Biotecnologia - Histrico e TendnciasRafael Almudi VillenCentro
Universitrio do Instituto Mau de Tecnologia,Escola de Engenharia
Mau, Praa Maua 1,09580-900, So Caetano do Sul, SP.Fax: (11) 4239
3131INTRODUOVrias foram as sugestes apresentadas visando dar uma
definio para Biotecnologia. Uma delas, proposta pelo prof. Antnio
Paes de Carvalho, suficiente para alcanar o objetivo de tomar
conhecimento do que hoje se entende por Biotecnologia: o conjunto
de conhecimentos tcnicos e mtodos, de base cientfica ou prtica, que
permite a utilizao de seres vivos como parte integrante e ativa do
processo de produo industrial de bens e serviosAs vrias tentativas
de definio existentes mostram nitidamente que se trata, portanto,
de um campo de trabalho multidisciplinar, tendo a Biotecnologia por
base de ramos de conhecimento que poderiam ser classificados de
Fundamentais, ao lado de outros que poderiam ser agrupados sob a
designao genrica de Engenharias.Se verdade, por um lado, que a
Biotecnologia, somente passou a ser considerada altamente
prioritria h relativamente pouco tempo, tambm verdade, por outro
lado, que processos biotecnolgicos vm sendo utilizados desde a mais
remota antiguidade.A utilizao em maior escala da chamada
Biotecnologia moderna teve como ponto de partida a sntese qumica do
DNA (cido desoxiribonucleico) realizada por Kornberg em 1967, que
denominou de revoluo gentica s novas tcnicas de manipulao gentica:
DNA recombinante e hibridoma.HISTRICOO uso da Biotecnologia teve o
seu incio com os processos fermentativos, cuja utilizao transcende,
de muito, o incio da era Crist, confundindo-se com a prpria histria
da humanidade. A produo de bebidas alcolicas pela fermentao de gros
de cereias j era conhecida pelos sumrios e babilnios antes do ano
6.000 a.C. Mais tarde, por volta do ano 2.000 a. C., os egpcios,
que j utilizavam o fermento para fabricar cerveja, passaram
emprega-lo tambm na fabricao de po.Outras aplicaes como a produo de
vinagre, iogurte e queijos so, de h muito, utilizadas pelo ser
humano.Entretanto, no eram conhecidos os agentes causadores das
fermentaes que ficaram ocultos por 6 milnios. Somente no sculo
dezessete, o pesquisador Antom Van Leeuwenhock, atravs da
visualizao em microscpio, descreveu a existncia de seres to
minsculos que eram invisveis a olho nu.Foi somente 200 anos depois
que Louis Pasteur , em 1876, provou que a causa das fermentaes era
a ao desses seres minsculos, os microrganismos, caindo por terra a
teoria, at ento vigente, que a fermentao era um processo puramente
qumico.Foi ainda Pasteur que provou que cada tipo de fermentao era
realizado por um microrganismo especfico e que estes podiam viver e
se reproduzir na ausncia de ar.Posteriormente, em 1897, Eduard
Buchner, demonstrou ser possvel a converso de acar em alcool,
utilizando clulas de levedura maceradas, ou seja, na ausncia de
organismos vivos.Paradoxalmente que possa parecer, foram as grandes
guerras mundiais que motivaram a produo em escala industrial de
produtos advindos de processos fermentativos.A partir da primeira
guerra, a Alemanha, que necessitava de grandes quantidades de
glicerol para a fabricao de explosivos, desenvolveu atravs de
Neuberg, um processo microbiolgico de obteno desse alcool, tendo
chegado a produzir 1.000 toneladas do produto por ms. Por outro
lado, a Inglaterra produziu em grande quantidade a acetona para o
fabrico de munies, tendo essa fermentao contribudo para o
desenvolvimento dos fermentadores industriais e tcnicas de controle
de infeces.Foi, todavia, a produo de antibiticos o grande marco de
referncia na fermentao industrial.. A partir de 1928, com a
descoberta da penicilina por Alexandr Fleming, muitos tipos de
antibiticos foram desenvolvidos no mundo.Na dcada de 40, durante a
