A Biobrás possui uma das quatro patentes no mundo – 1990)

• Processos microbianos são mais específicos que processos puramente químicos.

• Permitem a adição, remoção ou modificação de grupos ou sítios

específicos em moléculas complexas.

Reações que podem ser biocatalizadas:

• Desidrogenação• Oxidação• Hidrogenação• Desidratação e condensação• Descarboxilação• Aminação• Desaminação• Isomeração

5. Modificação de compostos

Etapas que compõem um processo biotecnológico

Independente do tipo, um processo pode ser dividido em seis etapas básicas:

1. Formulação do meio de cultura

2. Esterilização do meio, equipamentos e acessórios

3. Produção do inóculo em quantidade suficiente para inocular o volume de processo

4. Crescimento do microrganismo no biorreator em condições ótimas para formação do produto

5. Extração do produto e sua purificação

6. O tratamento/eliminação dos efluentes gerados pelo processo.

Principais etapas de um processo biotecnológico:

A maioria dos biorreatores em uso são de tanque agitado (STR)

Um biorreator pode ter inúmeras concepções

3. Produtos da degradação microbiana

Álcool e Vinagre (vin aigre)

* fermentação do açúcar álcool vinagre

anaerobiose aerobiose

Principais microrganismos: Acetobacter spp.

Ácido lático

* derivado de múltiplos usos:

lactato de sódio: deficiência de cálcio

lactato de ferro: tratamento da anemia

* matéria prima: amido, melaço, soro de leite

* Etapas:hidrólise do amido a glicose (ácidos ou enzimas)

C12H22O11 + H2O 2C6H12O6

fermentação da glicose2C6H12O6 4CH3CHOHCOOH

* Microrganismo: Lactobacillus bulgaricus

* Resíduo de biomassa: alimentação animal

Produto Microrganismo UsoProduto Microrganismo Uso

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

2,3-Butanediol Bacillus polymyxa; Solvente, hidratatanteEnterob. aerogenes intermediário químico

Ácido 2-cetoglucônico Pseudomonas spp. Intermediário na fabri-cação de ácido isoascór-bico (isovitamina 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 Fab. de resinas acrílicasÁcido fumárico Rhizopus nigricans Fab. de resinas e agentes

umectantes

BACTÉRIAS

FUNGOS

Outros produtos da degradação (desassimilação) microbiana:

Produtos de síntese microbianaAntibióticos

Penicilina1928 (descoberta) a 1941 (industrialização):produtividade foi aumentada em 1000 x 1990 - 500 milhões de dólares somente nos EUA

Seleção de microrganismos

Produtos de síntese microbiana

Enzimas

* amilases: adesivos, sucos

* invertase (sacarose): cremes, xaropes

* proteases: couro, seda, detergentes

* pectinases: sucos, linho

* condroitinase: recuperação de injúrias da coluna

Produto Microrganismo UsoEnzima Microrganismo Aplicações Reações

Bactérias

Fungos

Estreptoquinase Streptococcus spp. Tratamento de pacientes Dissolve fibrina no sanguecom ataques cardíacos

Glicose isomerase Streptomyces spp.; Produção de xaropes com Converte glicose em frutoseBacillus spp. alto teor de frutose

DNA polimerase (Taq) Thermus aquaticus PCR Síntese de DNAEscherichia coli (recombi-nante)

Lipase Rhizopus spp. Flavorizante de alimentos Hidrolisa lipídios a glicerol eaumenta poder clareador ácidos graxosde detergentes

Celulases Trichoderma reesii Digestivo Hidrolisa celulose a celobioseGlicose oxidase Aspergillus spp.; Remove glicose de ovos Oxida glicose a ácido glucônico

Penicillium spp. p/ secagem, remove oxigê-nio de alimentos enlatados,refrigerantes e cerveja; usada também para fabricação de papéis teste para controle diabete

Enorme potencial de aplicação das Archaea: indústria do amido, papel e celulose.

Exemplos de enzimas e suas aplicações

Aminoácidos

Ácido glutâmico: condimento, flavorizante* glutamato monossódico* microrganismo: Corynebacterium glutamicum (mutante)

Lisina: suplemento para a proteína vegetal*Corynebacterium glutamicum (mutante com alta atividade de DAP descarboxilase)*Brevibacterium flavum

4. Produtos farmacêuticos

Insulina humana:

1º biofármaco produzido pela engenharia genética

1982 - produção nos EUA pela empresa LillyMicrorganismo produtor: Escherichia coli com

o gene humano para produção de insulina

InsulinaProteína produzida no pâncreasRegulação do metabolismo de carboidratos

Produção originalExtração a partir de animais: porcos, boisEficiência de ação

Vacina contra hepatite B (HBV): 1982

- Vírus difícil de cultivar em laboratório- Proteína viral HBsAgs (antígeno) altamente

imunogênica- Altas doses: rápido e elevado nível de imunidade

Microrganismo: Saccharomyces cerevisiae com o gene para a proteína

Mecanismo para expulsar o hormônio

Hormônio do crescimento humano (GH):

1982 - Escherichia coli com o gene do hormônio de crescimento humano

Bacillus thuringiensiscr

end

Cristais protéicos contendo toxinas com propriedades inseticidas

5. Biocontrole

Bacillus thuringiensis

6. 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 do Rio Doce tem um projeto em Biomineração

Thiobacillus ferrooxidans

7. Engenharia Genética aplicada as plantas

A bactéria Agrobaterium tumefaciens possui um plasmídeo com genes que mobilizam a transferência de DNA para a planta.

Vetor (ferramenta) de clonagem em plantas

Obtenção de planta transgênica com o gene da toxina de Bacillus thuringiensis

Perspectivas da biotecnologia

• Vacinas de DNA:- baixa toxicidade- inocuidade- estabilidade

• Plantas transgênicas para produção de fármacos - interferon - anticorpos vegetais

- vacinas comestíveis