Aplicações Biotecnológias de bacterias

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Aplicações Biotecnológias 
das Bactérias
Principal Bibliografia:
Elisabete José Vicente. 
Melhoramento genético bacteriano, Cap. 8, 
In: Recursos Genéticos & Melhoramento. Embrapa Meio Ambiente.
Tabela 1: Arranjo do DNA cromossomal de alguns organismos:
DNA plasmidialDNA cromossomalNº genestamanho (pb)
Bactéria
fita dupla, circular4800,58.106Mycoplasma genitalium
fita dupla, circular1.7431,83. 106Haemophilus influenzae
Vários circularesfita dupla, circular4.2884,67. 106Escherichia coli
vários linearesfita dupla, linear1,3. 106Borrelia burgdorferi
duas fitas duplas lineares4,3. 106Rhodobacter sphaeroides
alguns circulares16 cromossomos lineares5.8851,2. 107Saccharomyces cerevisiae
46 cromossomos lineares
(célula diploide)
60-100.0003,2, 109Homo sapiens (homem)
AS LINHAGENS BACTERIANAS DISPONÍVEIS
O manual Bergey – Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology”, 2ª ed., 1992 –
é um compêndio com informações
clássicas e moleculares de todas as espécies procarióticas 
conhecidas de autoridade mundialmente reconhecida, com 4 volumes:
Volume I : bactérias Gram negativas de importância médica ou industrial;
Volume II: bactérias Gram positivas de importância médica ou industrial;
Volume III: bactérias Gram negativas restantes, Archaeae e cyanobactéria
Volume IV: bactérias Gram positivas esporuladas e formadoras de filamentos 
(Actinomycetos )
Algumas coleções de culturas bacterianas
EndereçoNomeSigla
http://www. cct.org.br/
R. Latino Coelho, 1302, Campinas, SP, 
13087-010
Fundação Tropical de Pesquisa e Tecnologia
“André Toselo”
CCT
http://www. atcc.org/
1081 University Boulevard, Manassas, VA,
USA, 20110-2209
American Type Culture CollectionATCC
http://nrrl.ncaur.usda.gov/
National Center for Agricultural Utilization
Research. 1815, N. University Street, Peoria,
Illinois, 61604
Agricultural Research Service Culture CollectionARL (NRRL)
http://cgsc.biology.yale.edu/cgsc.html/E. coli Stock Center DatabaseCGSC DB
http://www.dsmz.de/
Mascheroder Weg 1b, D-38124,
Braunschweig, Germany
Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und
Zellkulturen GmbH
DSMZ
http://phls.co.uk/
Central Public Health Laboratory. 61,
Colindale Avenue, London, NW9 5HT
National Collection of Type Cultures and
Pathogenic Fungi
NCTC -
PHLS
O MELHORAMENTO GENÉTICO
- melhoramento genético tradicional ou clássico 
-melhoramento genético por técnicas de 
biologia molecular
Linhagens Produção de penicilina (U/mL)
Linhagem de Fleming
NRRL-1951 100
(espontâneo)
B25 250
(radiação X)
X-1612 500
(radiação UV)
Q-176 900
(radiação UV)
BL3-D10 900 (não pigmentada)
linhagem atual em uso 50.000
Melhoramento genético de P. chrysogenum visando a produção de penicilina
-eliminação de metabólicos tóxicos;
-eliminação de co- metabólicos problemáticos no processo “downstream”;
-aumento do espectro de utilização de fontes de carbono;
- habilidade de degradar materiais residuais complexos;
-maior estabilidade genética das células hospedeiras recombinantes (Miroux 
& Walder, 1996 
- Aumento de produção de antibióticos;
-- Aumento da produção de enzimas;
-O TOTALMENTE NOVO Ex.: Plástico biodegradável
O MELHORAMENTO GENÉTICO
CONSTRUÇÃO DE MOLÉCULAS DE DNA RECOMBINANTES 
EcoR I - isolada da bactéria Escherichia coli RY13
Eco
gênero R I
e espécie (em itálico) linhagem, primeira enzima deste tipo
(sem itálico)
CONSTRUÇÃO DE MOLÉCULAS DE DNA RECOMBINANTES 
Tabela 4: Exemplos das características de algumas enzimas de restrição
produtopb reconhecidos
(números)
seqüência de DNA
alvo de digestão
bactéria onde 
foi isolada Enzima
Extremidades
coesivas com 4 n
6G-A-A-T-T-C
C-T-T-A-A-G
Escherichia coli
(linhagem RY13)
EcoR I
Extremidades
coesivas com 4 n
6A-A-C-G-T-T
T-T-G-C-A-A
Haemophylus
influenzae
Hind III
Extremidades