segunda guerra mundial, os antibiticos passaram a integrar os
processos industriais fermentativos, principalmente nos Estados
Unidos, basendo-se inicialmente na sntese da penicilina e,
posteriormente, da estreptomicina.Foi, todavia, a partir da dcada
de 50 que a Biotecnologia, com a descoberta da sntese qumica do
DNA, e com as tcnicas de manipulao gentica:DNA recombinante, fuso
celular ou hibridoma, passou de fato a existir.A tcnica do DNA
recombinante envolve a criao sinttica de novos organismos vivos,
com caractersticas no encontradas na natureza, formadas pela
hibridizao em nvel molecular do DNA. Essa tcnica permite, por
exemplo, o enxerto de genes humanos que determinam a produo de
insulina em um microrganismo. Isso leva a produzir a
industrialmente insulina humana, substituindo, com grande
vantagens, a insulina bovina ou suna empregadas no tratamentos de
diabticos.A tcnica de hibridoma possibilitou a manipulao gentica a
nvel das clulas vivas onde duas ou mais clulas so fundidas para
formar novos microrganismos. Na prtica, clulas animais que produzem
anticorpos so incorporadas a outras malignas ou perniciosas
resultando em uma nova que se torna eficiente produtora de
anticorpos.A tabela 1 mostra os principais marcos histricos no
avano cientfico e tecnolgico da
Biotecnologia.PerodoAcontecimento
6.000a. C.bebidas alcolicas (cerveja e vinho) so produzidas por
sumrios e babilnios
2.000 a.C.panificao e bebidas fermentadas so utilizadas por
egpcios e gregos
1875 d. C.Pasteur mostra que a fermentao causada por
microrganismos
1880-1910surgimento da fermentao industrial (cido lctico,
etanol, vinagre)
1910-1940sntese de glicerol, acetona e cido ctrico
1940-1950antibiticos so produzidos em larga escala por processos
fermentativos
1953estabelecida a estrutura do DNA
1073incio da engenharia gentica
1982insulina humana produzida
Tabela 1: Marcos no Desenvolvimento da BiotecnologiaAtualmente
crescente o ritmo de desenvolvimento do setor, mantendo, inclusive,
uma acentuada relao de interao com diversos outros setores da
cincia e tecnologia tais como: biologia molecular, fisiologia,
microbiologia, engenharia qumica, engenharia ambiental, etc. como
mostrado na figura 1.
Figura 1 - Multidisciplinaridade da BiotecnologiaUSOSA
Biotecnologia encontra muitas e diferentes aplicaes importantes em
vrios segmentos de
atividade:AgriculturaMineraoPecuriaSadeIndstriaSuas aplicaes na
indstria constituem o objetivo principal da chamada Biotecnologia
Industrial.AgriculturaCultura de TecidosInformaes do cincia de que
a seleo e reproduo de plantas superiores por mtodos convencionais
tm sido utilizados desde os tempos antigos considerando a
necessidade de produzir quantidades crescentes de alimentos e
matrias primas para a indstria.Uma das reas mais promissoras na
Biotecnologia a da cultura de tecidos. uma rea j antiga, datando
dos anos 20, mas que s alcanou progressos razoveis a partir do fim
da dcada de 60.Nos tecidos e clulas cultivadas in vitro pode-se
introduzir alteraes por ao de agentes fsicos ou qumicos com maior
eficincia do que em plantas inteiras. Assim, as taxas de alteraes
podem ser grandemente aumentadas e, a partir dessas culturas,
pode-se conseguir a regenerao de plantas com caractersticas
diferentes. Existe tambm a possibilidade de fuso de clulas com
caractersticas diferentes, possibilitando ou novos tipos de
combinao, ou combinao de material gentico de clulas provenientes de
espcies muitas vezes diferentes. Uma das vantagens que atravs dessa
tcnica pode-se gerar um grande nmero de material clonado em curto
espao de tempo e em ambientes reduzidos, sendo ainda indicada para
a eliminao de doenas.Fixao de NitrognioO nitrognio, sendo um dos
nutrientes fundamentais para as plantas, participa da composio das
