Capítulo V Biotecnologia Microbiana 1
Histórico Utilização ancestral da actividade microbiana (vinho, cerveja, pão, vinagre, lacticínios) Meados sec. XIX: Pasteur Época de grande desenvolvimento científico em que se usavam culturaspuras As enzimas eram os principais produtos microbianos comercializados na altura Produção à escala industrial de penicilina durante a 2ª Guerra Mundial Modernas tecnologias de DNA recombinante e de biologia molecular Hoje em dia os MO são usados como modelos de seres vivos mais complexos 2
Porquê escolher os microrganismos? Simplicidadeestrutural Facilidade de cultura em fermentadores maiorrazãoárea/volume Absorção rápida de nutrientes e velocidade de metabolismo muito elevada processos mais económicos versatilidade produção de grande variedade de metabolitos finais Objectivos da utilização industrial de microrganismos produção da própria biomassa produção de metabolitos produção de células microbianas para servirem de biocatalisadores Os processos industriais que usam MO são genericamente designados de fermentações 3
Os microrganismos com maior importância industrial dividem-se em 2 grandes grupos: Fungos (incluindo leveduras como Saccharomyces cerevisiae e fungos filamentosos como Aspergillus) Eubactérias(incluindoGram comoae. coli egram+filamentosascomoosactinomicetas,ou não filamentosas como Bacillus) Aspergillus Bacillus Saccharomyces cerevisiae 4
Selecção do microrganismo Matérias-primas e pré-tratamento Melhoramento da estirpe Preparação do meio de cultura Aumento de escala Controlo das condições (ph, temperatura, arejamento, etc.) Fermentador Calor, gases Recuperação e formulação do produto Esquema geral, simplificado, de um processo de biotecnologia microbiana 5
Selecção de microrganismos Informação em publicações / bases de dados Actividade ou produção de substância de interesse comercial Reprodução fácil e rápida em cultura Geneticamente estável Métodos de manutenção dos microrganismos: -Crioconservação -Liofilização -Secagem em solo -Refrigeração Melhoramento de estirpes Introduzir genes ou interromper genes Razões económicas Abordagem empírica Mutação, recombinação genética, engenharia genética Estabilidade genética! Manutenção do padrão metabólico 6
Condições de cultura e produção Água Nutrientes Carbono, azoto, fósforo, enxofre, magnésio, etc. O meio de cultura depende: microrganismo (necessidade de determinados nutrientes e oxigénio) produto pretendido escala do processo Eficiência de um processo biotecnológico microbiano: rendimento (grau de conversão S P) produtividade (rapidez do processo de conversão S P) 7
Definição da composição do meio de cultura Fase de Pré-cultura -pré-tratamento de matérias primas -esterilização de fermentador, meio e ar fornecidos -estudos de scaling-up Condições de Fermentação -ph, Temperatura -velocidade de agitação, oxigénio dissolvido, densidade celular, etc.) -cultura em batch, semi-contínua (fed-batch), contínua -controlo de metabolismo microbiano 8
Processos de Biotecnologia Microbiana Biotecnologia Tradicional Vinificação Indústria Cervejeira Indústria da Panificação Indústria de Lacticínios Obtenção de produtos do metabolismo microbiano Indústria Farmacêutica Química Fina Proteínas Heterólogas 9
Vinificação! Leveduras de fermentação alcoólica e maloláctica! Floculação (vinhos brancos)! Produção de lactato! Secreção de hidrolases! Produção de ésteres! Produção de glicerol! Inibição de produção de ureia S. cerevisiae S. bayanus 10
Indústria Cervejeira! Leveduras de maior produção de sulfito! Floculação! Leveduras de actividade prolongada! Reabsorção de diacetilo S. cerevisiae S. pastorianus S. carlsbergensis 11
Indústria de lacticínios! Produção de ácido láctico (L. bulgaricus, L. cremoris, S. lactis, S. thermophilus)! Uso de fungos para queijos (do género penicillium)! Probióticos (L. casei imunitass) 12
