Aplicações da Biotecnologia

Prévia do material em texto

4 DESCRIÇÃO A biotecnologia e suas aplicações nas áreas vegetal, animal, ambiental e industrial.
PROPÓSITO Compreender que a biotecnologia faz parte do nosso dia a dia e que suas aplicações estão presentes em diferentes áreas, como a vegetal, animal, ambiental e industrial, pela produção de transgênicos, modelos vivos para estudo, bioprodutos, formas de eliminar poluentes e bioenergia.
OBJETIVOS
MÓDULO 1 Descrever como a biotecnologia é usada para produção de tecidos vegetais transgênicos e suas aplicações
MÓDULO 2 Compreender como um animal transgênico é criado e aplicado
MÓDULO 3 Descrever como a biotecnologia ambiental contribui para diminuir a poluição ambiental
MÓDULO 4 Reconhecer as aplicações da biotecnologia industrial, seus bioprodutos e as formas de bioenergia e biocombustíveis
INTRODUÇÃO
A biotecnologia envolve a utilização de seres vivos (células) ou partes destes (como proteínas, moléculas, lipídeos, carboidratos, material genético etc.) a fim de fabricar ou modificar produtos ou processos para a utilização específica. Essa tecnologia revolucionária é uma área multidisciplinar (engloba as grandes áreas da Biologia, Química e Engenharia) e altamente fascinante.
A cada dia, a biotecnologia vem ganhando espaço em diferentes áreas, trazendo, na maioria das vezes, soluções úteis, rápidas e fáceis e que podem solucionar graves problemas que assolam o mundo, como a fome, resistência a pragas em plantas, e ajudar na produção de medicamentos, vacinas, melhoramento genético, análise de DNA, diagnóstico, recuperação de áreas poluídas e uma série de outras aplicações.
A biotecnologia pode ser dividida por áreas; de acordo com suas aplicações, podemos ter: Biotecnologia Vegetal, Biotecnologia Animal, Biotecnologia Industrial e de Combustível, Biotecnologia Ambiental. Nos dias de hoje, não temos como fugir dela; aqui, vamos explorar suas aplicações nos produtos e processos gerados a partir de seres vivos ou parte deles e veremos como podemos utilizar os recursos biológicos ao nosso redor para criar produtos e gerar conhecimento.
MÓDULO 1Descrever como a biotecnologia é usada para produção de tecidos vegetais transgênicos e suas aplicações
BIOTECNOLOGIA VEGETAL
A Biotecnologia Vegetal se preocupa com o melhoramento de plantas, como aumento da disponibilidade de nutrientes, resistência a pragas, melhor crescimento do vegetal, produção de medicamentos, vacinas e enzimas nas células vegetais.
CÉLULAS VEGETAIS
Células do tipo eucarionte com núcleo celular, organelas membranosas. Diferem das células animais pela presença de parede celular, composta por celulose, e cloroplastos, responsáveis pela fotossíntese.
O crescimento de plantas de acordo com alguma característica favorável é realizado há milhões de anos, como, por exemplo, o processo de domesticação do milho, em que eram escolhidas espécies fáceis de serem colhidas, armazenadas e com maior produtividade. Hoje, sabemos que os vegetais eram escolhidos de acordo com características de interesse e que isso leva ao que chamamos de seleção artificial. Ou seja, estamos selecionando vegetais de acordo com a característica genética desejável há muito tempo.
Além disso, as células vegetais possuem uma característica interessante, que é a totipotência. Em outras palavras, as células vegetais podem se reproduzir e formar todos os tecidos daquele vegetal. A partir de uma célula vegetal, é possível gerar uma planta inteira. A Biotecnologia Vegetal teve seu avanço com as técnicas de cultivo de tecido vegetal em laboratório e as técnicas de engenharia genética.
CULTIVO DE TECIDO VEGETAL Referente ao crescimento de células vegetais em laboratório.
ENGENHARIA GENÉTICA Conjunto de técnicas utilizadas para alterar o material genético (DNA) de um ser vivo.
CULTIVO DE CÉLULAS VEGETAIS IN VITRODevido à capacidade de totipotência das células vegetais, a transformação genética pode acontecer em qualquer célula do tecido ou órgão do vegetal. Em condições adequadas, ela pode se regenerar e formar uma planta novamente.
As vantagens do cultivo in vitro de células vegetais incluem:
Manutenção das características genéticas e, assim, da qualidade do vegetal.
Produção em larga em escala.
Controle das condições fisiológicas a partir do controle das condições de crescimento.
Melhoramento genético.
VOCÊ SABE COMO É REALIZADA A CULTURA VEGETAL?
Para cultivar um organismo vivo, é necessário fornecer as condições de nutrientes, como açúcares, vitaminas, sais orgânicos e inorgânicos, hormônios, aminoácidos e água, além das condições físicas, como luminosidade, temperatura, umidade, pH e a assepsia.
Os meios de cultura podem ser semissólidos, pela adição de ágar ou líquidos. Apesar das células vegetais serem consideradas totipotentes, são necessários hormônios que estimulam o crescimento do vegetal e os padrões de crescimento, como o surgimento de raiz, caule, calos, brotamento e órgãos vegetais. Os principais hormônios utilizados nas culturas incluem as auxinas e as citocininas. Dependendo da concentração deles no meio de cultura, podem estimular diversos padrões morfológicos de crescimento, como, por exemplo, o aumento de auxinas no meio estimula a formação de raízes e o de citocininas estimula o brotamento ou os ramos.
A micropropagação é a forma mais comum de propagar um vegetal a partir de células ou tecidos vegetais; com isso, cria-se plantas idênticas geneticamente. Pode ser realizada por meio da cultura de sementes, cultura meristema (células indiferenciadas ou em estágio embrionário), cultura de calo (tecido tumoral vegetal de crescimento desorganizado), cultura de gemas (pode ser das gemas apicais ou das gemas auxiliares; é o início de novos ramos nas plantas), cultura antera (cultura de células haploide, ou seja, parte da estrutura reprodutora de algumas plantas), cultura de suspensão celular (obtidas por células individuais de qualquer parte do vegetal), cultura de protoplasto (célula vegetal sem a parede celular, que é retirada por digestão enzimática em laboratório).
Como é possível perceber, existem diversas formas de propagar um vegetal em um meio de cultura in vitro. Vale ressaltar que a cultura de meristema é bastante utilizada por ser livre de fitopatógenos, principalmente vírus, uma vez que, por serem tecidos embrionários e indiferenciados, não possuem um sistema de vascularização por onde esses patógenos possam se disseminar (Figura 1).
AUXINAS Classe de hormônios vegetais que desempenham um papel fundamental na coordenação de muitos processos comportamentais e de crescimento nos ciclos de vida das plantas e são essenciais para o desenvolvimento do corpo da planta.
CITOCININAS São hormônios vegetais responsáveis pela divisão celular. Acredita-se que esses hormônios são produzidos nos meristemas de raízes, folhas e frutos jovens, além de sementes em desenvolvimento.
PAREDE CELULAR Estrutura rígida formada por celulose; ajuda na sustentação e rigidez da célula.
FITOPATÓGENOS Qualquer patógeno capaz de causar doença em plantas.
1: Cultura de tecido vegetal in vitro.
PLANTAS TRANSGÊNICAS: PRINCÍPIOS E MÉTODOS
Todo ser vivo é formado por células, e elas possuem o ácido desoxirribonucleico como material genético, o famoso DNA. Isso significa que todo mundo tem DNA como informação genética, desde uma pequena bactéria até o maior animal do mundo, como a baleia azul, passando pelos seres humanos, animais de todos os portes e tamanhos e pelas plantas. Não é interessante que a informação genética na terra seja similar entre os seres vivos?
Em todos os seres vivos, é o DNA que armazena as informações genéticas e características de cada espécie. O que nos diferencia entre toda essa biodiversidade é a quantidade de DNA e de informações genéticas que possuímos.
Por exemplo, sabemos que os seres humanos possuem 3 bilhões de pares de bases de nucleotídeos, divididos em 46 cromossomos, a bactéria E. coli possui 4,6 milhões de bases de nucleotídeos em um único cromossomo, um gato doméstico possui cerca de 3 bilhões de pares de bases de nucleotídeos divididos em 38 cromossomos, e omilho, 177 milhões de pares de bases de nucleotídeos divididos em 20 cromossomos, ou seja, cada espécie possui uma quantidade definida de material genético.
NUCLEOTÍDEOS Componentes básicos do DNA, também chamados de monômeros do DNA. São compostos por um açúcar (dessoxiribose), um fosfato e uma base nitrogenada (que pode ser de quatro tipos: adenina, timina, citosina ou guanina).
CROMOSSOMOS Longo filamento de DNA associado a proteínas.
MAS O QUE O DNA TEM DE TÃO ESPECIAL?
É nele que estão contidas as informações para produzir as proteínas de um ser vivo, que nós chamados de genes. Toda proteína vem de uma informação genética, e as proteínas fazem parte das nossas características e exercem diversas funções tanto para a célula quanto para um organismo como um todo.