coesivas com 4 n
6G-G-A-T-C-C
C-C-T-A-G-G
Bacillus
amyloliquefaciens
(linhagem H)
BamH I
Extremidades
coesivas com 4 n
4G-A-T-C
C-T-A-G
Staphylococcus
aureus
Sau3A I
Extremidades
abruptas
6C-C-C-G-G-G
G-G-G-C-C-C
Serratia marcecensSma I
Extremidades
coesivas com 4 n
6C-C-C-G-G-G
G-G-G-C-C-C
Xanthomonas 
malvacearum
Xma I
Extremidades
abruptas
4G-G-C-C
C-C-G-G
Haemophilus
aegyptius
Hae III
Extremidades
coesivas com 2 n
4G-C-G-C
C-G-C-G
Haemophilus
haemolyticus
Hha I
Extremidades
coesivas com 4 n
6C-T-G-C-A-G
C-A-C-G-T-C
Providencia stuartiiPst I
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
Derivados da TDR**
- biopesticidas
- bioherbicidas 
- produtos agrícolas
- fármacos
- diagnósticos
- vacinas
- plásticos (PHAs)
- biorremediação de 
xenobióticos
Bioconversão / Biocatálise
- síntese química regio e 
esterereoespecífica
- esteróides
- alcolólides
- enzimas: redutases, proteases, 
amilases
- enzimas de extremófilos
- biorremediação de 
xenobióticos
Metabolitos
- etanol
- antibióticos
- aminoácidos
- vitaminas
- vinagre
- ácido cítrico
Biomassa
- SCP*
- aditivos
- bioativos
* SCP: proteína unicelular ("single-cell protein"); ** TDR: Tecnologia do DNA recombinante
Biomassa
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
- SCP* ( EX. 1.)
- aditivos 
- bioativos
Exemplos de melhoramentos genéticos realizados, através de conjugação 
bacteriana, visando a obtenção de linhagens otimizadas para emprego em 
processos de produção industriais.
melhoramento desejadogene introduzido por
conjugação
bactéria
aumento da velocidade de
crescimento da linhagem
conversora de metanol à proteína
unicelular (SCP).
ghh - glutamato desidrosenase
de E. coli
Methylophilus
methylotrophus *
(EX.1:)
aquisição da capacidade de
assimilação de sacarose da
linhagem produtora de
biopolímero termoplástico PHB-
PHV.
Regulon do consumo de
sacarose de Salmonella
typhimurium (5 genes)
Ralstonia euthopha
**
* Imperial Chemical Industries - ICI
**Centro de Pesquisas em Biotecnologia da USP (CBP-USP): Fava, Sartori, 
Vicente 1997; Schenberg et al. 1998 
Exemplos de melhoramentos genéticos realizados, através de conjugação 
bacteriana, visando a obtenção de linhagens otimizadas para emprego em 
processos de produção industriais.
melhoramento desejadogene introduzido por
conjugação
bactéria
aumento da velocidade de
crescimento da linhagem
conversora de metanol à proteína
unicelular (SCP).
ghh - glutamato desidrosenase
de E. coli
Methylophilus
methylotrophus *
aquisição da capacidade de
assimilação de sacarose da
linhagem produtora de
biopolímero termoplástico PHB-
PHV.
Regulon do consumo de
sacarose de Salmonella
typhimurium (5 genes)
Ralstonia euthopha
**
(Ex.2,)
* Imperial Chemical Industries - ICI
**Centro de Pesquisas em Biotecnologia da USP (CBP-USP): Fava, Sartori, 
Vicente 1997; Schenberg et al. 1998 
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
Derivados da TDR**
- biopesticidas
- bioherbicidas 
- produtos agrícolas
- fármacos
- diagnósticos
- vacinas
- plásticos (PHAs)
- biorremediação de 
xenobióticos
Bioconversão / Biocatálise
- síntese química regio e 
esterereoespecífica
- esteróides
- alcolólides
- enzimas: redutases, proteases, 
amilases
- enzimas de extremófilos
- biorremediação de 
xenobióticos
Metabolitos
- etanol
- antibióticos
- aminoácidos
- vitaminas
- vinagre
- ácido cítrico
Biomassa
- SCP*
- aditivos
- bioativos
* SCP: proteína unicelular ("single-cell protein"); ** TDR: Tecnologia do DNA recombinante
Metabolitos
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
- etanol
- antibióticos
- aminoácidos
- vitaminas
- vinagre
- ácido cítrico
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
Derivados da TDR**
- biopesticidas
- bioherbicidas 
- produtos agrícolas
- fármacos
- diagnósticos
- vacinas
- plásticos (PHAs)
- biorremediação de 
