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25/11/2010
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Microbiologia Industrial e Biotecnologia
Microrganismos como elementos-chave em processos biotecnológicos
Microbiologia industrial = otimização de certas reações para produção de compostos de interesse
Biotecnologia = microrganismos geneticamentemodificados visando a produção de produtos que normalmente elesnão são capazes de produzir
1. Introdução
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1. Introdução
Biotecnologia é apenastransformação genética
Biotecnologia
1. Introdução
Transformaçãogenética
Biorremediação
Produção de compostos: enzimas, antibióticos, aa,hormônios, vacinas, etc.
Alimentos
Biocombustíveis
Tratamento deefluentes
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2.1. Principais organismos
Fungos = leveduras e bolores
Actinomycetes = Streptomyces
2.2. Características dos microrganismos empregados em processosbiotecnológicos:
* Crescer in vitro* Crescer em larga escala* Não ser fastidioso* Crescer mesmo em condições subótimas* Ser de fácil manutenção* Não ser patogênico* Ser facilmente manipulável e geneticamente estável
2. Microbiologia Industrial
2.3. Processos
Produção de fármacos: antibióticos, esteróides, insulina
Produção de químicos valiosos: solventes, enzimas
Produção de suplementos alimentares: probióticos, etc.
Produção de bebidas alcoólicas: cerveja, vinho, destilados, etc.
Produção de vacinas (principalmente antivirais)
Controle biológico de pragas e doenças: B. thuringiensis, Beauveria, etc.
Uso de microrganismos na mineração e na indústria do petróleo
Biorremediação/fertilidade dos solos: micorrizas, FBN, etc.
Processos podem ser melhorados engenharia genéticagrande potencial com grande impacto econômico
2. Microbiologia Industrial
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Fermentação de produtos lácteos Iogurte – Lactococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus
Kefir (leite fementado) – Lactococcus lactis, L. bulgaricus e leveduras
Leite fermentado – Lactobacillus acidophilus
Manteiga – Streptococcus cremoris, Leuconostoc cremoris e Lactobacillus lactis
3. Microrganismos na produção de alimentos
Fermentação de produtos lácteos
Queijo Lactococcus e Lactobacillus
Propionibacterium – queijo Suíço
Penicillium – queijo camembert, roquefort, brie
3. Microrganismos na produção de alimentos
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Vegetais fermentados
Chucrute – Enterobacter cloacae, Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum, L. brevis
Picles – L. plantarum, L. mesentereoides, Enterococcus faecalis, Pediococcus cerevisae, Pseudomonas spp., Flavobacterium spp., Bacillus spp. e leveduras
3. Microrganismos na produção de alimentos
Vegetais fermentados
Azeitonas – Leuconostoc
Molho de soja – Aspergillus oryzae, Pediococcus soyae, Saccharomyces spp., Torulopsis spp., e Lactobacillus spp.
Miso – Aspergillus oryzae
3. Microrganismos na produção de alimentos
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Fermentação de carnes Embutidos – produzidos por bactérias do ácido lático, em particular
Pediococcus cerevisae
Produção de pães Pães – Saccharomyces cerevisae, Clostridium spp. e bactérias
coliformes podem ser empregados
3. Microrganismos na produção de alimentos
Bebidas alcoólicas Cervejas: produção de 50 bilhões de litros por ano usando
Saccharomyces cerevisae
Vinho: fermentação usando S. cerevisae
Vinagre: fermentação a álcool (S. cerevisae) e em seguida a ácido acético (Acetobacter e Gluconobacter) ou conversão direta a acetato (Clostridiumspp.)
3. Microrganismos na produção de alimentos
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3.6. Cogumelos comestiveis
Definição da espécie a ser cultivada
Mais cultivados: Agaricus bisporus (champignon de Paris)
Lentinus edulus (shiitake)
Produção em locais de umidade e temperatura controlados
Substratos orgânicos ricos:
Agaricus: cama de esterco de cavalo, palha, etc.
Shiitake: toras de madeira
Produção de spawn
3. Produtos para a indústria alimentícia
3. Produtos para a indústria alimentícia
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Microrganismos na produção de etanol
50 bilhões de litros produzidos anualmente
Milho, cana-de-açúcar, trigo, beterraba, cavacos de madeira, etc.
Saccharomyces, Kluyveromyces, Candida, etc.
