Graduação em Biotecnologia Disciplina de Biotecnologia Microbiana II

Microrganismos na produção de poliésteres e polissacarídeos

Michele Pepe Cerqueira [email protected]

31 de maio de 2011

Poliésteres

Categoria de polímeros que contém o grupo funcional éster em sua cadeia principal. Dos poliésteres sintéticos (plásticos) pode-se destacar o policarbonato politereftalato de etila (PET).

e especialmente o

Polissacarídeos

Os polissacarídeos são macromoléculas formados pela união de muitos monossacarídeos. Podem ser hidrolisados em polissacarídeos menores, assim como em dissacarídeos ou monossacarídeos mediante a ação de determinadas enzimas.

POLIÉSTERES BACTERIANOS

Plásticos

• Produção plásticos no Brasil  2.000.000

toneladas/ano – 2% produção mundial País Brasil EUA Europa Japão Consumo de resinas plásticas (kg/hab.ano) 10 70 46 54

Problemas associados aos plásticos

• Descartabilidade muito rápida • Dificuldade de degradação no ambiente • Relação custo x benefício da reciclagem • Uso de recursos não renováveis como matéria prima

Alternativas

• Incorporação de materiais biodegradáveis – Amido, polietileno aditivado com amido • Plásticos fotodegradáveis Fotossíntese CO 2 atmosférico Biodegradação Produtos agrícolas Plásticos biodegradáveis

Plásticos biodegradáveis

• Apresentam propriedade termoplásticas • Características de desempenho semelhantes aos plásticos convencionais • Facilmente microrganismo degradado no biodegradabilidade pela ação ambiente dos – • Exemplos: polilactato, poliglicolato, poli-e caprolactona (PCL), álcool polivinílico (PVOH), polihidroxialcanoatos (PHAs)

Polihidroxialcanoatos (PHAs)

• Grupo diversificado de poliésteres acumulados por inúmeras bactérias – Exemplos:

poli-3-hidroxibutirado (PHB)

, poli-3 hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato (P3HB-co-3HV) • São termoplásticos biodegradáveis • Sintetizados por fermentação submersa a partir de matérias-primas renováveis – Matérias-primas derivadas da agricultura

Polihidroxialcanoatos (PHAs)

• Polímeros acumulados na forma de grânulos intracelulares – Grânulos: reserva de carbono e energia • Até 80% da massa seca celular • Síntese de PHA: ocorre quando há excesso de carbono e energia e limitação de algum nutriente (N, P, Mg, Fe) • Formados por 90 monômeros diferentes • Bactéria deve apresentar PHA sintase • Podem ser eficientemente produzidos em OGM coli ) (ex: E.

PHAs sintetizados por bactérias

Bactérias Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Alcaligenes eutrophus Pseudomonas oleovorans Pseudomonas oleovorans Pseudomonas oleovorans Pseudomonas oleovorans Pseudomonas putida Rhodospirillum rubrum Rhodococcus sp.

Haloferax mediterranei Burkholderia sp.

Substratos Frutose Ácido propiônico 1,5 – pentanodiol 1,4-butanodiol 5-clorovalerato Ácido octanóico Ácido nonanóico Octeno Ácido 7-metil-octanóico Ácido 4-hidroxihexanóico Ácido 4-pentenóico Frutose Amido Ácido glicônico Monômeros 3HB 3HB, 3HV 3HB, 3HP 3HB, 4HB 3HB, 3HV, 5HV 3HHx, 3HO, 3HD 3HHx, 3HHp, 3HO 3HHx, 3HO 7Me3HO, 5Me3HHx 3HB, 3HHx e 4HHx 3HB, 3HV 3HB, 3HV 3HB, 3HV 3HB, 3HP

• • • • • •

Microrganismos - PHAs

Alcaligenes sp.

• Bactéria gram-negativa, aeróbicas Pseudomonas sp.

• Bactéria gram-negativa, aeróbia, baciliforme Rhodospirillum sp.

• Bactéria gram-negativa, anaeróbia facultativa Rhodococcus sp.