O processo de transformação do DNA em proteína é chamado de expressão gênica e envolve duas etapas: a transcrição e a tradução. Na transcrição, um conjunto de enzimas e proteínas participa do processo de produção do ácido ribonucleico (RNA). O RNA é uma cópia do DNA contendo a informação para produção da proteína, e esse RNA é, então, traduzido nos ribossomos para uma linguagem de aminoácidos, que é a linguagem das proteínas. Com esses princípios, temos o dogma central da biologia molecular, que diz como o DNA é passado para as células filhas e como ele é expresso em uma proteína (DNA->RNA->PROTEÍNA) (Figura 2).
GENESParte do DNA que tem a informação para produzir uma proteína.
RNAAbreviação para ácido ribonucleico. Formado por nucleotídeos com pequenas diferenças em relação ao DNA. Nos nucleotídeos do RNA, podemos encontrar: um açúcar, a ribose, um fosfato e uma das quatro bases nitrogenadas: adenina, uracila, citosina e guanina.
2: Dogma central da biologia molecular.
Conclusão, no DNA, temos os genes, e todo ser vivo possui DNA. A expressão de um gene é muito similar entre os diferentes seres vivos. Com base nesses achados, cientistas se questionaram: “E se eu pegar o gene (DNA) de uma espécie e colocá-lo em outra espécie? Será que essa célula que está recebendo este gene vai produzir a informação contida nele?”. Com isso, temos o surgimento dos transgênicos (trans = diferente e gênico = gene).
Os cientistas não só conseguiram como fazem os transgênicos, que são espécies que receberam um gene (DNA) de outra espécie e, devido à similaridade do processamento dessa molécula entre os seres vivos, é possível produzir aquela característica nova no ser vivo que a recebeu.
VOCÊ SABE QUAL A DIFERENÇA ENTRE TRANSGÊNICOS E OGM (ORGANISMOS GENETICAMENTE MODIFICADOS)?
Um OGM é um organismo que sofreu qualquer alteração no seu material genético (DNA), enquanto transgênicos são os organismos que receberam um gene de outra espécie. Todo transgênico é um OGM, mas nem todo OGM é um transgênico.
Uma planta transgênica pode ser criada por meio da transferência de um gene de interesse (também chamado de gene doador) para a planta, fazendo com que ela adquira aquela nova característica, pela técnica do DNA recombinante, que faz parte da engenharia genética. Para transferir um gene de uma espécie para outra, primeiro é necessário obter o gene de interesse, inseri-lo em um vetor de DNA e ligar os dois, o que gera o DNA recombinante. Então, este é inserido na célula hospedeira, que passará a produzir essa característica (Figura 3).
3: Técnica do DNA recombinante.
Mas o que precisamos para criar um transgênico?
DNA DOADOR
Gene de interesse para clonagem / gene a ser inserido em outra espécie ou célula.
ENDONUCLEASE DE RESTRIÇÃO
Enzima que corta o DNA, tanto o DNA doador quanto o DNA vetor, em locais específicos, de modo que o DNA doador é inserido no vetor.
VETOR
DNA utilizado para inserir o gene de interesse na célula hospedeira, funcionando como veículo para transformação.
DNA LIGASE
Enzima utilizada para ligar as extremidades livres e adaptáveis do DNA do vetor e do DNA doador e, assim, formar o vetor recombinante.
CÉLULA HOSPEDEIRA
Célula na qual será inserido o vetor com o gene-alvo ( pode ser qualquer tipo de célula; nesse caso, uma célula vegetal).
A técnica envolve a obtenção do DNA de interesse, o gene com a característica que se quer adicionar ao tecido vegetal. Trata-se do corte do gene com enzimas de restrição, que corta o DNA, deixando extremidades livres de fita simples, chamadas de extremidades coesivas. Depois disso, é necessário escolher o vetor, sendo os mais empregados os plasmídeos. Entretanto, dependendo do seu objeto, pode-se utilizar vetores de vírus, cosmídeos e os cromossomos artificiais. De qualquer modo, todo vetor deve ter essas três características em comum: sítio para corte pela enzima de restrição, origem de replicação e um gene marcador que vai permitir a seleção de quem recebeu ou não o DNA recombinante.
Selecionado o vetor, ele também é tratado com a mesma enzima de restrição que o gene doador. Em seguida, ambos são colocados juntos (em um microtubo), contendo a enzima DNA ligase. Nesse momento, devido ao corte coesivo realizado pela enzima de restrição, tanto no DNA doador quanto no vetor, as extremidades do corte se ligam pela complementariedade do DNA (A-T e C-G), e a DNA ligase termina de ligar o DNA do vetor com DNA de alvo, gerando uma molécula de DNA recombinante. E é assim que chamaremos essa molécula agora.
Nesse momento, ainda temos um problema: colocar o DNA recombinante dentro da célula vegetal.
PLASMÍDEOS Pequenas moléculas de DNA circular, autorreplicáveis e independentes do DNA genômico. Comum em bactérias.
VÍRUS Partículas infecciosas que apresentam genoma constituído de uma ou várias moléculas de ácido nucleico (DNA ou RNA) envoltos em uma camada proteica e/ou lipídica. Possuem capacidade de infectar células.
COSMÍDEOS Vetores de DNA circular que carregam características dos plasmídeos e dos vírus.
O DNA recombinante pode ser inserido dentro da célula vegetal através de várias técnicas. São elas:
MICROINJEÇÃO
É uma técnica adaptada da transformação animal para a transformação vegetal. Consiste na utilização de microinjeção do DNA recombinante direto no núcleo da célula. É uma técnica trabalhosa e que requer diversos equipamentos para realização, porém garante maior precisão da transformação.
Fonte: Shutterstock.comTransformação por Microinjeção.
ELETROPORAÇÃO
Envolve a utilização de choques elétricos com voltagem e duração controlados, que induzem a formação de poros na célula por onde o DNA recombinante entra. No entanto, a eletroporação é utilizada para células desprovidas de paredes celular por meio de digestão enzimática, os chamados protoplastos.
Fonte: EnsineMe.
AGROBACTERIUM TUMEGACIENS
É um sistema natural de transfecção. Esta bactéria é descrita por infectar alguns vegetais e inserir um plasmídeo no material genético da célula. No processo de infecção no ambiente, o plasmídeo carrega genes que geram o tumor vegetal, também chamado de galha-da-coroa. No laboratório, esse plasmídeo, chamado de plasmídeo T, é modificado, retirando-se os genes que causam o tumor e adicionando-se o gene doador. Assim, quando a bactéria infecta a célula vegetal, o plasmídeo T é transferido, e o gene de interesse é inserido no genoma do vegetal (Figura 4).
4: Transformação via A. tumefaciens (meio biológico).
BIOBALÍSTICA
Método de transferência de genes para uma célula de forma direta. O DNA recombinante é associado a micropartículas de tungstênio ou ouro e bombardeado contra a célula vegetal-alvo. Todo o processo acontece em um acelerador de partículas, onde adquirem velocidade suficiente para atravessar a parede celular vegetal e o núcleo, inserindo o DNA recombinante dentro da célula vegetal.
Transformação por biobalística.
A metodologia mais utilizada para transformação vegetal é o sistema Agrobacterium tumegaciens, porém a escolha da transferência do DNA recombinante para a célula vai depender do tipo de tecido vegetal, da espécie, do vetor e tamanho do gene que se está transferindo.
Nenhuma técnica garante 100% de transformação do tecido vegetal, então é necessário selecionar as células que de fato receberamo DNA recombinante. Para isso, é levado em consideração uma característica do vetor, que é a presença do marcador de seleção. O gene marcador de seleção permite selecionar as células que receberam o DNA recombinante por meio de alguma característica de resistência a substâncias tóxicas, geralmente resistência a antimicrobianos ou herbicidas. Ou seja, a célula vegetal que não recebeu o DNA recombinante, na presença da substância tóxica, morre, enquanto a célula que recebeu o DNA recombinante e, portanto, com o gene marcador, terá o mecanismo de resistência e, com isso, sobreviverá.
Após a seleção, a célula vegetal é cultivada em meios de cultura in vitro a fim de estimular a formação da planta. Estudos para determinação da produção do gene de interesse são realizados. Antes de uma planta transgênica ser liberada para uso, existe uma regulamentação que garante a biossegurança e a bioética na sua utilização e liberação. Após todos os estudos de comprovação de sua eficácia, seu uso e seus impactos, a planta pode ser produzida em campo em larga escala.
Neste vídeo, você conhecerá um pouco sobre o DNA recombinante e os tipos de transgênicos no Brasil.
APLICAÇÕES DAS PLANTAS TRANSGÊNICAS
A tecnologia do DNA recombinante permitiu criar uma variedade de vegetais com características novas e que conferem alguma vantagem de cultivo, como resistência a pragas, vírus, herbicidas, aumento de tamanho ou nutricional. Existem diversas plantas transgênicas disponíveis para o consumo direto ou indireto (subprodutos), e sua legislação e autorização de consumo e cultivo dependem da legislação de cada país.
Dentro desta lista, podemos citar: milho, arroz, feijão, tomate, abóbora, algodão, batata, alfafa, maçã, cana-de-açúcar. A cada ano, a lista de produtos transgênicos aumenta, e diversos estudos são conduzidos nessa área. Além, é claro, dos subprodutos, com destaque para o óleo de cozinha, derivados de soja, milho ou algodão.
