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Introdução a Microbiologia Eliana Barreto Bergter Farmácia- Microbiologia Geral- 2º semestre 2016 Seis principais vias de produção de biocombustíveis, baseadas nas principais matérias primas, processos de conversão e moléculas de biocombustíveis formadas. O que é Microbiologia? E o que é um microrganismo? - É um organismo unicelular microscópico. - Os m-os distinguem-se das células de organismos macroscópicos, como vegetais e animais pois são capazes de viver de forma independente na natureza. - Os m-os realizam seus processos vitais de crescimento, geração de energia e reprodução, independentemente de outras células. O que é uma célula? É a unidade básica dos seres vivos. Quais as características dos seres vivos? 1. Metabolismo Incorporação de nutrientes do meio ambiente, transformação destes nutrientes dentro da célula eliminação de compostos não utilizados para o ambiente. A célula é um sistema aberto. 2. Reprodução (crescimento) Os nutrientes absorvidos do ambiente são utilizados na síntese de novas células , a partir das pré-existentes 3. Diferenciação Formação de uma nova estrutura celular, como um esporo, como parte do ciclo de vida celular. 4. Comunicação As células se comunicam ou interagem através de substancias químicas liberadas ou incorporadas por elas 5. Movimento Os organismos vivos são capazes de se movimentar ( propulsão) 6. Evolução As células contem gens que podem evoluir, conferindo novas propriedades biológicas as células. As árvores filogenéticas mostram as relações evolucionárias entre as células Principais componentes celulares e estruturas "chave" de uma célula Macromoléculas Proteínas Acidos nucleicos Lipídios Polissacarídios Estruturas "chave“ Membrana citoplasmática Ribosomas Citoplasma Núcleo Hierarquia estrutural na organização celular A Microbiologia abrange 2 temas principais: 1.O entendimento dos processos básicos da vida. 2. A aplicação do nosso conhecimento sobre a microbiologia para o benefício da humanidade Como nasceu a Microbiologia ? Antonie van Leeuwenhoek em 1684, observou os microrganismos pela primeira vez. Como os microorganismos foram observados pela primeira vez.... ... e quantas formas diferentes... Diversidade microbiana na natureza Tamanho de uma célula bacteriana Onde se encontram os microrganismos entre os seres vivos? Através da análise do rRNA 16-18S, os seres vivos foram distribuídos em 3 domínios principais Árvore filogenética dos seres vivos, mostrando os 3 domínios da vida Dois padrões estruturais de células são reconhecidos: Células procarióticas e Células eucarióticas Qual a diferença fundamental entre elas? Célula procariótica Célula eucariótica Aspergillus flavus- fungo Trypanosoma cruzi - protozoário Microrganismos eucarióticos Microrganismos procarióticos Escherichia coli - bactéria Staphylococcus aureus - bactéria Microbiologia como uma ciência biológica básica, fornece: -Um conhecimento sobre as bases química e física da vida, através de estudos com os m-os. Bactérias e leveduras são importantes no estudo da biologia molecular, bioquímica e genética. E por que? 1. Se reproduzem rapidamente. 2. São geneticamente (DNA) e bioquimicamente mais simples que os organismos superiores e compartilham várias características com as células de organismos multicelulares. Por que estudar Microbiologia? Qual a importȃncia dos microrganismos? "O papel dos infinitamente pequenos na natureza é infinitamente grande“ Louis Pasteur Impacto dos microrganismos na vida humana Bioremediação Controle de Doenças Agricultura Alimentos Biocombustíveis Biotecnologia Microbiologia como uma Ciência Aplicada Medicina – Desenvolvimento de vacinas, produção de antibióticos, produção de enzimas como insulina. Indústria de alimentos – Produção de cerveja, vinho, queijos , iogurtes. Agricultura – Manutenção da fertilidade do solo, digestão de ruminantes. Meio ambiente - Ecologia – Bioremediação – microrganismos que degradam resíduos tóxicos. Microrganismos e as doenças POSTULADOS DE KOCH 1. O microrganismo deve estar sempre presente nas lesões dos organismos doentes (Associação constante). 2. O microrganismo deve ser isolado e cultivado em cultura pura. 3. O microrganismo isolado, deve reproduzir os sintomas quando inoculado em um organismo sadio. 