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Microbiologia e Biotecnologia Industrial - ifsc.usp.brilanacamargo/FFI0740/aula1.pdf · Libera...
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23/02/2018
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Profa Dra Ilana L. B. C. CamargoCiências Físicas e Biomoleculares
IFSC - USP
Microbiologia e Biotecnologia Industrial
FFI 0740
www.ifsc.usp.br/~ilanacamargo
1 – Descobertas e evolução
2 – Procarioto x Eucarioto
3- Crescimento dos microrganismos
4 – Microbiologia Industrial
5 – Biotecnologia
6- Disciplina
Microbiologia e Biotecnologia Industrial
FFI 0740
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1. Descobertas e evolução
Microbiologia
1665 - Robert Hooke – Microscópio simples – Células - Início da Teoria Celular
1673 – 1723 – Antoni van Leeuwenhoek
Microrganismos vivos - Cartas para Sociedade Real de Londres – Animáculos
Origem da Matéria morta – Teoria da Geração Espontânea
Larvas de Moscas, insetos – corpos em decomposição (!)
Origem de células vivas preexistentes - Teoria da Biogênese
1861 – Louis Pasteur – microrganismos presentes no ar!! Na matéria não viva:
sólidos, líquidos, ar. Vida microbiana é destruída pelo calor!!
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1929 – Alexander Fleming e a penicilina
Penicillium
Penicillium x Staphylococcus
15 de Fevereiro de 2001
2001 – Primeiro genoma humano
16 de Fevereiro de 2001
J Craig Venter et al, 2001International Human Genome Sequencing Consortium et al., 2001
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Outubro de 2007 Dezembro de 2007
Watson & Crick – 1953Estrutura do DNA
Wheeler et al. (2008) The complete genome of an individual by massively parallel DNA sequencing.
Nature 452, 872-876 (17 April 2008)
“James Watson -primeiro genoma
individual sequencia
do por menos de
US$ 1 milhão”
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https://www.genome.gov/images/content/costpergenome2015_4.jpg
the cost of sequencing a human-sized genome
2. Procarioto x Eucarioto
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Origens
Procariotos
1
2
3
4
5 6
7
10
8
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Composição da parede celular das bactérias
Curva de crescimento
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Plasmídeos – elementos de DNA móveis que não são essenciais
para a vida do microrganismo, mas que traz vantagens
Procariotos - bactéria
Plasmídeos de 70 kb – grandes3.5 kb - pequenos
enovelado
- Genes de virulência ou deresistência às drogas,
- Origem de replicação para produzircópias que passam para célulasfilhas na divisão celular ou paraoutra célula através da conjugação,
- Integrativos que se inserem nocromossomo bacteriano ou não
Conjugação
Plasmídeos
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Resistência aos antimicrobianos
Eucariotos Fungos AnimaisPlantas
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Fungos filamentosos e leveduras
Eucariotos – Núcleo, Ribossomo 80S, mitocôndria
Parede celular complexa: quitina, manana, glucano
Podem ser:
-Filamentosos (hifas) – septadas- Não-septadas
- Leveduriformes - unicelulares
Fungos Dimórficos
Estruturas
Macroconídios
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Fungos Dimórficos
Blastomyces dermatitidis
- Possuem mais de um cromossomo.
- Cada cromossomo possui um número característico de genes.
A quantidade de DNA chega a ser 4 a 100 vezes maior que a quantidade de DNA presente em E. coli, dependendo do
organismo.
Eucariotos
• Célula animal tem DNA nuclear e DNA mitocondrial
• Célula vegetal tem DNA nuclear, DNA do cloroplasto e DNAmitocondrial
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Fluxo da informação genética em eucariotos e procariotos
Ilana Camargo
•Cromossomo contém somenteuma cópia dos genes.
•Poucos genes como os rRNAestão repetidos várias vezes nogenoma.