Solvente industrial e suplemento de gasolina
Reduz a emissão de monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio
Composto energeticamente caro: necessita-se de 25% a mais de E para
produzir um litro de etanol do que a energia contida no próprio etanol
4. Produtos para a indústria
Celulose a glicose = fermentada a etanol
Produto Microrganismo UsoProduto Microrganismo Uso
Acetona e butanol C. acetobutylicum Solventes, fabricação dee outros clostrídios produtos químicos
2,3‐Butanediol Bacillus polymyxa; Solvente, hidratantes,Enterobacter aerogenes intermediários químicos
Ácido 2‐cetoglucônico Pseudomonas spp. Intermediário na fabri‐cação de ácido isoascór‐bico (vitamina C)
Sorbose Gluconobacter oxydans Fabricação de ácido ascórbico (vitamina C)
Ácido cítrico Aspergillus niger Alimentos e bebidas, cosméticos, couro
Ácido glucônico Aspergillus niger Alimentos, clarificadoresÁcido itacônico Aspergillus terreus Fabricação de resinas acrílicasÁcido fumárico Rhizopus nigricans Fabricação de resinas
Bactérias
Fungos
4. Produtos para a indústria
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5.1. Antibióticos - Agentes antimicrobianos produzidos por microrganismos (bactérias e fungos) exibindo função de inibir ou eliminar outros microrganismos
1941 – nenhuma indústria de antibióticos
1951 – 344 milhões de U$D por ano1980 – 100.000 toneladas com vendas superiores a
1 bilhão de U$D/ano somente nos EUA2010 – 20 bilhões de U$D/ano
Custo de produção de um antibiótico: 1,2 bilhões de U$De cerca de 15 anos até a comercialização
5. Produtos ligados a saúde
Ganhadores do Premio Nobel em Fisiologia e Medicina de 1945 “Descoberta da Penicilina e seus efeitos curativos em várias doenças infeciosas"
Sir Alexander Fleming Ernst B. Chain Sir Howard Florey
Alguns antibióticos produzidos comercialmenteAntibiótico Microrganismo Produtor
Cloranfenicol Síntese química: anteriormente produzido via síntese microbiana por S. venezuelae (A)
Cicloheximida Streptomyces griseus (A)
Cicloserina Streptomyces orchidaceus (A)
Eritromicina Streptomyces erithreus (A)
Cefalosporina Cephalosporium sp. (F)
Kanamicina Streptomyces kanamyceticus (A)
Griseofulvina Penicillium griseofulvin (F)
Bacitracina Bacillus licheniformis (BFE)
Neomicina Streptomyces fradiae (A)
Nistatina Streptomyces noursei (A)
Penicilina Penicillium chrysogenum (F)
Polimyxina B Bacillus polimyxa (BFE)
Estreptomicina Streptomyces griseus (A)
Tetraciclina Streptomyces rimosus (A)
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Isolamento e seleção de microrganismos produtores de antibióticos(p.ex. Estreptomicina)
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5.2. Enzimas
Catalisadores: aceleram atividades bioquímicas
Utilizadas como suplementos nutricionais
Produzidas por fungos e bactérias
Exemplos:
Amilases: adesivos, sucos, detergentes
Invertases (glicose a frutose): cremes, xaropes (refrigerantes)
Proteases: couro, seda, detergentes
Pectinases: sucos
Extremozimas: ácido-tolerantes usadas como suplemento animal
5. Produtos ligados a saúde
5.3. Vitaminas
A maioria é produzida quimicamente, mas muitas são muito complexas e portanto produzidas apenas por microrganismos
Principais:
B12:
Sintetizada exclusivamente por microrganismos
Essencial a todos os animais
Essencial no sangue (hemácias)
Não é produzida por plantas (vegetarianos)
Propionibacterium e Pseudomonas
Riboflavina: bactérias e fungos (Ashbya gossypii)
5. Produtos ligados a saúde
Vitamina B12 Riboflavina
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5.4. Aminoácidos
Acido glutâmico: glutamato monossódico – intensificador de sabor produzido por Corynebacterium glutamicum
Acido aspártico
Fenilalanina
Lisina: aditivo alimentar produzido por Brevibacterium flavum
5. Produtos ligados a saúde
aspartame
Fonte: Madigan et al., 2010. Microbiologia de Brock
5.5. Esteróides e outras biotransformações
Hormônios animais
Utilizados como fármacos
Corticosteróides: reduzem inflamações, artrites, etc.
Estrógenos e androgênicos: usados na fertilidade humana e ganho de massa muscular
Cortisona e hidrocortisona: usados no controle de pruridos subcutâneos
Podem ser produzidos quimicamente, mas normalmente, pela dificuldade de síntese, tem pelo menos uma etapa microbiana = biotransformação
Produção anual supera 800 toneladas
5. Produtos ligados a saúde
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7. 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
A companhia Vale tem um projeto em biomineração
8. Bioremediação de Solos com Poluição QuímicaBioaumentação em Processo de “Landfarming” de resíduos orgânicos
Moreira & Siqueira, 2006
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8. Bioremediação de Solos com Poluição QuímicaSimbioses Radiculares em Ambientes Contaminados
9. Microrganismos na Recuperação de Áreas Degradadas
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10. Microrganismos no Controle Biológico
Trichoderma stromaticum(controle Vassoura de Bruxa)
(Brasil)
Stewart et al., 2007; Pomella et al., 2007
10. Microrganismos no Controle Biológico
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Mecanismo de Ação de Bacillus thurigiensis(Who, 1999)
Nunes Pinto & Fiuza, 2008
Vegetais Modificados com Genes Cry de B. thuringiensis, Resistentes a Insetos-praga de Importância Agrícola
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11. Inoculação de Leguminosas Produtoras de Grãos, Forrageiras e Espécies Arbóreas
AmendoimStylosanthes
CrotaláriaLeucena
Bracatinga
Perspectivas para a Biotecnologia