• Bactérias aeróbicas, não-esporulantes, não móveis, Gram positivas Haloferax sp.

• Halófilos de ambientes extremamente salinos Burkholderia sp.

• Bacilos retos, gram-negativos, oxidase e catalase positivos

Aplicações - PHAs

• Filmes para embalagem • Plásticos convencionais • Fios de sutura cirúrgica • Implantes ósseos • Fármacos de liberação lenta • Produtos de liberação de reguladores de crescimento de plantas • Produtos de liberação de pesticidas

Polihidroxibutirado (PHB)

• O principal representante dos PHAs • Possui propriedades físicas e químicas semelhantes ao polímero sintético (PP) • Formado em monômeros de hidroxibutirato biodegradável • São sintetizados no interior de bactérias e armazenados no citoplasma em grânulos

PHB

• Desafios para produção custos  redução dos – Obtenção de linhagens altamente eficientes na conversão dos substratos em produtos – Utilização de substratos de baixo custo – Desenvolvimento de processos que permitam explorar ao máximo o potencial da linhagem – Desenvolvimento de processos de extração purificação

Biodegradação - PHAs

Polissacarídeos

Polissacarídeos

• Macromoléculas molar (carboidratos) de alta massa • Ex: amido, alginatos, goma arábica, goma guar e goma algaroba • Normalmente obtidos de produtos vegetais e de algas marinhas • Aplicação na indústria farmacêutica e química de alimentos,

Polissacarídeos - Exemplos

• Xantana • Escleroglucana • Zanflo • Gelana • Goma PS-7 • Curdlana • Alginato bacteriano • Dextrana • Glucanas de leveduras de panificação

Polissacarídeos microbianos Vantagens

• Propriedades similares aos tradicionais • Produção independente das condições climáticas, contaminação marinha, falha nas colheitas • Utilização matérias-primas regionais • Menos qualidade suscetíveis a variabilidade na

Polissacarídeos microbianos

• LPS – lipopolissacarídeos  constituintes PC • CPS – polissacarídeos covalentemente PC Marcadores biológicos capsulares  • EPS – exopolissacarídeos extracelular  secretado Alimentícia, farmacêutica, petrolífera, cosmética, têxtil, tintureira

Características - EPS

• São polissacarídeos de cadeia longa • Provenientes de leveduras e fungos bactérias, • Superfície celular microbiana • Aderência em superfícies sólidas • Formação de biofilmes microalgas,

Aplicações - EPS

• Espessantes • Estabilizantes • Emulsificantes • Coagulantes • Formadores de filmes • Gelificantes • Agentes de suspensão • Dispersantes • Lubrificantes Beneficios à saude – bactérias láticas • Atividade estimulatória imuno • Atividade tumoral anti • Reduzir níveis de colesterol

Aplicações - EPS

Função

Estabilizador, agente de suspensão e dispersante Espessante Agente formador de filmes Agente de retenção de água Coagulante Colóide Lubrificantes Outros

Uso (%)

25 23 17 12 7 6 5 5

Aplicação de goma na indústria de alimentos

Propriedade

Aumento de viscosidade Formação de géis Ligação de água Inibição de cristalização Tensoativo Formação de filmes Reatividade com proteínas Mistura de propriedades

Função

Espessante, suspender sólidos, estabilizar emulsões Formar géis, suspender sólidos Afetar solubilidade, facilitar a secagem, facilitar a precipitação, evitar a separação Melhorar textura, melhor transparência, induzir maciez Melhorar a formação de espumas, melhorar emulsões, estabilizar espumas Fixar aromas, encapsulação Suspender sólidos, melhorar textura, estabilizar espumas, evitar separação de soros Evitar mascaramento de aromas, melhorar clarificação, promover floculação

EPS - Microrganismos

• Xantana – Xanthomonas campestris • Dextrana – Leuconostoc mesenteroides • Curdlana – Alcaligenes faecalis • Gelana – Sphingomonas paucimobilis