xenobióticos
Bioconversão / Biocatálise
- síntese química regio e 
esterereoespecífica
- esteróides
- alcolólides- enzimas: redutases, proteases, 
amilases
- enzimas de extremófilos
- biorremediação de 
xenobióticos
Metabolitos
- etanol
- antibióticos
- aminoácidos
- vitaminas
- vinagre
- ácido cítrico
Biomassa
- SCP*
- aditivos
- bioativos
* SCP: proteína unicelular ("single-cell protein"); ** TDR: Tecnologia do DNA recombinante
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
Bioconversão / Biocatálise
- síntese química regio e esterereoespecífica
- esteróides
- alcolólides
- enzimas: redutases, proteases, amilases
- enzimas de extremófilos
- biorremediação de xenobióticos
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
Derivados da TDR**
- biopesticidas
- bioherbicidas 
- produtos agrícolas
- fármacos
- diagnósticos
- vacinas
- plásticos (PHAs)
- biorremediação de 
xenobióticos
Bioconversão / Biocatálise
- síntese química regio e 
esterereoespecífica
- esteróides
- alcolólides
- enzimas: redutases, proteases, 
amilases
- enzimas de extremófilos
- biorremediação de 
xenobióticos
Metabolitos
- etanol
- antibióticos
- aminoácidos
- vitaminas
- vinagre
- ácido cítrico
Biomassa
- SCP*
- aditivos
- bioativos
* SCP: proteína unicelular ("single-cell protein"); ** TDR: Tecnologia do DNA recombinante
Produtos bacterianos de interesse biotecnológico
Derivados da TDR**
- biopesticidas
- bioherbicidas 
- produtos agrícolas
- diagnósticos
- Vacinas
- Plásticos (PHAs) (Ex 2.)
- Proteínas de interesse Biotecnológico (Ex 3.)
- Biorremediação de xenobióticos (EX. 4) 
- Fármacos (EX 5)
clones de 
transformantes 
de E. coli/ami+
Meio sólido 
contendo 
0,5% de amido
Figura: ( Ex. 3) Colônias de bactéria E. coli recombinante, que recebeu o gene
da a-amilase pancreática de camundongo, após crescimento em meio sólido 
contendo 0, 5% de amido contendo e submissão aos vapores de iodo
CAN OCT
NAF XIL
CAN/OCT
(1 só plasmídio)
NAF
XIL 
bactéria transgênica
super- degradadora
CAN/OCT
Ex. 4: Esquema das conjugacões bacterianas empregadas, por Chakrabarty na década de 1970, 
para a construção de uma super-bactéria capaz de degradar cânfora (CAN), 
octano(OCT), xileno (XIL) e naftaleno (NAF). 
CO2H
O
HHO
OHH
CH2OH
O
2,5-diceto-D-gluconato
CO2H
O
HHO
OHH
CH2OH
HO H
2-ceto-L-gluconato 
regio e estereoespecifica
redução microbiologica
com Brevibacterium sp
ou Corynebacterium sp
redução
química
CO2H
O
HHO
OHH
CH2OH
HO H
2-ceto-L-gluconato 
CO2H
O
HHO
OHH
CH2OH
H OH
2-ceto-D-gluconato 
+
CO2H
OHH
HHO
OHH
CH2OH
OHH
CO2H
OHH
HHO
OHH
CH2OH
O
Acetobacter sp
Erwinia
Acetobacter sp
Erwinia
1ª etapa 
oxidação
2ª etapa 
oxidação
D-glicose 5-ceto-D-gluconato
EX. 5: Representação esquemática da síntese do 2-ceto-L-gluconato 
importante precursor da Vitamina C
melhoramento do
processo 
de fermentação 
O MELHORAMENTO 
GENÉTICO
+
Exemplo de pesquisa na área
Poli (3-hidroxibutirato)
Possui características semelhantes às dos 
plásticos convencionais, é totalmente 
biodegradável e produzido por recursos 
renováveis
Polímero acumulado intracelularmente por 
muitos microrganismos como estoque de 
carbono e energia
Biodegradação dos PHAs
Microrganismos 
do meio ambiente
Despolimerases 
Extracelulares
A degradação total de um 
filme de P(3HB) (1 mm) 
ocorre:
SOLO
75 
semanas
ÁGUA 
DO 
MAR
350 
semanas
A bactéria produtora, em baixa disponibilidade de fonte 
de carbono, degrada o biopolímero Despolimerase 
intracelular
Esgoto
10 
semanas
Ralstonia eutropha -
A bactéria produtora de P(3HB)
mais conhecida e estudada
Estratégia de construção do plasmídeo 
pPHBpL
Operon phbCAB
Reação de ligação 
entre vetor digerido 
com EcoRI e tratado 
com “Klenow” e 
inserto contendo 
operon phbCAB
pPHBpL
9760 pb
Digestão 
com EcoRI e 
HindIII
reação de 
“Klenow”
EcoRI
HindIII
Coloração com “Sudan Black”
A AB B
Obrigada!