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Profa Dra Ilana L. B. C. CamargoCiências Físicas e Biomoleculares

IFSC - USP

Microbiologia e Biotecnologia Industrial

FFI 0740

ilanacamargo@ifsc.usp.br

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

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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.