EPS – Síntese e cultivo

• Extração, purificação – processos simples • Produtividade elevada • Custos de produção – dependente substratos • Glicose, sacarose  fontes C preferenciais • Fontes alternativas: melaço, resíduo soja • Produção em todas fases de desenvolvimento • pH  influência na atividade de enzimas (glicosil-hidrolases) • Temperatura ótima – 25 a 45°C

EPS - Rendimento

• Obtenção de mutantes (recombinação gênica) • Uso de tecnologia de DNA recombinante (inserção de genes específicos) • Desenvolvimento e seleção de meios de cultivo • Maximizar produção, minimizar custos • Desenvolvimento de condições e sistema de cultivo mais adequadas

Goma Dextrana

• Polissacarídeo extracelular • D-glucopiranosil • Síntese ocorre extracelularmente – Subtrato é transformado sem penetrar na célula • Enzima sacarose dextrana-sacarase, – Enzima atua no meio de cultura presença de • Bactéria envolvida: Luconostoc mesenteroides

Síntese - Dextrana

Crescimento do microrganismo Síntese e excreção de dextrana-sacarase Síntese de dextrana pela ação da enzima Precipitação dextrana por metanol/etanol

Aplicações - Dextrana

Área

Alimentícia Biomedicina Fotografia Farmacêutica Veterinária

Uso

Estabilizante e agente de viscosidade Agentes de contraste para imagiologia Emulsões de prata para revelação Componentes de géis em colírios, anticoagulantes Estabilizantes

Goma Gelana

• Polissacarídeo de cadeia linear, formado por glicose, ramnose e ácido glicurônio • Gel termorreversível quando sofre alteração de temperatura • Boa estabilidade – pH e calor • Produção relacionada ao crescimento do microrganismo • Sphingomonas paucimobilis, Pseudomonas elodea

Aplicações - Gelana

Área Uso

Alimentícia Microbiologia Papel Farmacêutica Retenção de umidade, estabilidade geléias, iogurtes, produtos gelados Substituição do ágar, maior pureza e translucidez Resistência interna do papel e melhor impressibilidade Pílulas, cápsulas e produtos de higiene pessoal

Goma Curdlana

• Goma de cadeia linear, unidade ß-D-glicose • Características variam de acordo com grau de acetilação • Alcaligenes faecalis, Agrobacterium radiobacter • Produz gel termorreversível quando submetidos a calor/frio – Gel low-set (50-60°C) – Termorreversível; similar a agar-agar e gelatina – Gel high-set (≥80°C) • Firme, resistente, não termorreversível, estabilidade em ampla faixa de temp. congelamento

Aplicações - Curdlana

Área

Alimentícia Farmacêutica

Uso

Modificador de textura, melhorando a retenção de água (hambúrguer –maciez e textura; sorvete - viscosidade Medicamentos contra infecções viróticas e bacterianas, agente anticoagulante e antitrombótico

Goma Xantana

• Constituída por glicose, manose e ácido glicurônico • 30% das ramificações possuem um grupo piruvato carregado • Sua estrutura altamente ramificada e alto peso molecular  confere alta viscosidade • Completamente atóxica, usada como aditivo de alimentos • Boa estabilidade em ampla faixa de pH e T • Xanthomonas sp.

Síntese - Xantana

• Necessita elevada aeração e agitação • Condições: pH neutro, temperatura 28°C • Metabólico secundário, acumulação inicia após cessar o crescimento bacteriano • Maior quantidade de carbono produto  acúmulo de • Tempo de fermentação 48-96 horas • Produção industrial: Rousselot-Satia, Kelco, Pfizer, Mero-

Aplicações - Xantana

Área

Alimentícia Higiene Agricultura Petrolífera

Uso

Controlar viscosidade, textura, retenção de aromas, suspensão de sólidos e estabilização de emulsões Suspensão e espessante de pasta de dente, desodorantes em gel Suspensão de compostos químicos Aumento da recuperação de petróleo

Polissacarídeos microbianos

• Possuem uma grande e crescente importância no mercado • Larga aplicabilidade na industria de alimentos, industria petrolífera, farmacêutica, têxtil, tintas • Importância da pesquisa: descoberta de novos biopolímeros e otimização de processos de produção