•Em geral, quase todos os genessão precisamente colineares coma sequência de aminoácidos oqual ele codifica (há uma exataequivalência entre a sequência denucleotídeos do gene e asequência de aminoácidos daproteína).
Procariotos - bactéria
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Transcrição e tradução em bactérias
5´3´
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/M/Miller_Hamkalo.htmlhttp://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/fig1348a.jpg
Procariotos
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Eucariotos
Capeamento
Poliadenilação
Splicing e splicing alternativo em eucariotos
Splicing alternativo:
Importante mecanismo para produção de diferentes formas de
uma proteína (isoformas)
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Características Procariotos Eucariotos
Estrutura nuclearMolécula de DNA
circular sem proteínas
Complexo de DNA e proteínas básicas
Localização da estrutura nuclear
Aglomerado denso de DNA do citoplasma,
sem membrana nuclear ou núcleo
equivalente
Núcleo cercado por membrana nuclear
DNANucleóide e plasmídeos
Nuclear e mitocondrial
CitoplasmaSem mitocondria, e
sem retículo endoplasmático
Mitocôndria e retículo endoplasmático
Ribossomo 70S 80S
Parede celular
Geralmente paredes rígidas com camadas de mureína (exceção:
Mycoplasma)
Presente somente em fungos: glucana, manana, chitina,
chitosana e celulose
ReproduçãoAssexual, por fissão
binária
Na maioria dos casos sexual,
possivelmente assexual
Diferenças Procariotos x Eucariotos
3. Crescimento dos microrganismos
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Condições físicas para o cultivo dos microrganismos
1. Temperatura;
2. pH;
3. Pressão osmótica;
4. Atmosfera gasosa.
Cultivo bem sucedido depende de uma combinação de
nutrientes apropriados e de uma condição física apropriada.
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos
Fatores que influenciam a atividade enzimática:
1.Temperatura; A altas temperaturas, as enzimas sofrem desnaturação e
perdem suas propriedades catalíticas; A baixas temperaturas, a taxa de
reação diminui
2. pH; pH no qual a atividade enzimática é máxima é conhecido como pH ótimo.
3. Concentração do substrato; Dentro de limites, a atividade enzimática
aumenta com o aumento da concentração do substrato.
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1. Temperatura
Todos os processos de crescimento são dependentes de reações
químicas que são afetadas pela temperatura.
Os microrganismos podem crescer em uma faixa de
temperatura muito grande. Esta variação pode maior para
alguns microrganismos do que para outros.
Ex.: Bacillus subtilis – 8 a 53ºC – variação de 45ºC!
Neisseria gonorrhoeae – 30 a 40ºC – variação de 10ºC!
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
Temperatura
(Tortora, Funke & Case, 2000)
1 e 2 - Encontrados no oceano ou regiões polares;3- Patogênicos – temperatura corpórea;4 e 5 - Encontrados em áreas vulcânicas, mistura de fertilizantes eem nascentes quentes.
temperatura ótima
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2. pH
Melhor crescimento dentro de variações pequenas de pH sempreperto da neutralidade, entre pH 6,5 e 7,5.
Bactérias acidófilas – tolerantes altos graus de acidez.
A alcalinidade também inibe o crescimento microbiano.
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
Isto explica como picles e queijos não deterioram, pois
contém muitos ácidos produzidos durante a fermentação
bacteriana.
3. Pressão osmótica
A água traz nutrientes para os microrganismos;
Cerca de 80 a 90% do conteúdo celular dos microrganismos é água;
Solução de [sal] (hipertônica) – passagem da água de dentro
para fora da célula: plasmólise ou diminuição (encolhimento) da
membrana plasmática da célula.
Inibição do crescimento no momento em que a membrana
plasmática se separa da parede celular.
Preservação de alimentos!!!
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
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http://www.fathom.com/course/21701753/21701753-psa.jpg
4. Atmosfera
Gases atmosféricos apropriados para que as bactérias sejam
cultivado com sucesso.