Para conhecer alguns exemplos de produtos vegetais transgênicos, não deixe de visitar o Explore +!
COMO SABER SE UM PRODUTO É TRANSGÊNICO?
No Brasil, está regulamentado o uso da letra “T” em maiúsculo e negrito nas plantas e alimentos que contenham algum derivado de produto(s) transgênico(s). Muita discussão ainda ocorre acerca dos seus benefícios e malefícios. Diante disso, cada consumidor tem o direito de saber e de escolher se consome ou não um produto transgênico.
A aplicação de plantas transgênicas não se restringe apenas à melhoria do cultivo ou de fatores nutricionais. Alguns pesquisadores vêm trabalhando na produção de vacinas e bioprodutos em tecidos vegetais. Isso é uma proposta da Biotecnologia Vegetal, onde genes para produção de antígenos são inseridos em tecidos vegetais, que passam a expressar essa proteína; quando ingeridos, o sistema imunológico reconhece e desenvolve uma resposta imunológica de memória. Além disso, a produção de anticorpos humanos em plantas também tem sido realizada, e os anticorpos podem ser utilizados para o tratamento de doenças.
Símbolo de produtos transgênicos.
ANTÍGENOS Parte de microrganismos que vão ser reconhecidos pelo nosso sistema imunológico para gerar uma resposta imune.
ANTICORPOS Também chamados de imunoglobulinas, são as proteínas de defesa do nosso organismo.
Nos dias atuais, pesquisadores estão fazendo com que arroz e trigo expressem anticorpos anticâncer que podem ser utilizados como terapia e no diagnóstico de câncer de mama, pulmão e cólon. Apesar de muitos destes produtos estarem em fase de desenvolvimento, existe uma enorme expectativa quanto à sua utilização e eficácia. Em outras palavras, estamos criando biofábricas com as células vegetais para produção de diversos antígenos para vacinas, anticorpos e enzimas.
BIOFÁBRICAS O uso da maquinaria de uma célula para produção de proteínas, enzimas ou substâncias de interesse.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
Parte superior do formulário
1. AS ENZIMAS DE RESTRIÇÃO, TAMBÉM CHAMADAS DE ENDONUCLEASES, SÃO PRIMORDIAIS PARA A TECNOLOGIA DO DNA RECOMBINANTE. QUAL O PAPEL DELAS NESTA TECNOLOGIA?
Gene de interesse para clonagem / gene a ser inserido em outra espécie ou célula.
Enzima que corta o DNA, tanto o DNA doador quanto o DNA vector, em locais específicos, de modo que o DNA doador é inserido no vetor. X Enzimas de restrição (endonucleases) são conhecidas como as tesouras moleculares, pois permitem a realização de cortes na molécula de DNA em regiões específicas. Tanto o DNA alvo quanto o vetor são tratados com a mesma endonuclease, para realizar cortes no DNA com extremidades coesivas, ou seja, um pedaço do DNA fica fita simples podendo se ligar o DNA alvo ao vetor.
Enzima utilizada para ligar as extremidades livres e adaptáveis do DNA do vetor e do DNA doador, formando, assim, o vetor recombinante.
Enzima que faz a ligação entre as fitas de DNA do gene doador e do vetor.
Enzimas que fazem cópias de DNA.
Parte inferior do formulário
Parte superior do formulário
2. APÓS A CRIAÇÃO DO DNA RECOMBINANTE, ELE PRECISA SER INSERIDO NA CÉLULA VEGETAL. EXISTEM DIFERENTES MÉTODOS PARA TRANSFORMAÇÃO GENÉTICA. ENTRE OS MÉTODOS DE TRANSFORMAÇÃO ABAIXO, QUAL DELES NÃO É CONSIDERADO PARA TRANSFORMAÇÃO GENÉTICA EM PLANTAS:
Microinjeção.
Sistema Agrobacterium.
Eletroporação.
Cultivo de meristema. X O cultivo de meristema é realizado para se obter um isolamento das células vegetais em laboratório, utilizando os meios de cultura. Portanto, não é uma técnica para se inserir o DNA recombinante e criar plantas transgênicas.
Biobalística.
Parte inferior do formulário
MÓDULO 2 Compreender como um animal transgênico é criado e aplicado
PRODUÇÃO ANIMAL
Quando a produção animal começou a ser uma atividade comercial, os animais passaram a ser selecionados de acordo com suas características desejáveis ao produtor, como, por exemplo, pelo melhor rendimento, melhor adaptação ao ambiente, ganho de peso, maior produção, entre outras. Esses animais eram cruzados entre si e, assim como na Biotecnologia Vegetal, usa-se uma seleção artificial, chamada de melhoramento genético.
Fonte: Shutterstock.com
O melhoramento genético e a Biotecnologia Animal podem ser aplicados a todos os animais, e os de maiores interesses econômicos incluem os bovinos, suínos, as aves, os ovinos e caprinos. Esse melhoramento depende de três fatores: fenótipo, genótipo e o ambiente. Assim, no caso dos animais, não basta apenas ter a informação genética (DNA) para determinada característica; são necessárias condições ambientais distintas de alimento e manejo. Com o uso da biotecnologia, é possível reconhecer os genes de interesses e as alterações gênicas (chamadas de mutações), acelerando sua expressão e/ou adicionando um gene novo. Além do melhoramento genético das características alimentares e de criação do animal, também é possível desenvolver animais-modelo para o estudo de diversas doenças, produção de vacinas, biofármacos, animais como biorreatores para produção de proteínas e enzimas e até em transplantes.
ANIMAIS TRANSGÊNICOS: PRINCÍPIOS E MÉTODOS
Os conhecimentos sobre o DNA e a informação genética levaram a grandes avanços em diversas áreas, inclusive na Biotecnologia Animal. Os animais são organismos pertencentes ao reino Animalia, pluricelulares formados por células eucariontes e com capacidade de locomoção.
Fonte: Shutterstock.com
O material genético na forma de cromossomos está organizado aos pares, o que significa que cada animal possui dois genes, um vindo do macho e outro da fêmea, e, portanto, chamados de diploides. De acordo com a lei de Mendel, uma característica irá se sobressair sobre a outra, chamada de gene dominante (o gene que é expresso) e gene recessivo (o gene que não é expresso). Com isso, surge o conceito de alelo gênico, onde o mesmo gene para a mesma característica é herdado do macho e outro da fêmea, mas não são idênticos, são formas alternativas daquele gene, onde as características de um dos alelos ou ambos podem ser expressas no animal.
DIPLOIDES Células que possuem dois conjuntos de cromossomos (DNA), um vindo do macho e outroda fêmea.
LEI DE MENDEL Considerado o pai da genética, postulou a primeira lei de Mendel com seus estudos com ervilhas, que diz que cada característica é dada por um par de genes (que ele chamou de fatores na época) que se separam nos gametas (óvulos e espermatozoides) e voltam a juntar-se na fecundação. Ou seja, cada animal possui dois genes para cada característica, um vindo do macho e outro da fêmea.
O descobrimento dos alelos gênicos levou a grandes avanços no melhoramento genético de animais. Além da tecnologia do DNA recombinante para aumentar ou adicionar uma característica de interesse nova no animal, existem muitos testes moleculares que visam identificar o alelo gênico que apresente as características desejadas e, assim, estimular o cruzamento entre esses animais. Assim, conhecendo o alelo gênico, é possível realizar cruzamentos para que o alelo seja propagado por toda a população daquela espécie. De qualquer forma, a Biotecnologia Animal não é fácil, pois, em muitos casos, mais de um gene está associado a uma única característica no animal, o que dificulta o melhoramento e abre espaço para mais estudos e pesquisas.
No caso dos animais, a alteração do material genético ocorre no embrião, durante a fecundação(Fertilização do óvulo com espermatozoide.). Uma das limitações do melhoramento genético é que os cruzamentos seletivos entre os animais só permitem a propagação de características da mesma espécie. A partir da tecnologia do DNA recombinante, é possível criar animais transgênicos, que são aqueles que adquirem, de forma artificial, um gene de outra espécie e, assim, uma característica nova e de interesse.
A criação de animais transgênicos tem três objetivos principais:
A criação de animais como biofábricas para a produção de alguma molécula de interesse terapêutico.
A criação de animais como modelos de doenças genéticas.
A criação de animais para produção pelo ganho de características nutritivas, como a diminuição da quantidade de gordura e ganho de massa muscular ou ainda pela resistência a determinadas infecções.
A criação do DNA recombinante envolve a seleção do gene de interesse, seu tratamento com enzimas de restrição, a escolha do vetor, onde será inserido o gene de interesse para ser transportado para célula hospedeira. O vetor também é tratado com a mesma enzima de restrição, que tem a função de cortar o DNA de ambos e gerar extremidades possíveis de ligação. A ligação entre o gene de interesse e o vetor vai ser realizada pela DNA ligase, gerando, então, o DNA recombinante.