molculas de protena e clorofila, alm de desempenhar uma funo chave
no processo de diviso celular. Assim, uma adequada nutrio em
nitrognio fundamental para o crescimento vigoroso das plantas.Uma
das possibilidades de fornecimento de nitrognio s plantas atravs da
fixao biolgica, por microrganismos, utilizando o nitrognio
existente no ar.Esses fixadores de nitrognio, denominados
inoculantes, podem ser usados em leguminosas, gramneas, florestas,
ambientes aquticos, etc.Controle Biolgico de PragasSo inegveis os
danos que os insetos/pragas causam agricultura. A monocultura e o
uso indiscriminado de produtos qumicos - defensivos agrcolas -
eliminam os inimigos naturais que existem em culturas
diversificadas, provocando o desequilbrio ecolgico nas reas de
plantio, gerando condies propcias para o aparecimento de pragas alm
de aumentar a sua resistncia.Os microrganismos patognicos aos
insetos/pragas so adequados reduo especficas, enquanto que os
predadores naturais e insetos benficos so preservados ou podem se
desenvolver, estabelecendo o equilbrio natural. Portanto, os
inseticidas microbiolgicos so considerados como uma forma
alternativa de controle de pragas.Entre esses podem ser
mencionados:- fungos - cigarrinha da folha da cana-de-acar;- vrus -
granulose da broca da cana-de-acar; lagarta da laranja;- parasitas
moscas: broca da cana-de-acar; vespas: broca da cana-de-acar;-
bactrias: toxinas - lagarta do algodo e legumes moscas domsticas e
bicheiras. moscas azuis e verdes, moscas das frutasSementesA
melhoria da produtividade agrcola pode ser conseguida mediante o
uso de sementes melhoradas geneticamente. Produtos como a batata ,
cacau, caf, cana-de-acar, arroz, cebola, laranja, milho, soja e
tomate tiveram progresso na produo agrcola nos ltimos anos atravs
do melhoramento gentico e seleo de cultivos de maior produtividade
e resistncia a fatores ambientais.MineraoLixiviao Bacteriana de
MinriosO estudo e aperfeioamento dos processos de concentrao de
metais em geral tem contribudo significativamente para o
aproveitamento de minrios.No campo da metalurgia extrativa, mais
especificamente da hidrometalurgia, a lixiviao bacteriana de
minrios vem merecendo crescente ateno como alternativa para os
processos convencionais. Analogamente a lixiviao convencional,
baseia-se na solubilidade dos metais em solues adequadas por meio
de reaes qumicas e tambm de reaes bioqumicas.Cobre, urnio e zinco
so exemplos de minerais que podem ser recuperados atravs de
lixiviao bacteriana.PecuriaInseminao ArtificialA tcnica de
inseminao artificial em bovinos teve um rpido crescimento a partir
de meados da dcada de 70.O Estado de So Paulo de longe o estado
brasileiro mais importante na produo e comercializao de smem bovino
participando com mais de 60% em relao ao total do Pas.Como impactos
decorrentes da inseminao artificial podem ser citados:- aumento da
produtividade na produo leiteira- liberao de reas antes ocupadas
com pastagens para outra atividades agrcolas.Transferncia de
EmbriesO estudo de transferncia de embries novo no Pas, tendo sido
iniciado no final da dcada de 70.O que se transfere no o embrio
propriamente dito, mas o zigoto, que uma massa de clulas no
diferenciadas. A transferncia de embries na seleo de mes de
produtoras e reprodutores, na propagao de raas com caractersticas
raras de produtividade, no aumento do percentual de caractersticas
genticas e na diminuio do intervalo entre geraes.SadeAntibiticosOs
antibiticos so empregados no combate a infeces causadas por
microrganismos, notadamente bactrias, tanto no organismo humano
como no animal e vegetal.. So usados tambm no controle de infeces
em determinados processos fermentativos. Os antibiticos se
