Microbiologia industrial ED I Microrganismos de interesse industrial

ALUNO: Kaio Csar S. Rodrigues

N MATRCULA: 0842009-2

1. Quais caractersticas dos microrganismos os tornam interessantes para sua aplicao em processos industriais? Estas caractersticas so: facilidade de cultivo em massa, rpido crescimento, uso de substratos baratos (muitas vezes so resduos), diversidade metablica, podem ser facilmente manipulados geneticamente, no sofrem efeitos de sazonalidade, possibilidade de utilizao de extremfilos. 2. Cite processos tecnolgicos, explicando a tecnologia de forma sucinta, que se

enquadraria em cada uma das fases da evoluo da microbiologia industrial: a) Uso de culturas mistas selvagens: produo de bioplsticos por culturas mistas. Os PHAs (polihidroxialcanoatos) so os mais utilizados como bioplsticos. Existem no citoplasma das clulas sob a forma de grnulos. A produo de PHAs por culturas mistas aerbicas elevada sob condies transientes de disponibilidade de carbono. As condies de falta e excesso de substrato causam respostas dinmicas no metabolismo celular, levando a um crescimento desequilibrado, no qual o substrato consumido e armazenado nas clulas sob a forma de PHAs. Neste caso no ocorre sntese de biomassa ativa. Outros exemplos: panificao, produo de cerveja, fermentaes para produo de alimentos em geral. b) Uso de culturas isoladas: fabricao de iogurte. c) Culturas puras selecionadas: produo de cerveja por Saccharomyces cerevisae, fabricao de queijos mofados. d) Culturas puras geneticamente selecionadas: cultivares de milho e soja. So feitos a partir de cruzamentos entre plantas, os quais selecionam caractersticas especficas geneticamente. e) Culturas geneticamente alteradas: produo de insulina a partir de micro-organismos e algumas vacinas. 3. O que so estirpes GRAS? Quais so as vantagens e riscos de seu uso? So estirpes de microrganismos que possuem o status GRAS (Generally Recognized As Safe). Uma estirpe considerada GRAS apenas quando seu reconhecimento de segurana baseado na viso de especialistas qualificados do FDA. Esta considerao importante principalmente para micro-organismos utilizados na manufatura de produtos alimentcios e ingredientes. Vantagens: menores exigncias e custos para aprovao, no h necessidade de

medidas de preveno da disseminao do microrganismo, aceitao mais fcil no mercado. Desvantagens: pelo fato de se utilizar sempre o mesmo micro-organismo perde-se a oportunidade de melhorar a qualidade do produto a partir de modificaes deste microorganismo, limitando a diversidade do produto; alm disso, a produo do produto de interesse pelo micro-organismo perde a exclusividade, pois outras empresas podem conseguir a mesma estirpe. 4. Defina os grupos de risco definidos pela OMS para organismos no-GRAS, citando espcies usualmente classificadas em cada um deles. Grupo de risco 1 Baixo risco individual e comunitrio. improvvel que o microrganismo cause doenas em humanos ou animais. Ex.: E.coli. Grupo de risco 2 Risco individual moderado e comunitrio limitado. So patgenos que podem causar doenas em humano ou animais, porm com mnimas chances de oferecer riscos graves para comunidade e ambiente. Exposio laboratorial pode causar infeces graves, mas h tratamento efetivo e medidas preventivas disponveis e o risco de propagao limitado. Ex.: Salmonella. Grupo de risco 3 Alto risco individual e baixo comunitrio. So patgenos que podem causar doenas srias no homem, mas no passam de um indivduo a outro. Grupo de risco 4 Alto risco individual e comunitrio. Patgenos que geralmente causam srias doenas em animais e humanos, que podem ser transmitidas de um indivduo para outro. Ex.: vrus Ebola.

5. Pesquise por um artigo que relate o processo de desenvolvimento de um biofrmaco. Faaum resumo do mesmo, enfatizando os desafios biotecnolgicos, os custos e o tempo necessrio para o lanamento do produto.

Biofrmacos so substncias teraputicas homlogas ou que interagem com as protenas humanas. Possuem estrutura molecular complexa e, alm disso, o componente ativo heterogneo. So molculas difceis de caracterizar e de replicar. So elaborados utilizando-se matria-prima procedente de duas origens: componente ativo de origem biolgica, que extrado de microrganismos, rgos e tecidos de origem vegetal ou animal, clulas ou fluidos de origem humana ou animal; componente ativo de origem biotecnolgica, em geral, so protenas obtidas a partir de clulas modificadas geneticamente para produzi-las. Uma das diferenas entre os biofrmacos e os medicamentos qumicos convencionais a complexidade quimica. As molculas de um biofrmaco so muito mais pesadas, tm uma estrutura espacial mais complexa e so mais diversas que as molculas pequenas que compem os medicamentos tradicionais.