Química Fina / Indústria Farmacêutica Produtos do metabolismo microbiano Antibióticos Vitaminas Alcalóides Aminoácidos Nucleótidos purínicos Enzimas Acidos orgânicos Solventes Combustíveis 13
Antibióticos Produtos de origem microbiana com maior valor comercial β-lactâmicos e tetraciclinas Produzidos por fungos filamentosos (Penicillium, Aspergillus) e bactérias (streptomyces, bacillus) Vitaminas Factores essenciais da nutrição animal Vitamina B12 e riboflavina Algumas são produzidas directamente por fermentação de MOs Aminoácidos Ácido glutâmico e lisina Essencialmente na Industria Alimentar (usados como tal ou para produzir outras substâncias) 14
Moduladores de sabor!glutamato monossódico, purina 5 -ribonucleotídeo e substâncias relacionadas!maltol e etil-maltol!furanonas e ciclopentenolonas!vanilina e etil-vanilina!cloreto de sódio 15
Umami o 5º Sabor 16
Estruturas químicas do ácido glutâmico, glutamato monosódico (MSG) e substâncias relacionadas 17
Acumulação de ácido glutâmico por Corynebacterium glutamicum 18
Exemplos de sais dissódicos de purinas-ribonucleósidas 19
Substâncias umami mais comuns 20
Antibióticos Produtos de origem microbiana com maior valor comercial β-lactâmicos e tetraciclinas Produzidos por fungos filamentosos (Penicillium, Aspergillus) e bactérias (streptomyces, bacillus) Vitaminas Factores essenciais da nutrição animal Vitamina B12 e riboflavina Algumas são produzidas directamente por fermentação de MOs Aminoácidos Ácido glutâmico e lisina Essencialmente na Industria Alimentar (usados como tal ou para produzir outras substâncias) 21
CH 3 OH Entra nas células HCHO DNA e proteínas mutações tumores 22
Alcaloides Produzidos por fungos (derivados do ácido lisérgico) Nucleótidos purínicos Ácido guanílico (5 -GMP) e ácido inosínico (5 -IMP) Enzimas Essencialmente na Indústria Alimentar, de detergentes e têxtil Solventes orgânicos Acetona e butanol produzidos por fermentação microbiana Ácidos orgânicos Ácido cítrico, acético, láctico, Combustíveis Biofuel 23
Alcaloides codeína morfina cocaína nicotina cafeína mescalina acido lisérgico 24
Biofuel - etanol Recurso a enzimas para melhorar o processo microbiano: Melhoramento fermentativo liquefacção Sacarificação Redução da viscosidade 25
Como produzir biodiesel? 26
Proteínas heterólogas Insulina (E. coli) Vacinas (E. coli, S. Cerevisiae) Etc. 27
Microrganismo Penicillium chrysogenum (F) Cephalosporium acremonium (F) Streptomyces (B) Escherichia coli (B) Produto / Área de Aplicação Agentes terapêuticos Penicilinas Cefalosporinas Estreptomicina, canamicinas, neomicinas, tetraciclinas, Insulina, hormona do crescimento humano, somatostanina Indústria Química e Alimentar Saccharomyces cerevisiae (L) e Kluiveromyces marxianus (L) Aspergillus niger (F) Clostridium acetobutylicum (B) Etanol Ácido cítrico Acetona e butanol Aminoácidos e nucleótidos Corynebacterium glutamicum (B) Corynebacterium glutamicum (B) e Bacillus subtilis (B) Bacillus (B) Bacillus (B); Streptomyces (B) Saccharomyces cerevisiae (L) Cândida lipolytica/yarrowia lipolytica (L) L-lisina e ácido glutâmico 5 -IMP e 5 -GMP Enzimas Proteases e amilases Glucose-isomerase Invertase Lipase Vitaminas Pseudomonas denitrificans (B) e Propionibacterium (B) Ashbya gossypii (F) Vitamina B12 Riboflavina Exemplos de microrganismos utilizados em biotecnologia microbiana 28
Biotransformações Capacidade microbiana para realizar certas reacções químicas (oxidação, hidrogenação, esterificação, metilação, descarboxilação, etc.) PERSPECTIVAS: Engenharia metabólica Melhoramento orientado das características celulares através da modificação (ou introdução) de reacções bioquímicas específicas 29
Biotecnologia microbiana: fundamentos e aplicações 30