constituem no grupo de maior importncia econmica, entre os produtos
obtidos por fermentao.Atualmente existem mais de 5.000 tipos
diferentes de antibiticos conhecidos, tendo sido a sua produo
grandemente impactada pelo melhoramento gentico dos microrganismos
utilizados.Dentre os produtos industrializados a maior contribuio
comercial provm das penicilinas e cefalosporinas.Protenas
reguladoras do metabolismoA produo dessas macromolculas por
microrganismos, teve grande impulso com as pesquisas do DNA
recombinante.Os principais produtos so: insulina humana,
interferon, hormnio de crescimento humano, peptdios neuroativos,,
etc. Desses frmacos, o que se encontra em estgio tecnolgico mais
avanado a insulina, fundamental na regulao do teor de glicose no
sangue, sendo usada na terapia de pacientes com
diabetes.Transformao de esteridesA cortisona, descoberta no incio
da dcada de 30, e suas propriedades no combate artrite reumtica,
levou pesquisa do desenvolvimento de muitos compostos similares,
hoje industrializados e comercializados.Inicialmente, a sntese da
cortisona era feita por via qumica. Posteriormente, algumas das
etapas principais da sntese passaram a ser realizadas por
microrganismos o que proporcionou substancial barateamento no custo
final.Outros produtos como hidrocortisona, testosterona, albumina
humana, gama globulina, e fator anti - hemoflico esto sendo
produzidos e comercializados.VacinasAs vacinas representam um
importante instrumento no controle de doenas infecciosas. Muitas
doenas podem ser evitadas pela imunidade induzida como a
poliomielite, a varola e o sarampo.As vacinas podem ser de origem
viral, bacteriana, protozoria e mesozoria.A Biotecnologia, atravs
da tcnica do DNA recombinante, tem envidado esforos no
desenvolvimento de novos agentes imunizantes para influenza tipos A
e B, herpes, polio e hepatite A e B,Vacinas de origem bacteriana,
para diversos tipos de meningite, tem sido produzidas por meio de
fermentao, bem como o componente pertussis da vacina
trplice.Processos FermentativosA fermentao como processo industrial
apresenta hoje uma importncia crescente em setores chaves da
economia.Assim , que mais de 300 empresas por todo o mundo produzem
e comercializam produtos obtidos atravs de processos fermentativos,
tendo sido a produo em escala industrial de bens, atravs de
processos microbiolgicos, iniciada a partir da primeira guerra
mundial.Atualmente, existem mais de uma centena de produtos viveis
de serem obtidos atravs da via fermentativa.EnzimasAs enzimas so
molculas de protenas que tm a funo de catalisar reaes, sendo
produzidas por microrganismos.Foi somente na primeira metade do
sculo XIX que surgiram as primeiras evidncias cientficas de que os
microrganismos possuem substncias qumicas capazes de catalisarem
reaes qumicas (Payen Persaz em 1883).A principal fonte de obteno de
enzimas so os microrganismos, embora muitas enzimas de aplicao
industrial tenham sua origem nos tecidos animal ou vegetal: renina,
obtida do estmago de bezerros e papana, obtida do mamo, por
exemplo.Os principais tipos de enzimas comercializados atualmente
so as proteases, glucoamilase, a-amilase e glicose isomerase.A
tabela 2 mostra os principais tipos de enzimas bem como o seus
principais usos.ENZIMAAPLICAO
proteasequebra de molculas de protena
amilase e amiloglucosidasesacarificao do amido
catalaseeliminao da gua oxigenada no processamento de
alimentos
glicose isomeraseproduo de isoglicose
invertaseinverso da sacarose
lactasedesdobramento da lactose
lipasedesdobramento de leos e gorduras
celulasedesdobramento da celulose
glicose oxidaseremoo da glicose
Tabela 2 - Principais Tipos de Enzimas e Suas Aplicaescidos
OrgnicosDentre os cidos orgnicos que podem ser produzidos por
processos fermentativos destacam-se: o cido actico, o cido ctrico e
