Engenharia Gen

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Graduação em Biotecnologia Disciplina de
Biotecnologia Microbiana II
Microrganismos na produção de poliésteres e
polissacarídeos
Michele Pepe Cerqueira micpepe2_at_yahoo.com.br
31 de maio de 2011
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Polissacarídeos
Poliésteres
Categoria de polímeros que contém o grupo
funcional éster em sua cadeia principal. Dos
poliésteres sintéticos (plásticos) pode-se
destacar o policarbonato e especialmente o
politereftalato de etila (PET).
Os polissacarídeos são macromoléculas formados
pela união de muitos monossacarídeos. Podem ser
hidrolisados em polissacarídeos menores, assim
como em dissacarídeos ou monossacarídeos mediante
a ação de determinadas enzimas.
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POLIÉSTERES BACTERIANOS
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Plásticos

• Produção plásticos no Brasil ? 2.000.000
  toneladas/ano 2 produção mundial

País Consumo de resinas plásticas (kg/hab.ano)
Brasil 10
EUA 70
Europa 46
Japão 54
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Problemas associados aos plásticos

• Descartabilidade muito rápida
• Dificuldade de degradação no ambiente
• Relação custo x benefício da reciclagem
• Uso de recursos não renováveis como matéria prima

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Alternativas

• Incorporação de materiais biodegradáveis
• Amido, polietileno aditivado com amido
• Plásticos fotodegradáveis

CO2 atmosférico
Fotossíntese
Biodegradação
Produtos agrícolas
Plásticos biodegradáveis
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Plásticos biodegradáveis

• Apresentam propriedade termoplásticas
• Características de desempenho semelhantes aos
  plásticos convencionais
• Facilmente degradado pela ação dos microrganismo
  no ambiente biodegradabilidade
• Exemplos polilactato, poliglicolato,
  poli-e-caprolactona (PCL), álcool polivinílico
  (PVOH), polihidroxialcanoatos (PHAs)

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Polihidroxialcanoatos (PHAs)

• Grupo diversificado de poliésteres acumulados por
  inúmeras bactérias
• Exemplos poli-3-hidroxibutirado (PHB),
  poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato
  (P3HB-co-3HV)
• São termoplásticos biodegradáveis
• Sintetizados por fermentação submersa a partir de
  matérias-primas renováveis
• Matérias-primas derivadas da agricultura

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Polihidroxialcanoatos (PHAs)

• Polímeros acumulados na forma de grânulos
  intracelulares
• Grânulos reserva de carbono e energia
• Até 80 da massa seca celular
• Síntese de PHA ocorre quando há excesso de
  carbono e energia e limitação de algum nutriente
  (N, P, Mg, Fe)
• Formados por 90 monômeros diferentes
• Bactéria deve apresentar PHA sintase
• Podem ser eficientemente produzidos em OGM (exE.
  coli)

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PHAs sintetizados por bactérias
Bactérias Substratos Monômeros
Alcaligenes eutrophus Frutose 3HB
Alcaligenes eutrophus Ácido propiônico 3HB, 3HV
Alcaligenes eutrophus 1,5 pentanodiol 3HB, 3HP
Alcaligenes eutrophus 1,4-butanodiol 3HB, 4HB
Alcaligenes eutrophus 5-clorovalerato 3HB, 3HV, 5HV
Pseudomonas oleovorans Ácido octanóico 3HHx, 3HO, 3HD
Pseudomonas oleovorans Ácido nonanóico 3HHx, 3HHp, 3HO
Pseudomonas oleovorans Octeno 3HHx, 3HO
Pseudomonas oleovorans Ácido 7-metil-octanóico 7Me3HO, 5Me3HHx
Pseudomonas putida Ácido 4-hidroxihexanóico 3HB, 3HHx e 4HHx
Rhodospirillum rubrum Ácido 4-pentenóico 3HB, 3HV
Rhodococcus sp. Frutose 3HB, 3HV
Haloferax mediterranei Amido 3HB, 3HV
Burkholderia sp. Ácido glicônico 3HB, 3HP
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Microrganismos - PHAs

• Alcaligenes sp.
• Bactéria gram-negativa, aeróbicas
• Pseudomonas sp.
• Bactéria gram-negativa, aeróbia, baciliforme
• Rhodospirillum sp.
• Bactéria gram-negativa, anaeróbia facultativa
• Rhodococcus sp.
• Bactérias aeróbicas, não-esporulantes, não
  móveis, Gram-positivas
• Haloferax sp.
• Halófilos de ambientes extremamente salinos
• Burkholderia sp.
• Bacilos retos, gram-negativos, oxidase e catalase
  positivos