O oxigênio e o dióxido de carbono - gases principais que afetam
o crescimento dos microrganismos:
CO2 é utilizado por todas as células para certas reações químicas
O2 é requerido por uns e para outros é tóxico.
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
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Exigências nutricionais
Elementos químicos essenciais:
-Carbono; - Enxofre;
- Nitrogênio; - Fósforo.
- Hidrogênio;
-Oxigênio;
Elementos químicos como nutrientes
Necessários para síntese
Funções normais dos componentes celulares
Compostos Orgânicos - Glicose
Inorgânicos - CO2
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Energia
Processo de degradação de substratos
e conversão em energia utilizável
Catabolismo
Processo de utilização de energia
na síntese de constituintes
celulares
Anabolismo
Metabolismo microbiano
Carboidratos
Lipídios
Proteínas
Catabolismo
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Catabolismo de Carboidratos - Glicose
Carboidrato padrão
Produz energia e outros substratos utilizáveis.
As bactérias degradam a glicose em etapas distintas para
permitir que a energia seja captada em formas aproveitáveis!
Têm a capacidade de produzir energia a partir da
glicose através dos processos de fermentação ou
respiração anaeróbia (ambos na ausência de
oxigênio) ou respiração aeróbia, por ordem de
eficácia crescente.
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Os metabólitos são convertidos por uma ou mais
vias num intermediário comum universal:
O Ácido Pirúvico
Carbonos são encaminhados para:
• Produção de energia;
• Síntese de novos carboidratos;
• Aminoácidos;
• Lipídios;
• Ácido nucléico;
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Metabolismo da Glicose
Ciclo do Ácido Tricarboxílico
Principais funções:
1) Principal mecanismo de produção de ATP
2) Atua como via comum final para a oxidação completa de
aminoácidos, ácidos graxos e carboidratos;
3) Fornece intermediários-chaves (alfa-cetoglutarato,
succinil CoA, oxaloacetato) para a síntese final de
aminoácidos, lipídios, purinas e pirimidinas.
Cadeia de Transporte de elétrons
Respiração aeróbia – O2 é o aceptor final de elétrons
Respiração anaeróbia – substância diferente do O2 é o aceptor final de elétrons
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Respiração anaeróbia
Quantidade de ATP gerada varia com o microrganismo e a via;
Rendimento mais baixo que respiração aeróbia:
✓ Grande parte do ciclo de Krebs não funciona sob condições anaeróbias;
✓ Nem todos os transportadores participam da cadeia de transporte de elétrons.
Crescimento mais lento!!
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Fermentação
✓ Libera energia de
açúcares ou moléculas
orgânicas;
✓ Não requer oxigênio;
✓ Não requer ciclo de
Krebs ou cadeia
transportadora de
elétrons;
✓ Utiliza molécula
orgânica como aceptor
final de elétrons.
Transferência de elétrons
(Tortora, Funke & Case, 2000)
Produtos finais da Fermentação
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Dois principais processos:
Fermentação do Ácido Lático
StreptococcusLactobacillus
Fermentação Alcoólica
Algumas bactérias, mas a fermentação alcoólica mais conhecida é a da leveduraSaccharomyces
Oxidação
Redução
(Tortora, Funke & Case, 2000)
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Utilização da Energia - Biossíntese
Biossíntese de Compostos Nitrogenados
Biossíntese de Carboidratos
Biossíntese de lipídios
Fixação de nitrogênio - Aminoácidos, Proteínas, Nucleotídeos e ácidos nucléicos
Fixação de CO2 -- Triose, pentose, hexoses, nucleotídeos e polissacarídeos
Biossíntese de fosfolípides e ácidos graxos de cadeia longa
Conhecendo o metabolismo microbiano para
saber controlar o crescimento dos
microrganismos e aproveitar seus produtos
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Utilização da Energia - Biossíntese
Pelczar Jr. et al., Microbiologia e aplicações, 2 ed., Makron Books, 1996
4. Microbiologia Industrial
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Uso dos microrganismos – Pão e vinho
Microbiologia Industrial
Microrganismos larga escala
Produtos de valor comercial
(Produtos farmacêuticos = antibióticos)
Importantes transformações químicas
(Produção de cerveja e vinho)
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Processos microbiológicos industriais correspondem à
otimização de reações metabólicas já realizadas
naturalmente por microrganismos.