O DNA recombinante precisa ser inserido e estar presente em todas as células do animal, e isso só é possível pela sua inserção do vetor ainda no embrião ou nas células germinativas, os espermatozoides ou óvulos. Assim, além do preparo do DNA recombinante, é preciso remover as células-alvo (nesse caso, as células germinativas), inserir o DNA recombinante e, depois, colocá-lo em um animal que sirva de barriga de aluguel para desenvolvimento do feto.
Existem diferentes técnicas para isso. Vamos conhecer agora as mais empregadas:
5: Microinjeção de DNA.
A MICROINJEÇÃO DE DNA
Acontece no pronúcleo do animal a ser gerado, ou seja, o gene de interesse vai ser injetado por uma microagulha antes da fusão do núcleo do espermatozoide e do óvulo. Dá para imaginar quão difícil deve ser conseguir inserir um gene e fazer com que ele seja adicionado ao genoma da célula germinativa e, depois, realizar a fusão dos núcleos do espermatozoide e do óvulo. Por isso, o rendimento da técnica é baixo: cerca de 0 a 3% dos embriões se desenvolvem e geram descendentes com o gene inserido, ou seja, o animal transgênico. Apesar disso, a técnica permite que todas as células do animal possuam o gene inserido. A transgenia é confirmada após o nascimento do animal com técnicas moleculares para identificar a presença do gene de interesse (Figura 5).
Figura 6: Representação da infecção viral.
A UTILIZAÇÃO DE UM RETROVÍRUS COMO VETOR
Envolve preparo e alteração do vírus para conter a sequência do gene de interesse. Um vírus infecta naturalmente uma célula e um retrovírus é um vírus formado por RNA e que possui uma enzima, transcriptase reversa, capaz de transformar RNA em DNA e, assim, ser inserido no genoma da célula. A infecção pode ocorrer durante a fecundação. As limitações incluem a inserção do DNA produzido em lugar aleatório do genoma, podendo gerar alterações que não permitem o desenvolvimento do animal, o controle da quantidade de retrovírus para infectar a célula, o tamanho do gene a ser inserido. O embrião modificado é inserido na barriga de aluguel, e o animal transgênico é confirmado após o nascimento por técnicas moleculares (Figura 6).
Figura 7: A transferência de genes em células-tronco embrionárias.
A TRANSFERÊNCIA DE GENES EM CÉLULAS-TRONCO EMBRIONÁRIAS
É possível, pois, após a fecundação, nas fases iniciais de desenvolvimento do animal, temos as células-tronco totipotentes, aquelas células capazes de formar todos os tecidos do animal, incluindo as células da placenta, fase chamada de blastocisto. Essas células são removidas e recebem o DNA recombinante e colocadas de volta na fêmea em que o embrião está sendo gerado. O embrião será composto por células transgênicas e células não transgênicas. Após o nascimento, os animais são cruzados entre si, até que seja obtida uma linhagem totalmente transgênica, detectada por técnicas moleculares (Figura 7).
Figura 8: Transferência nuclear.
A TRANSFERÊNCIA NUCLEAR
Trata-se de uma clonagem aplicada na criação de animais transgênicos e tem sido uma opção interessante. Neste caso, o material genético do animal de interesse recebe o DNA recombinante e, após a modificação e inserção do DNA recombinante, o núcleo (onde fica o DNA das células eucarionte) é removido e inserido em um óvulo anucleado.
Depois de um estímulo, o óvulo com o núcleo é ativado e colocado em uma barriga de aluguel. Assim, o animal será um clone do animal que doou o núcleo célula, porém com DNA recombinante inserido. Lembrando que a clonagem em si não é um processo de transgenia, mas, sim, uma forma de criar cópias idênticas de um ser vivo. Se, durante o processo de clonagem, o DNA for alterado pela adição de um gene de outra espécie (transgenia) e depois inserido em um óvulo e estimulado a se reproduzir, teremos um clone transgênico. Esta técnica tem se mostrado útil na criação de animais transgênicos, pois a inserção do DNA recombinante acontece antes da fecundação (Figura 8).
PRONÚCLEO É o núcleo do espermatozoide ou óvulo antes da fusão dos núcleos durante a fecundação.
Outras formas de transgenia em animais estão em estudo e incluem a transferência de gene mediada por espermatozoides, alteração genética mediada por exemplo de modal, transferência de gene mediada por cromossomo artificial, transplante de células testiculares, entre outras.
TRANSPOSONS Elementos genéticos móveis, capazes de saltar de lugar no genoma.
APLICAÇÕES DOS ANIMAIS TRANSGÊNICOS
PRODUÇÃO DE BIOFÁRMACOS
Biofámarcos são medicamentos produzidos ou extraídos em organismos vivos. Em outras palavras, os animais são usados como biofábricas para produção de proteínas de interesse médico. As proteínas obtidas pela tecnologia do DNA recombinante, ditas proteínas heterólogas, geralmente são proteínas plasmáticas, pois são mais fáceis de serem produzidas e obtidas em animais, algumas das proteínas produzidas em animais transgênicos incluem albumina, alfa-1-antitripsina, hormônio do crescimento, eritropoetina, fator de coagulação IX ou fator VIII.
Para conhecer mais sobre como essas proteínas são produzidas, não deixe de visitar o Explore+!
A vantagem na utilização de animais transgênicos para produção farmacêutica é uma elevada produção do biofámarco em um rebanho pequeno e as alterações na proteína após sua expressão, formando proteínas com conformação correta para seu funcionamento. Em alguns sistemas, como nas bactérias, após a expressão, nem sempre as proteínas se encontram funcionais, pois não passaram pelas alterações necessárias para ter sua formaativa.
ANIMAIS TRANSGÊNICOS PARA A PRODUÇÃO
A criação de animais transgênicos para produção, que sejam resistentes a doenças, é uma área que requer mais estudos para entender como ocorre o processo e o desenvolvimento das doenças nestes animais. Entretanto, já é possível criar porcos e vacas resistentes à gripe suína, febre aftosa e encefalopatia espongiforme (conhecida como mal da vaca louca).
Muitos estudos têm buscado aumentar a concentração de proteína no leite e em seus derivados pela técnica do DNA recombinante. Por exemplo, 80% do leite de vaca é composto pela proteína caseína, que é importante para o processo de coagulação e formação de queijo, um produto derivado do leite. Pesquisadores adicionaram mais dois genes, CSN2 e CSN3, para aumentar em duas vezes a quantidade de caseína no leite, o que levaria a um aumento na produção de queijo, sendo então lucrativo para as empresas.
Outro ponto interessante seria criar vacas com baixo teor de lactose. A intolerância à lactose é um problema em alguns indivíduos e que acomete, principalmente, a população da Ásia. A ideia de produzir leite com menos lactose veio pela criação de animais transgênicos, que têm adição do gene que codifica a enzima lactase, responsável pela quebra da lactose, podendo gerar assim um leite com menos lactose.
Além disso, estudos tentam aumentar a taxa de crescimento de porcos, por meio do melhoramento do leite de porcas. Durante a criação de porcos, um dos maiores problemas que afetam o seu desenvolvimento é seu aleitamento curto. Pesquisadores, então, criaram porcas transgênicas, inserindo o gene da lactalbumina bovina e aumentando as proteínas que compõem o leite. O aumento na quantidade de proteínas do leite levou a um crescimento mais acelerado de leitões, diminuindo o tempo de criação.
Também é possível criar ovelhas com maior produção de lã, porcos e vacas com carne menos gordurosa, mais musculosos, resistentes a doenças, com menos produção de poluentes etc. Dentre todos os casos, o mais interessante é o do salmão transgênico disponível para consumo no Canadá e nos EUA que está em teste em diversos outros países, incluindo o Brasil. O salmão transgênico é o primeiro animal liberado para consumo e levou cerca de 25 anos para ser testado quanto à sua segurança e aos processos regulatórios e, agora, passa pela aprovação da população.
Salmão transgênico
O salmão leva cerca de 30 a 34 meses para crescer e ser utilizado para consumo. Já o salmão transgênico leva de 16 a 20 meses. Essa vantagem iria aumentar a produção de salmão e atender à alta demanda desse peixe atualmente. O salmão transgênico é chamado de salmão AquAdvantage, onde foi usado o gene do crescimento do salmão-rei, obtido no oceano pacífico, no salmão do atlântico pela tecnologia do DNA recombinante, o que permitiu que estes animais se alimentassem o tempo todo e sem parar durante o período de crescimento. Sua criação é feita em tanques artificiais e são usadas apenas fêmeas estéreis. Existe muita discussão bioética e de biossegurança quanto ao seu uso em todo o mundo.
ANIMAIS TRANSGÊNICOS EM TRANSPLANTES (XENOTRANSPLANTES)
Transplante de órgãos permitem, a partir de cirurgia, a troca de um órgão doente (fígado, rim, baço, coração etc.) por um órgão saudável. Todo ano, mais de 30% dos indivíduos que estão na fila de espera para um transplante de órgãos morrem. A biotecnologia tenta suprir essa necessidade, abrir novos horizontes para que mais vidas sejam salvas e zerar filas de transplantes. Com isso, a possibilidade de transplantes de órgãos de animais para humanos abriu mais uma área de estudo, os chamados xenotransplantes.