4. O microrganismo deve ser ré-inoculado do organismo inoculado e corresponder, em todas as suas características, com o isolado das lesões. Koch mostrou que a bacteria que causava o carbúnculo era o Bacillus anthracis . Estabeleceu então a relação entre microrganismo – doença Postulados de Koch As atividades benéficas dos m-os são derivadas de suas atividades metabólicas no ambiente, suas associações com plantas e animais e seu uso na produção de alimentos e nos processos biotecnológicos. Papel dos microrganismos no meio ambiente 1. Fixação de nitrogênio atmosférico 2. Decomposição da matéria orgânica e resíduos 3. Reciclagem de nutrientes 4. Degradação de produtos tóxicos, incluindo pesticidas 5. Produção de antibióticos e outros compostos bioativos 6. Complexação de metais pesados Microrganismos e a agricultura Algumas bactérias fixam o nitrogênio em associação simbiótica com plantas. Outras bactérias que fixam o nitrogênio se encontram livres no solo e em “habitats” aquáticos. Fixação simbiótica de nitrogênio Bactéria associada às raízes das plantas leguminosas ( - ) bactéria ( +) bactéria nódulos Resultado da fixação : aumento da fertilidade do solo Fixação de nitrogênio Proteína Acido nucleico Por que os ruminantes ( boi, vaca, ovelha) conseguem se alimentar de capim ao contrário dos seres humanos? Bactérias Fungos Degradação da celulose pelas bactérias presentes no rumen Qual o papel dos microrganismos no meio ambiente? Bioremediação- uso de bactérias, fungos e algas para detoxicar ambientes poluídos Reciclagem de carbono, nitrogênio e enxofre Microrganismos e os ciclos geoquímicos Ciclo do carbono e oxigênio na natureza Microrganismos e o meio ambiente : bioremediação Bioremediação : o uso de bactérias , fungos e plantas na degradação de compostos químicos tóxicos que se acumulam no ambiente Bactérias “amigas” (ou do bem) “comem” óleo e resíduos de hidrocarbonetos Os microrganismos digerem e metabolizam estes resíduos transformando-os em água e gases não poluentes Finalmente, os microrganismos liberam a água e os gases e os retornam à natureza Bioremediação - Poluentes naturalmente encontrados no ambiente , mas presentes em alta concentração. - Óleo bruto - Óleo refinado - Fosfatos - Metais pesados Quais são os contaminantes do ambiente? - Xenobióticos – compostos sintéticos que nunca existiram no ambiente. - Pesticidas - Herbicidas - Plásticos Degradação aeróbica do composto Degradação anaeróbica do composto Tratamento de lodo ativado Tratamento de esgotos Microrganismos e os alimentos Produção de alimentos Fermentação alcoólicaFermentação lática Desde a idade antiga os microrganismos já eram utilizados pelos egípcios para a produção de pão, cerveja e vinho. Esquema do processo de obtenção de cerveja Cerveja tipo Lager x Ale Lager : Fermentação a baixa temperatura ( ~13◦C), diminui a atividade da levedura e requer um maior tempo dematuração. A baixa temperatura pode inibir a produção de ésteres, que dão o aroma, como também a produção de outros sub- produtos. T~25oC T~13 oC Microrganismos e a produção de energia: Biocombustíveis Tecnologias para obtenção de biocombustíveis (Etanol e Biodiesel) O ciclo do biodiesel Esquema de obtenção de biodiesel a partir de algas Processo enzimático para obtenção de biodiesel A- Reator B- Separação (centrifugação/decantação) C- Filtração D- Purificação do produto e recuperação do álcool Reação de trans-esterificação Reação de esterificação Biotechnology and Bioengineering, Vol. 102, No. 5, April 1, 2009 Agricultura +genômica microbiana =Biocombustíveis Seis principais vias de produção de biocombustíveis, baseadas nas principais matérias primas, processos de conversão e moléculas de biocombustíveis formadas. Nature biotechnology, 2016 biosurfactantes Microrganismos e a produção de São moléculas produzidas por microrganismos e podem ser classificadas em moléculas de baixo peso molecular ( glicolipídios, lipopeptídios e flavolipídios) e de alto peso molecular ( polissacarídios, proteínas, lipopolissacarídios e lipoproteínas). O que são biosurfactantes? Isolamento e purificação de biosurfactantes Critical Review in Biotechnology, 2016 Classes de biosurfactantes Uso de biosurfactante para remoção de metais Aplicação dos biosurfactantes na indústria do petróleo Técnica de recuperação de óleo (MEOR) Uso de uma preparação bruta de biosurfactantes ou uma cultura morta de microrganismos para liberar o óleo bruto de um determinado local. Etapas na recuperação de óleo dos poços 1. Recuperação primária: produção sob pressão natural e caraterísticas fluidas do óleo cru até 15% do óleo presente. 