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Aplicações - PHAs

• Filmes para embalagem
• Plásticos convencionais
• Fios de sutura cirúrgica
• Implantes ósseos
• Fármacos de liberação lenta
• Produtos de liberação de reguladores de
  crescimento de plantas
• Produtos de liberação de pesticidas

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Polihidroxibutirado (PHB)

• O principal representante dos PHAs
• Possui propriedades físicas e químicas
  semelhantes ao polímero sintético (PP)
• Formado em monômeros de hidroxibutirato -
  biodegradável
• São sintetizados no interior de bactérias e
  armazenados no citoplasma em grânulos

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(No Transcript)
15
(No Transcript)
16
(No Transcript)
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PHB

• Desafios para produção ? redução dos custos
• Obtenção de linhagens altamente eficientes na
  conversão dos substratos em produtos
• Utilização de substratos de baixo custo
• Desenvolvimento de processos que permitam
  explorar ao máximo o potencial da linhagem
• Desenvolvimento de processos de
  extração-purificação

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(No Transcript)
19
Biodegradação - PHAs
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Polissacarídeos
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Polissacarídeos

• Macromoléculas (carboidratos) de alta massa molar
• Ex amido, alginatos, goma arábica, goma guar e
  goma algaroba
• Normalmente obtidos de produtos vegetais e de
  algas marinhas
• Aplicação na indústria de alimentos, farmacêutica
  e química

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Polissacarídeos - Exemplos

• Xantana
• Escleroglucana
• Zanflo
• Gelana
• Goma PS-7
• Curdlana
• Alginato bacteriano
• Dextrana
• Glucanas de leveduras de panificação

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Polissacarídeos microbianos - Vantagens

• Propriedades similares aos tradicionais
• Produção independente das condições climáticas,
  contaminação marinha, falha nas colheitas
• Utilização matérias-primas regionais
• Menos suscetíveis a variabilidade na qualidade

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Polissacarídeos microbianos

• LPS lipopolissacarídeos ? constituintes PC
• CPS polissacarídeos capsulares ? covalentemente
  PC
• Marcadores biológicos
• EPS exopolissacarídeos ? secretado extracelular
• Alimentícia, farmacêutica, petrolífera,
  cosmética, têxtil, tintureira

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Características - EPS

• São polissacarídeos de cadeia longa
• Provenientes de bactérias, microalgas, leveduras
  e fungos
• Superfície celular microbiana
• Aderência em superfícies sólidas
• Formação de biofilmes

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Aplicações - EPS

• Espessantes
• Estabilizantes
• Emulsificantes
• Coagulantes
• Formadores de filmes
• Gelificantes
• Agentes de suspensão
• Dispersantes
• Lubrificantes

• Beneficios à saude bactérias láticas
• Atividade imuno-estimulatória
• Atividade anti-tumoral
• Reduzir níveis de colesterol

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Aplicações - EPS
Função Uso ()
Estabilizador, agente de suspensão e dispersante 25
Espessante 23
Agente formador de filmes 17
Agente de retenção de água 12
Coagulante 7
Colóide 6
Lubrificantes 5
Outros 5
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Aplicação de goma na indústria de alimentos
Propriedade Função
Aumento de viscosidade Espessante, suspender sólidos, estabilizar emulsões
Formação de géis Formar géis, suspender sólidos
Ligação de água Afetar solubilidade, facilitar a secagem, facilitar a precipitação, evitar a separação
Inibição de cristalização Melhorar textura, melhor transparência, induzir maciez
Tensoativo Melhorar a formação de espumas, melhorar emulsões, estabilizar espumas
Formação de filmes Fixar aromas, encapsulação
Reatividade com proteínas Suspender sólidos, melhorar textura, estabilizar espumas, evitar separação de soros
Mistura de propriedades Evitar mascaramento de aromas, melhorar clarificação, promover floculação
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EPS - Microrganismos

• Xantana Xanthomonas campestris
• Dextrana Leuconostoc mesenteroides
• Curdlana Alcaligenes faecalis
• Gelana Sphingomonas paucimobilis