No xenotrasplante, podem ser utilizados tecidos, órgãos ou partes de um animal para o ser transplantado no humano. O animal mais utilizado tem sido o porco e, com modificações genéticas, tem sido promissor para o transplante. Os porcos são utilizados como modelos por terem seus órgãos similares aos humanos, mas a rejeição do órgão de um animal pelo corpo humano ainda é um problema. Para resolver essa ponte, as técnicas de biotecnologia são utilizadas para alterar o material genético destes animais e facilitar a aceitação do órgão pelo nosso corpo.
Os Estados Unidos e a Alemanha realizaram alterações e transplantes de órgão de porcos para macacos com resultados promissores. A ideia aqui é silenciar ou retirar os genes do porco que levam à rejeição do órgão em humanos, o que é possível pela técnica de edição genética chamada CRISPR-CAS9, com a inserção de genes que codificam proteínas capazes de inibir o sistema imunológico naquele tecido ou órgão, evitando a sua rejeição. Esta última é realizada a partir da adição do gene pela tecnologia do DNA recombinante. Também existe a possibilidade de se inserir genes humanos a fim de diminuir as características do animal e, por conseguinte, a rejeição.
CRISPR-CAS9
Técnica da engenharia genética que permite a edição de genomas. É composta por uma enzima de restrição, a CAS9, e um RNA guia associado a enzima. A função do RNA guia é direcionar qual parte do genoma a enzima deve cortar. Esta técnica deu o prêmio Nobel de 2020 para duas pesquisadoras: Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna.
ANIMAIS TRANSGÊNICOS COMO MODELOS DE DOENÇAS
O ser humano possui mais de 20 mil genes em cada uma de suas células, e muitas doenças estão associadas a alterações nesses genes. Para encontrar uma cura, é preciso entender como a doença funciona, e os animais transgênicos são desenvolvidos com esses genes para se entender seu real papel nas doenças humanas, os chamados animais-modelo de doenças humanas. Isso é possível devido à similaridade genética, anatômica e fisiológica destes animais com o ser humano e o fato de o material genético dos seres vivos ter a mesma composição, o DNA.
Inicialmente, camundongos transgênicos foram desenvolvidos para uma enorme variedade de doenças. Hoje, podemos ter porcos, ovelhas e gado como modelos para doenças genéticas, como, por exemplo, retinite pigmentosa, mal de Alzheimer, câncer, doença de Crohn, insuficiência renal, doenças neurodegenerativas, estudo de envelhecimento, diabetes, obesidade, vírus oncogênicos, enfim, as aplicações são diversas.
Os animais mais utilizados como modelo de estudo de doenças em laboratório são os ratos, camundongos, cães, coelhos e porcos. Eles são criados através da inserção do DNA recombinante por duas formas: a inserção de um gene humano suspeito de causar a doença ou o silenciamento de um gene já presente no animal pela inserção de um gene repressor no seu genoma, lembrando que a criação de animais transgênicos envolve a inserção do gene no embrião ou nas células germinativas.
VÍRUS ONCOGÊNICOS Vírus que, ao interagir com o material genético humano, são capazes de gerar câncer.
Neste vídeo, você conhecerá um pouco sobre biossegurança e bioética na utilização de animais transgênicos.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
Parte superior do formulário
1. APÓS CRIAR O DNA RECOMBINANTE NO LABORATÓRIO, ELE PRECISA SER INSERIDO NA CÉLULA ANIMAL. PARA CRIAR UM ANIMAL TRANSGÊNICO E GARANTIR QUE TODAS AS CÉLULAS DO ANIMAL VÃO POSSUIR O DNA RECOMBINANTE E SER UM TRANSGÊNICO, EM QUE TIPO DE CÉLULA É PRECISO REALIZAR A TRANSFORMAÇÃO?
Células somáticas garantem que todas as células vão possuir o DNA recombinante.
Qualquer célula do animal pode ser usada para se criar um transgênico, pois possui a capacidade de totipotência.
Apenas nas células germinativas, no óvulo e espermatozoide, pois, após a fecundação, todas as células do animal vão levar adiante o gene inserido.
Nas células germinativas, no óvulo e espermatozoide e nas células embrionárias ainda no estágio inicial do desenvolvimento. Assim, garante-se que todas as células do animal serão transgênicas. X Para que um animal receba o DNA recombinante contendo o gene de outra espécie, é necessário que o processo aconteça nas células germinativas, nos óvulos ou espermatozoides, mas também pode ser inserido nas células embrionárias iniciais.
Apenas nas células embrionárias em estágio inicial.
Parte inferior do formulárioParte superior do formulário
2. DENTRE AS DIVERSAS POSSIBILIDADES QUE A CRIAÇÃO DE ANIMAIS TRANSGÊNICOS TROUXE, A QUE REPRESENTA UMA APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO INCLUI:
A possibilidade de transplante interespécies, o chamado xenotransplante.
A produção de leite com menos lactose. X A aplicação da Biotecnologia Animal na produção visa aumentar o rendimento da produção, criando animais resistentes a doenças, com maior produção de carne, leite e menor teor de gordura, bem como características importante para venda do produto, como o leite com menos lactose para pessoas alérgicas.
A produção de fator de coagulação IX e fator VIII para tratar hemofilia B e A.
Modelos de estudo para doença de Parkinson.
Criação de animais de estimação variados.
Parte inferior do formulário
MÓDULO 3 Descrever como a Biotecnologia Ambiental contribui para diminuir a poluição ambiental
PRINCIPAIS POLUENTES E SEUS IMPACTOS NO MEIO AQUÁTICO
A biotecnologia ambiental tem suas aplicações principalmente na descontaminação de ambientes pelo uso de microrganismos ou outros seres vivos (biorremediação), reciclagem de nutrientes, preservação da biodiversidade, e, por isso, está cada vez mais presente em projetos ambientalmente sustentáveis. Ela está associada a todas as atividades humanas que afetam de forma direta ou indireta o meio ambiente. Portanto, aqui procuramos resolver problemas como o excesso de lixo, esgoto e qualquer efluente gerado pelas indústrias, pela agropecuária, agricultura, mineração, entre outras atividades.
Para entendermos a Biotecnologia Ambiental, vamos precisar dar uma olhada nas leis e formas que regem o nosso planeta. Uma das mais importantes diz respeito à lei da conservação de massas, que diz que nada no nosso planeta se cria, tudo se transforma. Podemos dizer que todos os recursos naturais utilizados são transformados em outros produtos.
Existem três parâmetros que determinam a qualidade de vida do nosso planeta:
População.
Recursos naturais.
Poluição.
A população mundial, de acordo com a Organização das Nações Unidas (ONU), em 2020, é de cerca de 7,79 bilhões de pessoas. Só no Brasil, temos cerca de 211,8 milhões de pessoas, e a perspectiva é que isso aumente ainda mais com o passar dos anos (ALVES, 2019). Os recursos naturais são os elementos do ambiente e da natureza que são utilizados pela população. Quando se fala em recursos naturais, podemos pensar em tecnologia, economia e meio ambiente.
Os recursos naturais são classificados em:
RENOVÁVEIS Aqueles que, após sua utilização, ficam disponíveis novamente para uso: água, ar e biomassa
NÃO RENOVÁVEIS Aqueles que, após sua utilização, não estão mais disponíveis para uso: combustível fóssil, minerais, urânio, cálcio, fósforo, entre outros.
A poluição surge pela utilização dos recursos naturais pela população, gerando substâncias ou energia prejudiciais ao meio ambiente. A poluição pode afetar a atmosfera (gases como o ar), litosfera (solo e rochas) e a hidrosfera (água) de forma negativa. Existem diversos parâmetros para avaliar seu impacto no meio ambiente. Podemos citar como poluentes o esgoto doméstico e industrial, efluentes gasosos, vazamento de óleo e petróleo, aterros sanitários, agrotóxicos, plásticos, chorume, entre outras formas de contaminação e poluição. Seus efeitos podem ser a nível local, regional ou global. Hoje, esforços para diminuir e/ou reverter os efeitos da poluição têm sido abordados em todos os países.
Com a expansão da população, ocorre o aumento do uso de recursos naturais e, como consequência, a poluição. Apesar dos esforços para um desenvolvimento sustentável, os danos ambientais gerados pela poluição só tendem a crescer.
O ambiente aquático se torna um dos mais afetados, uma vez que, além de compor os ecossistemas, pode ser utilizado por diversos animais, plantas e seres humanos, seja para recreação, seja para alimentação. Engana-se quem pensa que a poluição não chega até os seres humanos, pois existem várias formas de carregar a poluição e seus contaminantes.
A água faz parte dos recursos naturais renováveis devido ao ciclo da água ou ciclo hidrológico, que diz respeito ao movimento que a água faz entre a atmosfera e a superfície terrestre, passando por processos de evaporação, condensação, precipitação, infiltração e transpiração. A água é indispensável para manutenção da vida e pode ser encontrada em rios, lagos, mares, oceanos, no lençol freático ou em geleiras (Figura 9).
9: O ciclo da água.