2. Substâncias incluindo injeção de CO2, polímeros surfactantes alcalinos, solventes para uma retirada de 15-20% do óleo. 3. Recuperação terciária ou aumento da recuperação do óleo (EOR): o óleo remanescente é extraido após as 2 etapas acima, porém o processo não é econômico. Recuperação de mais de 10% do óleo no poço, através da utilização de microrganismos e/ou seus produtos finais do metabolismo para a recuperação do óleo residual que fica retido no poço devido a baixa permeabilidade de alguns reservatórios ou a alta viscosidade resultante da baixa mobilidade. O MEOR leva a uma redução da viscosidade do óleo pela quebra parcial das moléculas presentes no óleo. Quais as vantagens do MEOR ? Esquema do processo MEOR, usando biosurfactantes Bioremediação de petróleo Microrganismos e o controle biológico O que é controle biológico? É o uso de antagonistas naturais para combater pragas ou doenças e plantas , como uma alternativa ao uso de pesticida químicos. Bacillus thuringiensis – o primeiro biopesticida A endotoxina ou proteína Cry, sintetizada durante a esporulação, apresenta propriedades inseticidas. Esta molécula tem como mecanismo de ação a formação de poros transmembrana ou canais iônicos levando a lise osmótica. Formulações comerciais baseadas nos biofungicidas produzidos por Bacillus Microrganismos e os Probióticos São microrganismos incorporados em alimentos, bebidas ou como suplementos nutricionais com a finalidade de melhorar a saúde humana. Os microrganismos mais comumente usados são do gênero Lactobacillus e Bifidobacterium. O que são probióticos? Papel dos probióticos Conversa entre o hospedeiro e os micróbios: impacto no metabolismo Células epiteliais+ camada de muco+ peptídios antimicrobianos ajudam a manter os micróbios longe do epitélio. Microrganismos específicos como a bactéria Akkermansia muciniphilia aumentam a função da barreira intestinal e a espessura da camada de muco. Dieta com alto teor de gordura e baixo teor de fibra, modifica a composição da microbiota do intestino e componentes inflamatórios vão para a corrente sanguínea devido a alteração na função da barreira do intestino. Microrganismos e a biotecnologia A era moderna da Microbiologia Tecnologia do DNA recombinante - Manipulação de genes de microrganismos, plantas e animais para aplicações práticas. - Produção de fatores de coagulação sanguínea para o uso por hemofílicos. DNA recombinante DNA recombinante e a indústria farmacêutica 1. Produção de insulina recombinante (Humulina) 2. Produção de hormônio de crescimento humano recombinante 3. Produção de fator VIII de coagulação sanguínea 4. Produção de vacina de hepatite B recombinante Esquema da produção de insulina recombinante (humulina) Esquema da produção de vacina de hepatite B recombinante DNA recombinante e a indústria de alimentos - Quimosina (renina) recombinante – na indústria de laticínios para coagulação do leite na fabricação do queijo. - Enzimas recombinantes da biossíntese de beta caroteno – produção de arroz dourado, contendo maior teor de vitamina A. Ainda não disponível no mercado e muitas controvérsias sobre seu uso. O inseto come os cristais da bacteria (Bt) e seus esporos. A toxina se liga a receptors específicos no intestine do inseto, impedindo o inseto de se alimentar. Os cristais destroem a parede do intestine permitindo que os esporos e a flora normal do intestino do inseto entrem na circulação. O inseto more pois os esporos e as bactérias intestinais proliferam no seu corpo. Toxins (2014) 6(12): 3296- 3325. Bt toxina recombinante produzida por Bacillus thuringiensis DNA recombinante e a agricultura: Biopesticidas A era moderna da Microbiologia Terapia gênica Inserção de um gene ou reparo de um gene defeituoso em humanos, através da inserção do gene desejado em células do hospedeiro. 1. Um fragmento de DNA ou um gene contendo a informação para a produção de uma proteína é inserido em um vetor , que pode ser um vírus, uma bactéria ou um plasmídio. 2. O vetor atua como um meio de transporte para o novo DNA dentro da célula de um indivíduo com uma doença genética. 3. Uma vez dentro das células do indivíduo, o DNA/gene é expresso pela maquinaria da célula normal , levando a produção de uma proteína terapêutica e tratamento da doença. Terapia gênica Terapia para a inserção de um gene funcionante Terapia para o bloqueio de um gene inativo Terapia para a eliminação de uma célula específica Inserção de um DNA contendo um gene que expressa uma proteína marcadora da célula doente, que reconhece um anticorpo e é destruída por ele. Inserção de um DNA contendo um gene suicida que produz uma substância tóxica que destrói a célula doente. Cronologia das principais descobertas da Microbiologia Próxima aula: Olhando as estruturas celulares - Quais as estruturas presentes em uma célula bacteriana? - Quais as funções destas estruturas ? - Como as células bacterianas diferem das células de plantas e de animais?
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