Objetivo na Microbiologia Industrial:
Superprodução do composto de interesse
Microbiologia Industrial
Início – fermentação de cerveja e vinho
Depois – Síntese de produtos farmacêuticos (Antibióticos)
- Aditivos alimentares (aminoácidos)
- Enzimas
- Compostos químicos (butanol e ácido cítrico)
Processos otimizados a partir de reações metabólicas já
realizadas naturalmente por microrganismos
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5. Biotecnologia
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Uma nova era – Biotecnologia
Métodos de manipulação genética permitiram a geração de
novos produtos microbianos, muitos dos quais não são
produzidos naturalmente por microrganismos
Manipular DNA e inserí-lo em um
microrganismo visando sua
expressão!
Proteínas de mamíferosNovas vacinasHormôniosEnzimas
O que é Biotecnologia??
1 - Aplicação de processos, sistemas ouorganismos biológicos para manufatura eserviços industriais.
5- Ciência dos processos de produção baseados na ação de microrganismos e seus componentes ativos e dos processos de produção envolvendo o uso de células e tecidos de organismos superiores.
2- O uso integrado de bioquímica,microbiologia e ciências da engenhariapara adquirir capacidade de aplicaçõestecnológicas (industriais) demicrorganismos, cultura de células etecidos.
3- Uma tecnologia usando fenômenobiológico para copiar e produzir váriostipos de substâncias úteis.
4- Aplicação de princípios científicos e deengenharia para o processamento demateriais por agentes biológicos paraproduzir bens e serviços.
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Principais objetivos do Biotecnologista:
Inovar, desenvolver e otimizar o processo no qual a catálise
bioquímica tem um papel fundamental e insubstituível.
Biotecnologistas precisam trabalhar em cooperação com
experts de outros campos como medicina, nutrição,
indústrias químicas e farmacêuticas, proteção ambiental e
tecnologia de processamento de resíduos
Precisam entender o potencial assim como as limitações de
outras áreas!!
Para produzir o mesmo produto, porém:
em menor tempo
em maior quantidade
gastando menos
Produto da Biotecnologia pode não ser visto como “novo”
No entanto, o processo de produção pode ter sido alterado!!
Mas por que alterar o processo de algo que eu já consigo
produzir?
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O que é Biotecnologia??
Enfim, Biotecnologia, em sua essência implica no uso de
microrganismos, células de animais e plantas ou enzimas
para sintetizar, quebrar ou transformar materiais.
Novos processos biotecnológicos irão, em muitos casos, funcionar a
baixas temperaturas, consumirão menos energia e se basearão
principalmente no uso de substratos mais baratos para a biossíntese
Indústrias dependem da biotecnologia para desenvolvimento de
novos produtos e vantagem competitiva
6. Disciplina
-Escolha dos Microrganismos
-Estágios no processo produtivo
-Sistemas de expressão
-Biorreatores
-Processos pós-fermentação
- Visitas técnincas
Microbiologia e Biotecnologia Industrial
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Referências
Manual de criopreservação Nunc – ver site da disciplina
Capítulo 3 - Genetics and biotecnology (John Smith Biotechnology)
– ver site da disciplina
Prescott, Harley and Klein. 2002 Microbiology, 5th edition, The McGraw-Hill (Chapter 42- Biochemistry - Industrial Microbiology And Biotechnology) – ver site da disciplina
Schmidell W, Lima UA, Aquarone E, Borzani W. Biotecnologia
Industrial: Engenharia Bioquímica. Volume 2. Ed Edgard Blücher
LTDA, São Paulo, 2001. Cap. 2.