Biotecnologia: A aplica

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Biotecnologia A aplicação industrial da
Microbiologia

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1. Introdução

Biotecnologia uso industrial de microrganismos
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Biotecnologia

• 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.

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).
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A Biotecnologia transforma nosso dia a dia

• 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.

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.
Produtos de origem biotecnológica
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Existem 5 grandes grupos de interesse comercial
2. Processos biotecnológicos

1. Produção de biomassa microbiana
2. Produção de enzimas microbianas
3. Produção de metabólitos
4. Produção de produtos recombinantes
5. Modificação de compostos

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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).

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2. Enzimas microbianas

• 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, ...).

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- Normalmente sintetizam quantidades suficiente
para suas necessidades mínimas.
3. Metabólitos microbianos

• 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.

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- Produtos do metabolismo secundário

• 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.

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

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Exemplos- Hormônio GH (US 20 milhões/Kg) -
Hormônio Insulina (A Biobrás possui uma das
quatro patentes no mundo 1990)
4. Produção de recombinantes

• Substâncias produzidas por animais e plantas
  sintetizadas por microrganismos.
• Tecnologia do DNA recombinante clonagem
  molecular

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5. Modificação de compostos

• 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

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Etapas que compõem um processo biotecnológico

• Independente do tipo, um processo pode ser
  dividido em seis etapas básicas
• Formulação do meio de cultura
• Esterilização do meio, equipamentos e acessórios
• Produção do inóculo em quantidade suficiente para
  inocular o volume de processo
• Crescimento do microrganismo no biorreator em
  condições ótimas para formação do produto
• Extração do produto e sua purificação
• O tratamento/eliminação dos efluentes gerados
  pelo processo.

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Principais etapas de um processo biotecnológico
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A maioria dos biorreatores em uso são de tanque
agitado (STR)
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Um biorreator pode ter inúmeras concepções
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3. Produtos da degradação microbiana
Álcool e Vinagre (vin aigre) fermentação do
açúcar álcool vinagre
anaerobiose aerobiose
Principais microrganismos Acetobacter spp.
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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 glicose 2C6H12O6
4CH3CHOHCOOH Microrganismo Lactobacillus
bulgaricus Resíduo de biomassa alimentação
animal
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Outros produtos da degradação (desassimilação)
microbiana

Produto Microrganismo Uso
Produto Microrganismo Uso
Acetona e butanol C. acetobutylicum Solventes,
fabricação de e outros clostrídios produtos
químicos 2,3-Butanediol Bacillus polymyxa
Solvente, hidratatante Enterob.
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)
B A C T É R I A S F U N G O S
Ácido cítrico Aspergillus niger Alimentos e
bebidas, cosméticos, couro Ácido
glucônico Aspergillus niger Alimentos,
clarificadores Ácido itacônico Aspergillus
terreus Fab. de resinas acrílicas Ácido
fumárico Rhizopus nigricans Fab. de resinas e
agentes umectantes
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Produtos de síntese microbiana
Antibióticos Penicilina 1928 (descoberta) a
1941 (industrialização) produtividade foi
aumentada em 1000 x 1990 - 500 milhões de
dólares somente nos EUA

Seleção de microrganismos
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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
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Exemplos de enzimas e suas aplicações

Produto Microrganismo Uso
Enzima Microrganismo Aplicações Reações
B a c t é r i a s F u n g o s
Estreptoquinase Streptococcus spp. Tratamento de
pacientes Dissolve fibrina no
sangue com ataques cardíacos Glicose
isomerase Streptomyces spp. Produção de xaropes
com Converte glicose em frutose Bacillus
spp. alto teor de frutose DNA polimerase
(Taq) Thermus aquaticus PCR Síntese de
DNA Escherichia coli (recombi- nante)
Lipase Rhizopus spp. Flavorizante de alimentos
Hidrolisa lipídios a glicerol e aumenta
poder clareador ácidos graxos de
detergentes Celulases Trichoderma
reesii Digestivo Hidrolisa celulose a
celobiose Glicose 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.
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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) Brevibac
terium flavum

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4. Produtos farmacêuticos
Insulina humana 1º biofármaco produzido pela
engenharia genética 1982 - produção nos EUA
pela empresa Lilly Microrganismo produtor
Escherichia coli com o gene humano para produção
de insulina
Insulina Proteína produzida no
pâncreas Regulação do metabolismo de
carboidratos Produção original Extração a
partir de animais porcos, bois Eficiência de
ação
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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
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Hormônio do crescimento humano (GH) 1982 -
Escherichia coli com o gene do hormônio de
crescimento humano

Mecanismo para expulsar o hormônio
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(No Transcript)
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5. Biocontrole
Bacillus thuringiensis
Cristais protéicos contendo toxinas com
propriedades inseticidas
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Bacillus thuringiensis
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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 ox
idação do minério precipitação
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Thiobacillus ferrooxidans
A Companhia Vale do Rio Doce tem um projeto em
Biomineração
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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
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Obtenção de planta transgênica com o gene da
toxina de Bacillus thuringiensis

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Perspectivas da biotecnologia

• Vacinas de DNA
• - baixa toxicidade
• - inocuidade
• - estabilidade
• Plantas transgênicas para produção de fármacos
• - interferon
• - anticorpos vegetais
• - vacinas comestíveis