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EPS Síntese e cultivo

• Extração, purificação processos simples
• Produtividade elevada
• Custos de produção dependente substratos
• Glicose, sacarose ? fontes C preferenciais
• Fontes alternativas melaço, resíduo soja
• Produção em todas fases de desenvolvimento
• pH ? influência na atividade de enzimas
  (glicosil-hidrolases)
• Temperatura ótima 25 a 45C

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EPS - Rendimento

• Obtenção de mutantes (recombinação gênica)
• Uso de tecnologia de DNA recombinante (inserção
  de genes específicos)
• Desenvolvimento e seleção de meios de cultivo
• Maximizar produção, minimizar custos
• Desenvolvimento de condições e sistema de cultivo
  mais adequadas

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Goma Dextrana

• Polissacarídeo extracelular
• D-glucopiranosil
• Síntese ocorre extracelularmente
• Subtrato é transformado sem penetrar na célula
• Enzima dextrana-sacarase, presença de sacarose
• Enzima atua no meio de cultura
• Bactéria envolvida Luconostoc mesenteroides

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Síntese - Dextrana
Crescimento do microrganismo
Síntese e excreção de dextrana-sacarase
Síntese de dextrana pela ação da enzima
Precipitação dextrana por metanol/etanol
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Aplicações - Dextrana
Área Uso
Alimentícia Estabilizante e agente de viscosidade
Biomedicina Agentes de contraste para imagiologia
Fotografia Emulsões de prata para revelação
Farmacêutica Componentes de géis em colírios, anticoagulantes
Veterinária Estabilizantes
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Goma Gelana

• Polissacarídeo de cadeia linear, formado por
  glicose, ramnose e ácido glicurônio
• Gel termorreversível quando sofre alteração de
  temperatura
• Boa estabilidade pH e calor
• Produção relacionada ao crescimento do
  microrganismo
• Sphingomonas paucimobilis, Pseudomonas elodea

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Aplicações - Gelana
Área Uso
Alimentícia Retenção de umidade, estabilidade geléias, iogurtes, produtos gelados
Microbiologia Substituição do ágar, maior pureza e translucidez
Papel Resistência interna do papel e melhor impressibilidade
Farmacêutica Pílulas, cápsulas e produtos de higiene pessoal
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Goma Curdlana

• Goma de cadeia linear, unidade ß-D-glicose
• Características variam de acordo com grau de
  acetilação
• Alcaligenes faecalis, Agrobacterium radiobacter
• Produz gel termorreversível quando submetidos a
  calor/frio
• Gel low-set (50-60C)
• Termorreversível similar a agar-agar e gelatina
• Gel high-set (80C)
• Firme, resistente, não termorreversível,
  estabilidade em ampla faixa de temp. congelamento

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Aplicações - Curdlana
Área Uso
Alimentícia Modificador de textura, melhorando a retenção de água (hambúrguer maciez e textura sorvete - viscosidade
Farmacêutica Medicamentos contra infecções viróticas e bacterianas, agente anticoagulante e antitrombótico
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Goma Xantana

• Constituída por glicose, manose e ácido
  glicurônico
• 30 das ramificações possuem um grupo piruvato
  carregado
• Sua estrutura altamente ramificada e alto peso
  molecular ? confere alta viscosidade
• Completamente atóxica, usada como aditivo de
  alimentos
• Boa estabilidade em ampla faixa de pH e T
• Xanthomonas sp.

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Síntese - Xantana

• Necessita elevada aeração e agitação
• Condições pH neutro, temperatura 28C
• Metabólico secundário, acumulação inicia após
  cessar o crescimento bacteriano
• Maior quantidade de carbono ? acúmulo de produto
• Tempo de fermentação 48-96 horas
• Produção industrial Kelco, Pfizer,
  Mero-Rousselot-Satia,

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Aplicações - Xantana
Área Uso
Alimentícia Controlar viscosidade, textura, retenção de aromas, suspensão de sólidos e estabilização de emulsões
Higiene Suspensão e espessante de pasta de dente, desodorantes em gel
Agricultura Suspensão de compostos químicos
Petrolífera Aumento da recuperação de petróleo
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Polissacarídeos microbianos

• Possuem uma grande e crescente importância no
  mercado
• Larga aplicabilidade na industria de alimentos,
  industria petrolífera, farmacêutica, têxtil,
  tintas
• Importância da pesquisa descoberta de novos
  biopolímeros e otimização de processos de produção