o cido lctico, os trs de largo uso industrial, principalmente na
rea de alimentos, com a funo de acidulantes.AminocidosOs aminocidos
constituem a unidade bsica das protenas, O ser humano necessita
basicamente de 20 aminocidos para as suas necessidades de
metabolismo e desenvolvimento orgnico. Destes, oito no so
sintetizados pelo organismo necessitando, pois, serem ingeridos
atravs de alimentos.Entretanto, dois aminocidos revestem - se de
especial importncia: a metionina e a lisina, dado ao fato de no se
encontrarem presentes nos cereais. A metionina no foi obtida por
processos fermentativos, porm 80% da lisina produzida obtida por
via microbiolgica. Outros importantes aminocidos sintetizados por
via fermentativa: cido glutmico , cido asprtico,
triptofano.VitaminasTradicionalmente utilizadas como suplemento
alimentar para o ser humano e animais, as vitaminas so, em sua
maioria, sintetizadas quimicamente. Entretanto, algumas delas como
as do complexo B, notadamente a B2, so produzidas por biosntese
microbiana.BiopolmerosComercialmente entende-se por biopolmeros
determinados polissacardeos excretados por microrganismos. Os
principais biopolmeros encontrados no mercado so as gomas xantana e
as dextranas. As primeiras representam a maior parte do mercado,
sendo aplicadas como aditivos em alimentos: estabilizantes de
suspenso lquidas e genelatizantes.SolventesTrs so os principais
solventes orgnicos produzidos por microrganismos: etanol, butanol e
acetona. Destes, o etanol se reveste de especial importncia no
contexto brasileiro pelo seu destaque no segmento da
economia.Bebidas AlcolicasAs bebidas alcolicas so to antigas quanto
a humanidade e numerosas como sua s etnias.Fencios, assrios,
babilnios, hebreus, egpcios, chineses, germanos, gregos e romanos
mencionaram-nas e cada povo tem praticamente as suas, a partir das
fontes naturais prprias de acares e produtos amilceos como: frutas,
cana-de-acar, milho, trigo, arroz, batata, centeio, aveia, cevada,
e mesmo razes e folhas.Deve-se lembrar, alis, de que esses produtos
de fermentao alcolica originavam-se na antigidade de processos
expontneos de fermentao e que s em poca mais recente comeara a ser
usados nas indstrias, para a sua fabricao, os modernos mtodos da
Biotecnologia..As bebidas alcolicas podem ser classificadas em :-
fermentadas: cerveja, vinho saqu, sidra, etc.- fermento -
destiladas: aguardente, rum, usque, conhaque, vodca, gim,
etc.MicrorganismosO primeiro processo industrial para a produo de
microrganismos teis ao homem constituiu-se na produo de levedura
para panificao.O uso de protena unicelular - SCP (sigle cell
protein) para a nutrio animal tem-se mostrado mais atraente que
para a ingesto humana haja visto que ocorrem problemas quanto
digestibilidade, pelo ser humano, da grande quantidade de cidos
nucleicos componentes da SCP.Todavia, muitas indstrias tm construdo
fbricas para a produo de protenas unicelular nos ltimos anos,
principalmente na Europa, Estados Unidos e Japo.AlimentosInmeros so
os produtos alimentcios modificados ou produzidos atravs de
processos fermentativos.Alguns como queijos, iogurte, etc. so
utilizados pela humanidade h mais de 2.000 anos;Picles, azeitonas,
po, chucrute so outros alimentos que tem a participao de processos
biolgicos em sua obteno.A EXPERINCIA BRASILEIRAA aplicao de cincias
biolgicas no Brasil remonta a meados do sculo passado. Notadamente
tcnicas laboratoriais e de campo em microbiologia - uma disciplina
precursora da moderna Biotecnologia - foram aplicadas por
pesquisadores como Piraj da Silva e Pedro Severiano de Magalhes..No
decurso da segunda metade do sculo XIX, trabalhos pioneiros foram
desenvolvidos em vrias modalidades da microbiologia dentre os quais
