Microrganismos e Biotecnologia

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Microrganismos e Biotecnologia

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1. Introdução

Microrganismos como elementos-chave em processos
biotecnológicos Microbiologia industrial
otimização de certas reações para produção
de compostos de interesse Biotecnologia
microrganismos normalmente geneticamente
modificados visando a produção de
produtos que normalmente eles não são
capazes de produzir
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1. Introdução
?
Biotecnologia é apenas transformação genética
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1. Introdução
Tratamento de efluentes

Transformação genética
Biocombustíveis
Biotecnologia
Biorremediação
Alimentos
Produção de compostos enzimas, antibióticos,
aa, hormônios, vacinas, etc.
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2. Microbiologia Industrial
2.1. Principais organismos Fungos leveduras e
filamentosos Actinobacterias
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

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2. Microbiologia Industrial

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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.

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2. Microbiologia Industrial

Metabolismo primário álcool por leveduras
Metabolismo secundário penicilina
por Penicillium chrysogenum
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2. Microbiologia Industrial

• 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.

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3. Produtos para a indústria alimentícia

• 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

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3. Produtos para a indústria alimentícia

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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 que podem conferir sabores indesejáveis
  ao produto
• Fermentação malolática (ácido málico) com
  produção de ácido lático, diacetil e acetoína que
  dão sabor amanteigado ao produto
• Lactobacillus
• Pediococcus
• Oenococcus
• Enterococcus

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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
  Rhizopus ou germinação
• Maceração dos grãos
• Cozimento desativar enzimas, proteínas e
  aminoácidos (1 hora a 65-67 C)
• Adição de lúpulo (aromatizante e antimicrobiano)
• Fervura para liberar ação do lúpulo e término da
  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

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3. Produtos para a indústria alimentícia

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3. Produtos para a indústria alimentícia

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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

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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 técnicas
• 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

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3. Produtos para a indústria alimentícia

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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

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3. Produtos para a indústria alimentícia

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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

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4. Produtos para a indústria

• 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

Celulose a glicose fermentada a etanol
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5. Fermentadores industriais

• 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
• Automação do processo

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6. Outros produtos industriais
Fungos
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7. Produtos ligados a saúde

7.1. Antibióticos 1941 nenhuma indústria de
antibióticos 1951 344 milhões de UD por
ano 1980 100.000 toneladas com vendas
superiores a 1 bilhão de
UD/ano somente nos EUA 2011 gt 20 bilhões de
UD/ano Custo de produção de um antibiótico
1,2 bilhões de UD e cerca de 15
anos até a comercialização
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Isolamento e seleção de microrganismos
produtores de antibióticos
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7. Produtos ligados a saúde

• 7.1. Antibióticos
• Isolamento das estirpes
• Testes de eficácia e ausência de toxicidade
• Seleção das estirpes mais produtivas
• Modificação genética (algumas vezes necessária)
• Produção em fermentadores
• Extração dos compostos antimicrobianos
• Utilização de solventes orgânicos para extração
• Adsorção em superfícies inócuas
• Precipitação química
• Purificação
• Testes continuados para busca de estirpes cada
  vez mais eficientes

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(No Transcript)
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Alguns antibióticos produzidos comercialmente
Antibiótico Microrganismo Produtor
Bacitracina Bacillus licheniformis (B)
Cefalosporina Acremonium sp. (F)
Cloranfenicol Síntese química anteriormente
produzido via síntese microbiana por S.
venezuelae (A)
Cicloheximida Streptomyces griseus (A)
Cicloserina Streptomyces orchidaceus (A)
Eritromicina Streptomyces erithreus (A)
Griseofulvina Penicillium griseofulvin (F)
Kanamicina Streptomyces kanamyceticus (A)
Neomicina Streptomyces fradiae (A)
Nistatina Streptomyces noursei (A)
Penicilina Penicillium chrysogenum (F)
Polimyxina B Bacillus polimyxa (B)
Estreptomicina Streptomyces griseus (A)
Tetraciclina Streptomyces rimosus (A)
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7. Produtos ligados a saúde

• 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

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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)

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Vitamina B12
Riboflavina
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7. Produtos ligados a saúde

• 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

aspartame
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Fonte Madigan et al., 2010. Microbiologia de
Brock
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7. Produtos ligados a saúde

• 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

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8. Transformação genética

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 para produção de insulina 8.2.
Vacina contra hepatite B (HBV) - 1982 Vírus não
cultivável em laboratório Proteína viral HBsAgs
(antígeno) Microrganismo Saccharomyces
cerevisiae com o gene para a proteína 8.3.
Hormônio do crescimento humano -
somatotropina 1982 - E. coli recombinante com o
gene
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8. Transformação genética

• 7.4. Vacinas
• 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

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9. Biocontrole
Bacillus thuringiensis

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10. Biomineração

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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