Microrganismos como elementos-chave em processos biotecnológicos Microbiologia industrial = otimização de certas reações para produção de compostos de

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


2.3. 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.



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


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


3.2. 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


3.3. 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




3.4. 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



3.5. 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



3.5. 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


3.6. 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


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


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


7.3. 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)


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


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


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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Microrganismos como elementos-chave em processos biotecnológicos Microbiologia industrial = otimização de certas reações para produção de compostos de