Depois da descoberta do potencial farmacutico de um determinado produto promove-se a aplicao de patente; em seguida faz-se a caracterizao do produto; testes pr-clnicos; aprovao regulatria em humanos; testes clnicos (dura em mdia seis anos) que possuem trs fases: fase I consiste de teste em pacientes saudveis, fase II consiste de testes de eficcia em pequena escala e de segurana em pacientes, fase III consiste de testes de eficcia em grande escala e de segurana em pacientes; submisso a autoridades regulatrias para aprovao do produto; licenciamento do produto para manufatura e marketing; disponibilizar o produto para venda. 6. O que a bactria Bacillus thuringiensis tem a ver com a indstria de inseticidas?A bactria Bacillus thuringiensis tem sido utilizada para o controle biolgico de pragas. Atualmente existem muitos bioprodutos desenvolvidos por indstrias a partir Bacillus thuringiensis. No Brasil, esse tipo de bioinseticida utilizado na agricultura para o controle de pragas, como insetos da ordem lepidptera. Alm disso, ele pode ser aplicado a uma ampla variedade de insetos em todo mundo. As formulaes de Bacillus thuringiensis esto entre os produtos biolgicos mais vendidos no mundo. Bacillus thuringiensis uma bactria gram-

positiva, aerbica, naturalmente encontrada no solo, se esporula em condies adversas, sintetizando protenas que se acumulam na periferia dos esporos, sendo altamente txicas e especficas. Os insetos, ao atacarem as plantas ingerem as protenas txicas, que ao chegarem ao intestino se ligam a receptores especficos, inibindo a absoro de nutrientes e causando lise osmtica a partir da formao de poros na membrana. 7. Faa um levantamento dos processos industriais de produo de aminocidos, enfatizandose o aminocido produzido por processo fermentativo e qual a tecnologia de produo. Existem trs processos industriais para a produo de aminocidos: hidrlise de protenas, em que a extrao feita a partir de hidrolisados de protenas. Ex.: obteno de Lcistena, L-cistina, L-leucina, L-asparagina e L-tirosina; sntese qumica, que apesar de ser mais simples e mais barata que a produo microbiana, o produto obtido uma mistura opticamente inativa dos ismeros D e L. Ex.: produo de D, L alanina, D, L metionina e D, L triptofano; produo microbiolgica, que pode ser utilizada na produo de glutamato, lisina, fenilalanina, aspartato, treonina e isoleucina, e pode ser realizada de trs maneiras: a primeira por fermentao direta para obteno de aminocidos utilizando diferentes fontes de carbono, como glicose, frutose, melao, hidrolisados de amido, n-alcanos, etanol, glicerol, acetato, propionato. As fermentaes que utilizam metanol como matria-prima tm baixo custo, porm apresentam baixo rendimento, sendo pouco utilizadas comercialmente; a segunda alternativa

por converso de produtos intermedirios baratos, via biossntese. Ex.: a glicocola, que barata, pode ser convertida em L serina; a terceira mediante o uso de enzimas ou clulas imobilizadas. As reaes mais comuns so do tipo: utilizao de aminoacilases especficas de Aspergillus oryzae para cortar seletivamente um D, L aminocido sintetizado quimicamente e quimicamente acetilado; podem produzir L aminocidos a partir de cetocidos, utilizando aminocidos desidrogenases. A desidrogenase mais utilizada uma enzima de cepas de Bacillus, como Bacillus megaterium. Produo de cido L-Glutmico: produzido por bactrias, como Corynebacterium glutamicum, que convertem cerca de 100 g/L de glicose em 50 g/L de cido L-glutmico em poucos dias, e bactrias dos gneros Brevibacterium, Microbacterium ou Arthrobacterium. O precursor-chave do cido glutmico o -cetoglutarato que se forma no ciclo de Krebs via citrato e isocitrato, e logo se converte em cido L-glutmico por aminao redutiva com ons NH4+ livres. O cido L-glutmico, tambm conhecido como glutamato monossdico (GMS) , do ponto de vista comercial, o aminocido mais importante, sendo obtido exclusivamente por fermentao e amplamente consumido como aditivo alimentar ou realador de sabor em alimentos. Produo de L-Lisina: tem sido produzida apenas por bioprocessos usando bactrias corineformes. Os mutantes de Corynebacterium e Brevibacterium tm sido eficientes produtores de L-Lisina (os tipos selvagens destes organismos no secretam lisina). A L-lisina sintetizada pela via do cido diaminopimlico (DAP) ou pela via do cido aminoadpico, entretanto o micro-organismo utiliza somente uma das alternativas. O DAP pode ser sintetizado a partir do aspartato por trs vias diferentes, identificadas em bactrias. Das seis enzimas que convertem aspartato em lisina, a aspartato quinase e a dihidrodipicolinato sintase so as responsveis pelo controle do fluxo metablico nesta via biossinttica. Pela superexpresso combinada destas duas enzimas possvel aumentar a secreo de lisina em cerca de 10-20%. Os genes diretamente envolvidos na sntese de L-lisina so os alvos principais em estudos para otimizao do processo de fermentao, e a maioria destes genes j foi identificada em C. glutamicum. Na produo industrial de lisina, os acares presentes no melao de cana tm sido primariamente usados como fonte de carbono; acetato, etanol ou alcanos tambm podem ser usados. Sais de amnia so usados como fonte de nitrognio. Fatores de crescimento como L-homoserina ou Ltreonina e L-metionina devem ser adicionados ao meio. 8. O que so pcbs? Como esses compostos podem ser removidos de solos contaminados? PCBs (bifenil policloradas) so compostos obtidos a partir do bifenilo com a substituio de 1 a 10 hidrognios por cloro, podendo formar vrios compostos. So poluentes no biodegradveis perigosos para a sade humana, podendo se acumular ao longo das cadeias

