Microrganismos na produção de poliésteres e polissacarídeos

1. Graduação em Biotecnologia Disciplina de Biotecnologia Microbiana II Microrganismos na produção de poliésteres e polissacarídeos Michele Pepe Cerqueira micpepe2@yahoo.com.br 31 de maio de 2011

2. Poliésteres Polissacarídeos 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.

3. POLIÉSTERES BACTERIANOS

4. Plásticos • Produção plásticos no Brasil  2.000.000 toneladas/ano – 2% produção mundial

5. 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

6. Alternativas • Incorporação de materiais biodegradáveis • Amido, polietileno aditivado com amido • Plásticos fotodegradáveis CO2 atmosférico Fotossíntese Biodegradação Produtos agrícolas Plásticos biodegradáveis

7. 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)

8. 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

9. 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 (ex:E. coli)

10. PHAs sintetizados por bactérias

11. 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

12. 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

13. 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

17. 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

19. Biodegradação - PHAs

20. Polissacarídeos

21. 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

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

23. 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

24. Polissacarídeos microbianos • LPS – lipopolissacarídeos  constituintes PC • CPS – polissacarídeos capsulares  covalentemente PC Marcadores biológicos • EPS – exopolissacarídeos  secretado extracelular Alimentícia, farmacêutica, petrolífera, cosmética, têxtil, tintureira

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

26. 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 Aplicações - EPS

27. Aplicações - EPS

28. Aplicação de goma na indústria de alimentos

29. EPS - Microrganismos • Xantana – Xanthomonas campestris • Dextrana – Leuconostoc mesenteroides • Curdlana – Alcaligenes faecalis • Gelana – Sphingomonas paucimobilis

30. 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 45°C

31. 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

32. 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

33. Síntese - Dextrana Crescimento do microrganismo Síntese e excreção de dextrana-sacarase Síntese de dextrana pela ação da enzima Precipitação dextrana por metanol/etanol

34. Aplicações - Dextrana

35. 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

36. Aplicações - Gelana

37. 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 (50-60°C) • Termorreversível; similar a agar-agar e gelatina • Gel high-set (≥80°C) • Firme, resistente, não termorreversível, estabilidade em ampla faixa de temp. congelamento

38. Aplicações - Curdlana

39. 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.

40. Síntese - Xantana • Necessita elevada aeração e agitação • Condições: pH neutro, temperatura 28°C • 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,

41. Aplicações - Xantana

44. 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