Vale ressaltar que nem toda a água da superfície da terra pode ser consumida por animais e seres humanos, o que limita ainda mais este recurso. A poluição da água pode acontecer por elementos químicos, físicos ou biológicos que são liberados como consequência, principalmente, de esgoto doméstico ou industrial, efluentes industriais e atividades agrícolas, metais pesados (cobre, chumbo, zinco, cadmio, entre outros), hidrocarbonetos e pesticidas.
Nesse momento, não podemos considerar contaminação e poluição a mesma coisa, pois a contaminação ocorre quando existe um risco à saúde do homem e na poluição ocorre um desequilíbrio ecológico. Ou seja, contaminação nem sempre está associada à poluição, e vice-versa. Um ambiente pode estar poluído e não ser um risco para a saúde do homem, assim como um ambiente pode estar contaminado e ser um risco para a saúde do homem, embora não esteja poluído, pois não leva a um desequilíbrio ecológico.
Para avaliarmos a qualidade desses ambientes, podemos usar os bioindicadores e os biomarcadores:
BIOINDICADORES
São um grupo de espécies ou gêneros que crescem em determinada condição biológica, podendo estar em abundância ou não, dependendo da espécie, mas que reflete as oscilações ambientais e o impacto antropológico (feito pelo homem a partir da poluição).
BIOMARCADORES
São as variações a nível molecular, celular, fisiológico ou até comportamental que acontecem com as espécies que estão naquele ambiente e que indicam uma alteração prejudicial do ambiente. Exemplos: bioacumulação, biotransformação, estresse oxidativo, diversas proteínas, parâmetros hematológicos, imunológicos, reprodutivos etc.
Para ser considerado um bioindicador, a espécie deve ser sensível às variações do ambiente, e, assim, conseguir indicar um desequilíbrio ambiental causado pela poluição. Com isso, os bioindicadores mais utilizados são os macroinvertebrados bentônicos, que são um grupo de invertebrados visíveis a olho nu, como as espécies e os gêneros dos filos Mollusca, Arthropoda, Annelida e Platyhelminthes, entre outros. Estes vivem no fundo do ambiente aquático se alimentando de substâncias depositadas. Sua diminuição no ambiente indica poluição (Figura 10).
10: Dáfnias de água doce vistas ao microscópio.
São pertencentes ao filo Arthropoda.
Análise dos biomarcadores em peixes.
Os principais biomarcadores utilizados nas amostras de ambientes aquáticos incluem a atividade da enzima acetilcolinesterase, concentração de metalotionínas, atividade da catalase, da glutationa S-transferase, capacidade antioxidante, lipoperoxidação. Esses testes são realizados em laboratório e dependerão da espécie que está sendo testada. Alterações nessas atividades indicam poluição ambiental pela alteração do metabolismo, fisiologia ou comportamento do animal.
A poluição da água é um problema grave em todo o mundo, o que é impulsionado pelo aumento da população e o uso dos recursos naturais. Apesar de ser um recurso natural renovável, a água poluída ou contaminada não pode ser usada para o consumo de animais e seres humanos.
SABEMOS COMO IDENTIFICAR A POLUIÇÃO, COMO MEDIR OS POLUENTES BIOLÓGICOS, ORGÂNICOS E INORGÂNICOS, MAS O QUE TEMOS FEITO PARA MELHORAR ISSO?
TRATAMENTO DA ÁGUA RESIDUAL
A poluição e/ou contaminação de ambientes aquáticos diminui a disponibilidade de água para consumo e todas as atividades associadas aos seres humanos, como as industriais e de irrigação. Os poluentes precisam ser tratados antes de serem liberados no ambiente novamente. As águas provenientes da ação dos seres humanos e depois descartadas são ditas águas residuaise são constituídas pelos resíduos industriais, agrícolas e pelo esgoto. O objetivo do tratamento é diminuir a carga de poluentes que será liberada no ambiente.
Estação de tratamento de águas residuais.
O tratamento de águas residuais pode ser dividido em fases:
TRATAMENTO PRELIMINAR
Remoção de resíduos sólidos grosseiros que acabaram por parar no esgoto por descarte incorreto. O uso de filtros e calhas ajuda neste processo.
TRATAMENTO PRIMÁRIO
Resíduos sólidos e sedimentos, como areia, pedras e outros elementos são removidos pela caixa de areia e ficam no fundo do tanque. A parte liquida segue para a próxima etapa.
TRATAMENTO SECUNDÁRIO
Parte biológica, onde se usa microrganismos em tanques de aeração, para consumir a matéria orgânica presente na água. Os microrganismos consomem a matéria orgânica para o seu crescimento gerando flocos biológicos, o lodo. Nessa etapa, podem ser utilizados microrganismos aeróbicos (utilizam o oxigênio para o seu metabolismo) ou microrganismos anaeróbicos (não utilizam oxigênio para o seu crescimento). Depois disso, o líquido sofre um processo de decantação, onde o lodo formado vai para o fundo do tanque.
TRATAMENTO TERCIÁRIO
Acontece a remoção dos microrganismos, principalmente os que apresentam algum risco para o homem. Poluentes específicos também são removidos, como amônia e fósforo.
O tratamento de água residual faz parte da Biotecnologia Ambiental, ao transformá-la em água menos poluída pelo uso de microrganismos. As tecnologias mais avançadas já permitem o reuso da água residual, como, por exemplo, para a produção de biogás e biofertilizantes.
A biotecnologia entra na utilização dos biodigestores, que são equipamentos fechados que permitem que bactérias anaeróbicas(Bactérias que crescem na ausência de oxigênio.) cresçam. Nesse equipamento, é colocada toda a água residual contendo matéria orgânica, que será decomposta em um processo chamado de biodigestão. Nesse processo, as bactérias anaeróbicas alimentam-se de toda matéria orgânica presente na água, gerando o biogás, composto, principalmente, por metano, e biofertilizantes, compostos pela parte sólida da decomposição. O biogás pode ser utilizado como gás de cozinha, gerar energia e até abastecer um veículo. A parte sólida da biodigestão pode ser utilizada como biofertilizantes para plantas.
CURIOSIDADE
A biodigestão é usada principalmente por indústrias de alimentos, bebidas e na agropecuária, levando ao melhor aproveitamento dos resíduos industriais, à redução da geração de lodo, redução da utilização de produtos químicos e mão de obra.
Exemplo de um biodigestor aplicado na produção agrícola.
BIORREMEDIAÇÃO
Uma das grandes aplicações da Biotecnologia Ambiental é a biorremediação, tecnologia que visa reduzir ou remover poluentes do meio ambiente pela utilização de organismos vivos. Em outras palavras, quando um ambiente está poluído, alguns organismos, como plantas, microrganismos, fungos, algas ou algumas enzimas produzidas por organismos, são utilizados para digerir, alimentar-se do poluente e, assim, eliminá-lo daquele ecossistema, gerando produtos do metabolismo que são menos tóxicos, como, por exemplo, água, biomassa, gases, sais minerais, entre outros. Os biodigestores que permitem que a biodigestão aconteça são exemplos de biorremediação.
A biorremediação pode ser aplicada para tratamento de águas poluídas por agrotóxicos, chorume, efluentes industriais, esgoto doméstico, óleo, petróleo e plástico. As aplicações são finitas, e vários estudos estão sendo desenvolvidos com esses organismos.
Existem duas formas de aplicar a biorremediação:
BIORREMEDIAÇÃO IN SITU Aquela em que o organismo ou microrganismo é utilizado para digerir o poluente no local da poluição. Entretanto, uma preocupação desse método é liberar o organismo no ambiente e este crescer sem controle, afetando o ecossistema daquele local.
BIORREMEDIAÇÃO EX SITU Quando ocorre a remoção do poluente do ambiente para outro local a fim de tratá-lo com os organismos ou microrganismos digestores. Um dos principais problemas nesse tipo de procedimento é a retirada de grande quantidade de poluente, como em um vazamento de petróleo.
Os microrganismos são bastante estudados para o uso na biorremediação; por exemplo, sabemos que algumas espécies dos gêneros Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Penicillium são capazes de degradar petróleo e seus derivados. Achomobacter, Pseudomonas Athrobacter, Penicillum, Aspergillus, Fusarium podem degradar alguns derivados de combustível e resíduos industriais. Bactérias Alcaligenes e Pseudomonas podem utilizar o metal crômio, Bacillus e Escherichia podem usar o cobre do meio etc. No entanto, uma importante questão é como utilizar esses microrganismos sem afetar o ecossistema, pois seu crescimento descontrolado pode gerar outro problema de desequilíbrio ambiental.
Quando falamos em biorremediação e na utilização desses organismos para digerir os poluentes, precisamos pensar também nas condições de vida (temperatura, pH, umidade, toxidade, nutrientes e oxigênio) desses organismos. Como todo ser vivo, é necessário pensar nas condições químicas, físicas e biológicas do seu crescimento, seja na biorremediação in situ, seja na ex situ.
A biorremediação tem sido apontada como solução para o excesso de poluição causada pelo homem, pois utiliza organismos vivos encontrados naturalmente no ambiente para transformar o poluente em produtos menos tóxicos e de baixo custo comparados com outras técnicas para despoluição. Porém, precisa ser bem pensado e estudado, afinal o organismo ali inserido pode gerar outro problema de desequilíbrio ambiental.