merecem destaque a bacteriologia, micologia, protozoologia,
fitopatologia e virologia.Na primeira metade do sculo XX
registrou-se atuao marcante de pesquisadores tais como: Carlos
Chagas, Vital Brasil, Oswaldo Cruz, Adolfo Lutz, Emlio Ribas,
Rangel Pestana, dentre outros no campo do combate e profilaxia de
graves molstias que atingiam a populao brasileira.Atualmente, a
continuidade desse esprito cientfico est presente nas equipes de
pesquisas dos Institutos Oswaldo Cruz, Biofsica e Microbiologia no
Rio de Janeiro, Biolgico, Agronmico de Campinas, Adolfo Lutz,
Butant e Pasteur em So Paulo.Na dcada de 40, a Biotecnologia
clssica atraiu o esprito empreendedor de cientistas da Universidade
de Viosa, Minas Gerais, que fundaram uma empresa pioneira, a
Sementes Agroceres, objetivando produzir sementes de milho hbrido a
partir de material gentico selecionado no Pas.A Brasil Sul
Agropecuria, na dcada de 60, voltou-se produo e seleo de sementes
forrageiras e pesquisa gentica para a obteno de hbridos de sorgos
granferos forrageiros e de milho doce para o consumo humano.A
Agroflora Reflorestamento e Agropecuria, dedicou-se pesquisa e
produo de sementes melhoradas e seleo de variedades de plantas
adaptadas a diferentes condies sazonais.Atualmente existem no Pas
cerca de meia centena de instituies de pesquisa e empresas
comerciais atuando em Biotecnologia.TENDNCIASAs nova tcnicas de
engenharia gentica esto promovendo uma reavaliao de quase todos os
processos industriais que empregam tcnicas ou produtos biolgicos.A
relao entre as tcnicas de engenharia gentica e processos
industriais pode ser observada esquematicamente na Figura 2.
Figura 2. A Nova BiotecnologiaA engenharia gentica aplica
Biotecnologia , alm de substituir processos e produtos
tradicionais, apresenta grandes perspectivas de melhorar o bem
estar da populao por meio de melhores solues para problemas de
sade, alimentao, energia, materiais e meio ambiente.A Tabela 3, a
seguir, fornece uma indicao parcial da aplicao comercial da nova
Biotecnologia s necessidades da sociedade.REAAPLICAO POTENCIAL
Sade- remdios e vacinas mais eficazes commaior grau de pureza e
a um custo menor- diagnstico, preveno e tratamentodedoenas
genticas
Alimentos- novos produtos processos alimentcios mais eficientes-
melhor rendimento e qualidade na produo agropecuria
Energia- maior eficincia na converso de biomassa em combustveis-
menor consumo energtico em processos industriais- aumento na
recuperao de petrleo
Materiais- menor custo na produo de produtos qumicos com matrias
- primasde biomassa- extrao econmica de minerais de baixo teor
Meio Ambiente- alternativas biolgicas herbicidas e pesticidas-
tratamento de detritos txicos
Tabela 3 - Aplicaes Comerciais Futuras da Nova BiotecnologiaA
Tabela 3 demonstra a amplitude e a profundidade de mudanas que
devero advir com o uso da nova Biotecnologia. Na rea da sade, o
desenvolvimento de produtos teraputicos para o tratamento de
herpes, cncer, hepatite, artrite e outras doenas vislumbra solues
novas. Em outras aplicaes da Biotecnologia sade, essas tcnicas
novas permitem meios baratos e mais sensveis para diagnosticar
gravidez, doenas venrias e outras condies que atualmente requerem
testes de laboratrio complexos e caros.Adicionalmente , essas
tcnicas possibilitam a dosagem especfica de produtos farmacuticos
para determinados rgos do corpo.Na rea de materiais, produtos de
qumica fina para medicina e alimentao podem ser produzidos por
microrganismos novos, que tornam possveis transformaes complexas em
uma nica etapa.A nova Biotecnologia um instrumento poderoso ,
podendo substituir vasto nmero de processos industriais atualmente
empregados e criando com isso novas e melhores solues para uma
grande gama de problemas.
