Biotecnologia A aplicação industrial da Microbiologia

1. BiotecnologiaA aplicação industrial da Microbiologia

2. Biotecnologia: uso industrial de microrganismos

3. Biotecnologia • Conjunto de técnicas que • Permite à indústria farmacêutica cultivar microrganismos para produzir os antibióticos que serão comprados na farmácia. • Permite cultivar células vegetais longa em biorreator para produção de óleos essenciais (síntese de fixador de perfumes e de inseticidas naturais). • Permite o tratamento de despejos sanitários pela ação de microrganismos em fossas sépticas. Abrange diferentes áreas do conhecimento: - Ciências básicas (biologia molecular, microbiologia, genética, embriologia etc.), - Ciências aplicadas (técnicas imunológicas, químicas e bioquímicas) - Outras tecnologias (informática, robótica e controle de processos).

4. A Biotecnologia transforma nosso dia a dia • O seu impacto atinge vários setores produtivos- 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 para diagnósticos e novos medicamentos. Produtos de origem biotecnológica

5. 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

6. 1. Biomassa microbiana • Divide-se em vários processos: • Produção de leveduras para panificação. Foi utilizada como alimento na Alemanha durante a I Guerra Mundial. • Produção de leveduras para a fabricação de etanol. • Bactérias para tratamento biológico de efluentes. • Na alimentação do homem e de animais (SCP – single cell protein) (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).

7. 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 infinitamentemais 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)

8. Enzimas, exemplos 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 Aplicação das árqueas: indústria do amido, papel e celulose.

9. 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.

10. Aminoácidos - Ácido glutâmico: condimento, flavorizante (glutamato monossódico) *Corynebacterium glutamicum (mutante) - Lisina: suplemento para a proteína vegetal *Corynebacterium glutamicum (mutante com alta atividade de DAP descarboxilase) *Brevibacterium flavum

11. Durante a fase estacionária muitos microrganismos sintetizam produtos que não são sintetizados na fase de crescimento. - Comum nos fungos, nas bactérias esporulantes e nas filamentosas - Pode não ter função evidente para o metabolismo da célula. Produtos do metabolismo secundário As rotas primárias são comuns na maioria dos microrganismos, mas cada produto secundário é sintetizado por poucos microrganismos diferentes.

12. 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 ...

13. Produtos de síntese microbiana Antibióticos Penicilina 1928 (descoberta) a 1941 (industrialização): produtividade foi aumentada em 1000 x Seleção de microrganismos

15. 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) 4. Produção de recombinantes

16. Hormônio do crescimento humano (GH): 1982 - Escherichiacoli com o gene do hormônio de crescimento humano Mecanismo para expulsar o hormônio

17. 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 reduzida

19. 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: Saccharomycescerevisiae com o gene para a proteína

20. 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 5. Modificação de compostos

21. 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.

22. Principais etapas de um processo biotecnológico

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

24. Um biorreator pode ter inúmeras concepções

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

26. Bacillus thuringiensis

27. 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

28. Thiobacillus ferrooxidans

29. Engenharia Genética aplicada as plantas A bactéria Agrobateriumtumefacienspossui um plasmídeo com genes que mobilizam a transferência de DNA para a planta. Vetor (ferramenta) de clonagem em plantas

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

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