Neste vídeo, você conhecerá um pouco sobre biorremediação.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
Parte superior do formulário
1. OS BIOINDICADORES SÃO ÚTEIS PARA ENTENDERMOS O IMPACTO DA POLUIÇÃO AMBIENTAL ENTRE OS DIVERSOS PARÂMETROS UTILIZADOS PARA ESTABELECER UM BOM BIOINDICADOR. PODEMOS USAR:
Variações a nível molecular, celular, fisiológico ou até comportamental que acontecem com as espécies que estão naquele ambiente.
A utilização de biodigestores.
Espécies do gênero Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Penicillium, que são capazes de degradar petróleo e seus derivados.
Grupo de espécies ou gêneros que crescem em determinada condição biológica, podendo estar em abundância ou não, dependendo da espécie, mas que reflete as oscilações ambientais e o impacto antropológico (feito pelo homem através da poluição). X Os bioindicadores são espécies sensíveis à variação negativa no ambiente e capazes de detectar e serem utilizados como parâmetros da qualidade do ambiente.
Os peixes, que são bons exemplos de bioindicadores.
Parte inferior do formulário
Parte superior do formulário
2. MUITOS ESTUDOS TÊM SIDO REALIZADOS NA ÁREA DA BIORREMEDIAÇÃO, TÉCNICA QUE PROMETE RESOLVER O PROBLEMA DE DIVERSOS POLUENTES E, ASSIM, MELHORAR A POLUIÇÃO AMBIENTAL. DIANTE DISTO, QUAL É A MELHOR DEFINIÇÃO DE BIORREMEDIAÇÃO?
É a produção de remédios a partir de bactérias.
O uso de espécies como indicadores da qualidade ambiental.
É o tratamento da água residual a fim de diminuir ou eliminar os poluentes.
É aplicar remédios no ambiente a fim de matar microrganismos contaminantes.
É a utilização de bactérias, principalmente para a limpeza de ambientes contaminados por poluentes. X A biorremediação busca tratar, remediar ambientes poluídos pelo uso de organismos vivos. O princípio é a utilização do poluente como fonte de nutrientes para esses organismos, que irão utilizá-los e transformá-los em produtos menos poluentes.
Parte inferior do formulário
MÓDULO 4 Reconhecer as aplicações da biotecnologia industrial, seus bioprodutos, as formas de bioenergia e os biocombustíveis
CARACTERÍSTICAS E CONCEITOS DA BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL
A Biotecnologia Industrial visa a substituição de processos industriais por processos mais limpos e menos poluentes pelo uso de organismos ou de partes destes. O melhoramento industrial pode ser aplicado a diversas indústrias, como a de alimentos, farmacêutica, cosmética, química, entre outras. A diminuição da poluição,conservação dos recursos naturais e redução dos custos pelo uso de tecnologias, como os biorreatores, bioenergia, biocombustíveis, produção de polímeros biodegradáveis e enzimas, são algumas de suas atribuições.
A Biotecnologia Industrial tem transformado a forma de produzir diversos produtos e permite a produção de outros. Como exemplos de produtos produzidos, destacam-se:
1. Vinho
2. Cerveja
3. Pão
4. Queijo
5. Iogurte
6. Vinagre
7. Leite fermentado
8. Produção de alguns antimicrobianos, como penicilina
9. Produção de bioprodutos em grande quantidade
O USO DE MICRORGANISMO NO PROCESSO DE PRODUÇÃO, SEJA PELO SEU CRESCIMENTO, SEJA PELO SEU METABOLISMO, NO PROCESSO CHAMADO DE FERMENTAÇÃO.
IMPORTANTE
Os bioprodutos se referem a novos produtos “desenvolvidos a partir de organismos e/ou partes constituintes destes”', que podem substituir ou elevar a produção de produtos de fontes não renováveis.
Na Idade Média, já era possível observar o uso de microrganismos, bactérias e fungos, para produção de alimentos (pão, cerveja e vinho). Ao longo dos anos, esses processos foram otimizados, e podemos usar os chamados biorreatores para produção deles. A engenharia genética contribuiu bastante para o aprimoramento destas metodologias.
Fonte: Shutterstock.com Processo fermentativo do pão (1º Pote: Tempo: 0 minutos / 2º Pote: Tempo: 30 minutos / 3º Pote: Tempo: 60 minutos).
A fermentação é o processo de obtenção de energia que algumas bactérias e fungos possuem que não utiliza oxigênio e, portanto, é anaeróbica. A principal fonte de energia são os açúcares e seus derivados; por exemplo, no leite, temos a lactose, na fruta, a sacarose, no trigo, o amido. Uma vez captado o açúcar pelo microrganismo, iniciam-se as reações bioquímicas dentro da célula para obtenção de energia. Inicialmente, o açúcar é quebrado em um processo chamado de glicólise, para gerar duas moléculas de ácido pirúvico. A diferença da fermentação está exatamente no fato de como essas duas moléculas de ácido pirúvico vão ser utilizadas pela célula.
Na fermentação, essas duas moléculas são convertidas a um produto de interesse pela indústria e, dependendo do produto, a fermentação recebe o seu nome. Por exemplo, temos bem estabelecida na indústria quatro tipos de fermentação, a fermentação alcoólica, cujo produto é o álcool ou etanol, utilizado na indústria cervejeira, de vinho e na produção de pão e bolos; fermentação láctica, em que o produto é o ácido láctico, usado para produtos derivados do leite, como queijo e iogurte; fermentação acética, em que o produto é o ácido acético usado para produzir o vinagre; na fermentação butírica, o ácido butírico produzido é utilizado para alterar as características da manteiga, dando origem à manteiga rançosa (Figura 11).
11: Tipos de fermentação.
O principal microrganismo usado para fermentação alcoólica é a levedura Saccharomyces cerevisiae, que utiliza como fonte de energia: a uva para gerar o vinho, a cevada para a produção da cerveja e o trigo para produção de pão e bolos. Na fermentação láctica, os lactobacilos são bastante utilizados e são um grupo de bactérias encontrado em alguns probióticos. Na fermentação acética, as bactérias ditas acéticas, destaca-se o gênero Acetobacter. Este tipo de fermentação gera o vinagre, cuja matéria-prima é o vinho; atualmente, é utilizado também o suco de diversas frutas, tubérculos, cereais, álcool etc. Na fermentação butírica, a principal bactéria fermentadora é Clostridium butyricum, usada para alterar as características da manteiga. Uma vez bem estabelecido o processo fermentativo e o microrganismo utilizado, esse processo começa a ser aplicado a nível industrial, ou seja, em larga escala em equipamentos chamados de biorreatores.
PROBIÓTICOS Alimentos que contêm microrganismos vivos que são benéficos à saúde humana.
Biorreator para a produção de medicamentos.
O biorreator possui uma entrada para matéria-prima a ser consumida, um sistema de agitação e um sistema de efluxo onde a solução vai sair e ser processada para a obtenção do produto. Durante o processo, a solução em constante agitação e o controle da temperatura, pH, pressão, entre outros fatores, permitem as condições ideias de crescimento destes microrganismos. Neles, acontecem os bioprocessos, reações bioquímicas feitas por microrganismos ou enzimas que alteram a matéria-prima.
Ele atua em quatro grandes campos:
Medicamentos.
Alimentos.
Bebidas.
Compostos industriais.
Neste vídeo, você conhecerá um pouco sobre o processo fermentativo na prática.
APLICAÇÕES DA BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL
A utilização do biorreator vai além da produção desses alimentos mencionados anteriormente; eles podem ser empregados para a produção de insulina humana em bactérias que receberam o gene da insulina pela tecnologia do DNA recombinante, produção de vacinas, de antimicrobianos em larga escala e outros insumos. Por exemplo, a bactéria Clostridium acetobulylicum, utilizada para obtenção de acetona e butanol pelas indústrias, o fungo Aspergillus niger, empregado na produção de ácido cítrico, e a bactéria Pseudomonas denitrificans, para produção de vitamina B12.
É importante destacar que uma das grandes aplicações para as indústrias é a obtenção de enzimas que possam ser utilizadas como produtos. Essa aplicação ganhou destaque na década de 1970, quando o uso de fosfato em produtos para lavagens de roupa estava poluindo o ambiente. Para solucionar esse problema, as indústrias desenvolveram processos para produzir em larga escala enzimas que substituíssem o uso do fosfato, pois produtos de base biológica são menos poluentes para o ambiente.
Algumas enzimas são produzidas em grande quantidade nos biorreatores pelo crescimento do microrganismos, capazes de sintetizá-las. Ao final do processo, essa enzima é extraída para que seja aplicada em algum produto. Além disso, é possível adicionar o gene para uma enzima de interesse no microrganismo e fazer com que este passe a produzir a enzima. Apesar de conseguimos tirar enzimas de qualquer tipo de fonte celular, como vegetais ou animais, os microrganismos são os mais utilizados devido ao seu rápido crescimento, à produção em larga escala nos biorreatores e às fontes de energia mais baratas.