trficas. A remoo destes compostos pode ser feita a partir de microrganismos com potencial de degradao de PCBs, atravs da biorremediao. 9. Voc acha possvel utilizar microrganismos para o tratamento de solos contaminados com metais pesados? Convena-me com um exemplo. Eu acho possvel a utilizao de micro-organismos para o tratamento de solos contaminados com metais pesados. Os micro-organismos podem promover a oxidao e reduo de metais ou transform-los em formas orgnicas, resultando em compostos menos txicos, podendo ainda precipit-los ou torn-los volteis. 10. Explique as oito caractersticas desejveis em culturas microbianas de interesse industrial. 1. Estabilidade gentica: a cultura deve se replicar e dar origem a clulas idnticas s parentais. Esta estabilidade gentica garante que a replicao do DNA durante a mitose originar clulas com caractersticas genticas idnticas as das clulas originais. 2. Produo eficiente do produto de interesse e rota de produo bem conhecida: para que a produo do composto desejvel seja vivel em termos de tempo e lucratividade, a produo deve ser eficiente. necessrio conhecer bem a rota de produo para control-la em caso de interferentes, inibidores e contaminantes ou at mesmo induzir a formao de mais produtos. 3. Crescimento no-estringente: a cultura no pode ser dependente de muitos parmetros, pois, pode levar a um aumento dos custos para suprir as necessidades da cultura, inviabilizando o processo. 4. Facilidade de ser manipulado geneticamente: o microrganismo pode ser manipulado geneticamente com o objetivo de aumentar a produtividade do composto desejado, se tornar mais resistente, ou at mesmo suprimir a formao de inibidores ou contaminantes. 5. No patognico e no toxignico: a cultura no deve ser patognica e nem toxignica para no causar danos s pessoas que trabalham diretamente com ela e aos consumidores do produto. 6. Facilidade de separao do meio de cultura: maior rendimento e menor custo nos processos de separao do prouduto de interesse. 7. Facilidade de lise mecnica, qumica ou enzimtica: se o produto de interesse for intracelular a clula precisa ser lisada. Do ponto de vista industrial desejvel que esta lise seja feita por mtodos mais simples. 8. Produo de poucos produtos secundrios e agentes espumantes: produtos secundrios podem dificultar o processo downstream, aumentando os custos e podendo interferir na produtividade. Agentes espumantes podem desnaturar o produto de interesse, atuar como inibidor.

11. Procure por artigos cientficos ou teses em que tenham sido usadas algumas das tcnicas descritas para o melhoramento de estirpes microbianas.

Estratgias para o melhoramento de estirpes: crescimento em cultura contnua (permite a seleo de organismos estveis geneticamente, aumento do , resistncia a agentes txicos), otimizao do meio de cultura e choque trmico ou cido. Alm disso, h estratgias moleculares como knockout de genes indesejados, silenciamento e desregulao. http://www.scielo.br/pdf/abem/v48n5/a05v48n5.pdf

12. Compare as vantagens e desvantagens de hospedeiros procariticos e eucariticos. Os hospedeiros procariotos possuem como vantagens: facilidade de manipulao gentica; resistncia a contaminao, devido a sua rpida proliferao; uma grande parte desses microrganismos capaz de excretar produtos desejados para o meio, facilitando o downstream. Os hospedeiros procariotos possuem como desvantagens: se o gene for transferido diretamente de um eucarioto para um procarioto pode resultar em problemas devido presena de introns nos eucariotos (mas o mRNA pode ser utilizado para sintetizar um gene); instabilidade de certos produtos de genes dentro do hospedeiro pode conduzir a uma rpida degradao por proteases; dobramentos incorretos de polipeptdeos pode gerar molculas inativas, que podem se acumular e formar corpos de incluso dentro da clula, principalmente em Gram (-); dificuldade de propiciar modificaes ps-traducionais de protenas, como dobramento e glicosilao. Os hospedeiros eucariotos possuem como vantagens: alguns podem realizar modificaes ps-traducionais similares as que ocorrem nas clulas humanas; possuem promotores muito fortes, o que induz a expresso do gene. Os hospedeiros eucariotos possuem como desvantagens: mais difcil a manipulao gentica; o rendimento do produto relativamente baixo, cerca de 1-5% do total de protenas e algumas ficam retidas dentro do periplasma; sensibilidade a contaminaes bacterianas, por essa se reproduzir em maior velocidade; problemas de secreo de protenas porque muitas ficam retidas no periplasma, tornando o downstream mais trabalhoso.