Biotecnologia: A aplicação industrial da Microbiologia

1. Introdução Biotecnologia: uso industrial de microrganismos

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).

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

Existem 5 grandes grupos de interesse comercial: 2. Processos biotecnológicos Existem 5 grandes grupos de interesse comercial: Produção de biomassa microbiana Produção de enzimas microbianas Produção de metabólitos Produção de produtos recombinantes Modificação de compostos

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).

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, ...).

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. - Normalmente sintetizam quantidades suficiente para suas necessidades mínimas.

- 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.

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 ...

4. Produção de recombinantes Substâncias produzidas por animais e plantas sintetizadas por microrganismos. Tecnologia do DNA recombinante: clonagem molecular Exemplos: - Hormônio GH (US$ 20 milhões/Kg) - Hormônio Insulina (A Biobrás possui uma das quatro patentes no mundo – 1990)

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

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.

Principais etapas de um processo biotecnológico:

A maioria dos biorreatores em uso são de tanque agitado (STR)

Um biorreator pode ter inúmeras concepções

3. Produtos da degradação microbiana Álcool e Vinagre (vin aigre) * fermentação do açúcar álcool vinagre anaerobiose aerobiose Principais microrganismos: Acetobacter spp.

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

Outros produtos da degradação (desassimilação) microbiana: Produto Microrganismo Uso Produto Microrganismo Uso B A C T É R I S F U N G O 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) 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

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

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

Exemplos de enzimas e suas aplicações Enzima Microrganismo Aplicações Reações Produto Microrganismo Uso B a c t é r i s F u n g o 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.

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) *Brevibacterium flavum

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

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

Hormônio do crescimento humano (GH): 1982 - Escherichia coli com o gene do hormônio de crescimento humano Mecanismo para expulsar o hormônio

5. Biocontrole Bacillus thuringiensis cr end Bacillus thuringiensis Cristais protéicos contendo toxinas com propriedades inseticidas

Bacillus thuringiensis

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 oxidação do minério precipitação

Thiobacillus ferrooxidans A Companhia Vale do Rio Doce tem um projeto em Biomineração

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

Obtenção de planta transgênica com o gene da toxina de Bacillus thuringiensis

Perspectivas da biotecnologia Vacinas de DNA: - baixa toxicidade - inocuidade - estabilidade Plantas transgênicas para produção de fármacos - interferon - anticorpos vegetais - vacinas comestíveis