Essas enzimas são utilizadas na indústria de alimentos para a produção de queijo e suco; têxtil, para a produção de roupas; na indústria de papel e na indústria farmacêutica, com diferentes aplicabilidades, até mesmo para a formulação dos cosméticos aplicados na estética.
Para conhecer mais sobre as enzimas utilizadas, não deixe de visitar o Explore+! Vale a pena a visita!
PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEL
A Biotecnologia Industrial também se preocupa com o uso de fontes de energias renováveis. Atualmente, a fonte de energia mundial são os recursos não renováveis derivados do carbono fóssil, como petróleo, carvão e gás natural. Essas fontes são limitadas; estima-se que, ainda neste século, ocorra uma possível escassez destes recursos, que são altamente poluentes, agravando o efeito estufa pela produção de CO2, NO x, SO2, entre outros.
Uma solução para esse problema está no uso e desenvolvimento dos biocombustíveis, que são fontes de energia alternativas e renováveis, geradas a partir da biomassa, ou seja, de material orgânico de origem vegetal ou animal.
Os principais biocombustíveis incluem:
Biogás.
Etanol.
Biodiesel.
O biogás é obtido a partir da decomposição anaeróbica da matéria orgânica vegetal ou animal, do esgoto doméstico ou industrial ou de efluentes industriais diversos, por meio de um processo de fermentação. Durante esse processo, há a formação do metano e do dióxido de carbono, principalmente e em menor quantidade, de hidrogênio, nitrogênio, amônia, ácido sulfídrico, monóxido de carbono, aminas voláteis e oxigênio. Entretanto, a produção desses gases varia de acordo com a origem da biomassa.
O processo de produção de biogás ocorre nos biorreatores ou biodigestores e são compostos por três etapas. São elas:
HIDRÓLISE Ocorre a solubilização do material a ser utilizado no processo. Nesta primeira etapa,os constituintes orgânicos são quebrados em compostos mais simples e solúveis.
FERMENTAÇÃO Os microrganismos consomem o material orgânico sem o uso de oxigênio, por reações químicas anaeróbicas a partir da fermentação. Os produtos da fermentação vão ser o lodo, parte sólida, que pode ser utilizada como biofertilizante, e produtos como acetato, hidrogênio, CO2, propianato e butirato.
METANOGÊNESE Nesta etapa, são utilizados microrganismos chamados de metanógenos, que vão utilizar os produtos (acetato, hidrogênio e CO2) obtidos na etapa de fermentação para produzir o metano, o biogás que pode ser empregado como fonte de energia (Figura 12).
12: Produção de Biogás a partir de resíduos animais.
O uso de biogás gera menos poluentes para o ambiente, reduz o desmatamento, a economia com os trabalhadores e ajuda na eliminação de dejetos de animais e humanos.
A produção de etanol, também conhecido como álcool, faz parte dos biocombustíveis por utilizar fontes renováveis para sua geração e poluir menos o ambiente. O etanol é um líquido, transparente, volátil e combustível, cuja fórmula química é CH 3CH2OH. Dependendo do teor de água no etanol, podemos ter o etanol anidro, teor de 0,5%, e o etanol hidratado, teor de 5%. Além de ser utilizado para produção de bebidas, produtos farmacêuticos, perfumaria e como antisséptico para eliminação de microrganismos, também pode ser empregado como combustível ou aditivo, onde cerca de 25% da gasolina é composta por álcool anidro.
As principais fontes para produção de etanol incluem:
Cana-de-açúcar.
Milho.
Aveia.
Arroz.
Cevada.
Trigo.
Outras fontes têm sido pesquisadas. O Brasil é o maior produtor de etanol usando cana-de-açúcar, que até o momento tem se mostrado a fonte de melhor rendimento. Por ser derivado de vegetais, é uma fonte renovável e menos poluente que o petróleo; seu processo de produção envolve a fermentação alcoólica.
Produção de etanol por meio da fermentação da cana-de-açúcar, milho e celulose.
COMO OCORRE A PRODUÇÃO DE ETANOL?
Inicialmente, a cana sofre um processo de moagem, gerando o caldo de cana, que é posteriormente aquecido, para gerar o melaço. Ao melaço, são adicionados os microrganismos fermentadores, normalmente a levedura Saccharomyces, que utilizam o açúcar da cana, a sacarose, para obter energia e como produto o etanol e CO2. Após a fermentação, é realizada a destilação do mosto fermentado, com o objetivo de separar o etanol. No processo de destilação, o mosto fermentado é aquecido, e o álcool é evaporado e, depois, refrigerado para que seja condensado, e o etanol, separado. O teor de etanol é de 96% e 4% de água. Todo o processo de fermentação acontece no biorreator ou em tanques de fermentação.
O diesel ou óleo diesel é um combustivo obtido da destilação do petróleo e usado para motores a diesel, principalmente em veículos que precisam de elevada potência, como os ônibus, caminhões de grande porte, tratores, na mineração e dragagem. Além de utilizar um recurso não renovável para sua produção, ainda contribui para o efeito estufa, liberando grande quantidade de gás carbônico, oxido de nitrogênio, enxofre, fuligem(Substância preta proveniente da queima de matéria orgânica.), entre outros gases.
Fábrica de biodiesel.
O substituinte do diesel tem sido o biodiesel, cuja produção é derivada de óleos vegetais e gordura animal, com baixos índices de poluição. Os vegetais oleaginosos, aqueles ricos em óleos e gorduras, como girassol, amendoim, mamona, soja, milho, palma, algodão, entre outros, são a matéria-prima vegetal para produção de biodiesel, além de carcaças de animais. Óleos gordurosos de frituras também podem ser utilizados.
PROCESSO DE PRODUÇÃO DO BIODIESEL
1 A primeira etapa da sua produção envolve a obtenção do óleo puro e a eliminação do máximo de água desse material.
2 O óleo e a gordura obtidos são ricos em ácidos graxos, em sua maioria formando os triglicerídeos (uma glicerina mais três ácidos graxos).
3 Ocorre uma reação de transesterificação, com a separação da glicerina dos ácidos graxos.
4 A glicerina é removida e pode ser utilizada pela indústria de cosméticos, por exemplo.
5 Os ácidos graxos separados são colocados em contato com um álcool de cadeia curta, como etanol ou metanol, o que leva a uma reação de esterificação, ou seja, o ácido carboxílico, presente no ácido graxo, reage com o álcool, produzindo éster e água, originando, assim, o biodiesel.
Todo esse processo acontece na usina usando reatores. O biodiesel é misturado com diesel comum e segue para consumo – cerca de 12% do diesel é composto pelo biodiesel.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
Parte superior do formulário
1. OS MICRORGANISMOS ANAERÓBICOS SÃO OS RESPONSÁVEIS PELA REALIZAÇÃO DO PROCESSO DE FERMENTAÇÃO, PODENDO SER UTILIZADAS LEVEDURAS OU BACTÉRIAS NESSE PROCESSO. ASSINALE A ALTERNATIVA QUE MELHOR CARACTERIZA ESSES MICRORGANISMOS:
Precisam de oxigênio para obter sua energia.
Obtém sua energia através da respiração aeróbica.
Precisam de um ambiente sem oxigênio para que a fermentação aconteça. X A fermentação é uma forma de obtenção de energia anaeróbica, sem a utilização de oxigênio. É usada para alterar uma matéria-prima e obter um produto de interesse.
Convertem ácido pirúvico em ácido lático.
A fermentação não é utilizada pela Biotecnologia Industrial.
Parte inferior do formulário
Parte superior do formulário
2. O USO DOS BIOCOMBUSTÍVEIS, COMO O ÁLCOOL GERADO PELA FERMENTAÇÃO DA CANA-DE-AÇÚCAR E O BIODIESEL, PODE AJUDAR A DIMINUIR A LIBERAÇÃO DE GASES POLUENTES QUE CONTRIBUEM PARA O EFEITO ESTUFA. COM ISSO, O USO DE BIOCOMBUSTÍVEIS TEM SIDO UMA ALTERNATIVA FAVORÁVEL DEVIDO AO FATO DE QUE:
São provenientes de fontes não renováveis e podem acabar com essas fontes.
Ajudam a eliminar gases poluentes da atmosfera.
Ajudam na economia do país e geram mais empregos.
Destroem os recursos renováveis.
São provenientes de fontes renováveis e emitem menos gases poluentes. X O uso de biocombustível é incentivado por usar fontes renováveis e emitir menos poluentes, quando comparado aos combustíveis de origem não renovável, contribuindo para menores impactos ambientais.
Parte inferior do formulário
image2.jpeg
image3.jpeg
image4.jpeg
image5.jpeg
image6.jpeg
image7.jpeg
image8.jpeg
image9.jpeg
image10.jpeg
image11.jpeg
image12.jpeg
image13.jpeg
image14.jpeg
image15.jpeg
image16.jpeg
image17.jpeg
image18.jpeg
image19.jpeg
image20.jpeg
image21.jpeg
image22.jpeg
image23.jpeg
image24.jpeg
image25.jpeg
image26.jpeg
image27.jpeg
image28.jpeg
image29.jpeg
image30.jpeg
image1.jpeg
image31.jpeg
image32.jpeg
image33.jpeg