AULA 1 Microbiologia Básica - Bioquímica Industrial

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
107042 A Bioquímica Industrial
Apresentação:
Aula: Noções básicas de microbiologia e bioquímica 
 Prof. Claudio Alberto Torres Suazo
São Carlos SP
fevereiro - 2016
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107.042 - BIOQUIMICA INDUSTRIAL (A)
Objetivos gerais:
Fornecer conhecimentos básicos sobre:-cinética enzimática-cinética das transformações celulares-meios produtivos em pequena e grande escala-processos biotecnológicos de maior interesse prático
Ementa:
1. Noções de microbiologia industrial 2. Conceitos básicos de cinética enzimática 3. Noções sobre engenharia das reações bioquímicas 4. Estudo dos principais processos enzimáticos e biológicos de interesse tecnológico 5. Laborátório.
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A avaliação é composta de: P1= primeira prova; P2= segunda prova; R=relatórios; S= seminário; AC = atividades complementares. 
A média final (MF) é calculada de acordo com: 
MF = 0,6x(média da provas) + 0,2x(média das notas de relatórios) + 0,1x(nota do seminário*) + 0,1x(nota das atividades complementares)
 Para aprovação na disciplina é necessário: MF>=6,0 e frequência mínima de 75% na disciplina.
Avaliação do aluno:
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* Nota do seminário = Nota Apresentação Oral
Outras considerações importantes:
- não haverá prova substitutiva
- ausência na aula prática: nota do relatório = zero
- ausência na apresentação do seminário: nota da apresentação oral = zero
- a disciplina será oferecida em avaliação complementar de recuperação (PR, individual) para os alunos que atingirem média final entre 5 e 5,9 com frequência igual ou superior à 75%. A avaliação será realizada por meio de prova com conteúdo e datas a serem definidos em reunião com os alunos na segunda semana letiva do semestre subsequente. Se o aluno tirar nota na PR>=6,0 será considerado aprovado. 
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Bibliografia:
- PELCZAR JR, J. M.; CHAN, E.C.S.; KRIEG, N.R. Microbiologia: Conceitos e aplicações, v.1, Makron Books, São Paulo, 1996.
- BORZANI, W.; SCHMIDELL, W.; LIMA, U.A.; AQUARONE, E. Biotecnologia Industrial, v.1: Fundamentos, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 2001.
- SCHMIDELL,W.; LIMA, U.A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. Biotecnologia Industrial, v.2: Engenharia Bioquímica, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 2001.
- LIMA, U. A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W.; SCHMIDELL,W. Biotecnologia Industrial, v.3: Processos fermentativos e enzimáticos, Ed. Edgard Blücher,São Paulo, 2001.
- SHULER, M.L.; KARGI, F. Bioprocess Engineering: Basic Concepts, Prentice-Hall, 1992.
- DORAN, P.M. Bioprocess Engineering Principles, 2ª ed., Academic Press, 2013.
Brasil pesquisa fibra sintética a partir da teia de aranhas do país
Embrapa encabeça experimentos que podem levar à produção de materiais mais resistentes e flexíveis
O GLOBO 
Ao mesmo tempo flexível e resistente, a teia de aranha de várias espécies brasileiras já é recriada em laboratório pela Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa). Cientistas da unidade de Recursos Genéticos e Biotecnologia do órgão vêm trabalhando no desenvolvimento do material, o qual, de acordo com o coordenador da pesquisas, Elibio Rech, seria uma opção para diferentes setores da indústria.
- Seria útil para tudo o que se possa imaginar: para diminuir o peso de um avião e economizar combustível, lançando menos CO2 na atmosfera; para um colete ou terno à prova de bala levíssimo, por exemplo. Alguns materiais quebram porque não têm flexibilidade, e quando são muito flexíveis, deixam de ser resistentes. A teia de aranha possui duas características em um material só - explicou Rech.
Segundo o pesquisador, as aranhas foram retiradas da Amazônia, Mata Atlântica e Cerrado. Em laboratório, o genoma dela foi decodificado e foram descobertos os genes relacionados com a produção da fibra pela aranha. A partir daí, a fibra sintética biodegradável foi reproduzida num organismo vivo, no caso, uma bactéria.
- Nós sabemos fazer uma fibra sintética, não precisamos mais da aranha, mas precisamos de algum organismo que produza isto em escala, precisamos de um sistema de produção, que poderia ser o leite de um vaca ou uma semente de uma planta. Fizemos na bactéria porque é rápido, mas o custo ainda é alto - explica
O alto valor da experiência na bactéria ainda é um empecilho para a produção da fibra em escala comercial. A Embrapa vem agora testando a técnica em sementes. A pesquisa, financiada pelo governo federal, teve investimentos de R$ 1,7 milhão em seis anos de experiências.
- O desafio está exatamente em pegar este conhecimento que nós já temos, e tornar isso economicamente viável - ressaltou.
Os cientistas usam a nanotecnologia para observar detalhes de cada fio ampliado em até um bilhão de vezes. Isso permite diferenciar, por exemplo, as fibras mais elásticas das mais resistentes.
A aranha Parawixia bistriata, encontrada no Cerrado, é uma das espécies que serviu de base para pesquisas da Embrapa
Noticia:
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A célula: unidade fundamental dos seres vivos
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A evolução da vida na terra ao longo do tempo
O número total de células microbianas
 na terra é de aprox. 5x1030 células.
 Equivale a 10X a biomassa vegetal
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http://www.simbiotica.org/celula.htm
Estruturas das células Procarióticas e Eucarióticas
Célula procariótica
(bactéria) 
Células eucarióticas
Célula animal
Célula de planta
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Uma outra forma de comparar células Procarióticas e Eucarióticas:
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A origem da mitocôndria:
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A origem da mitocôndria:
A origem do cloroplasto:
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Os tamanhos dos microorganismos
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Uma comparação entre células procarióticas e eucarióticas:
Característica
Procarióticas
Eucarióticas
DNA em forma de cromossomos
Não
Sim
Membrana nuclear
Não
Sim
Mitocôndria
Não
Sim
Retículo endoplasmático
Não
Sim
Complexo de Golgi
Não
Sim
Aparelho fotossintético
Clorosomas
Cloroplastos
Esporos:
Resistência ao calor
Endósporos*
Alta
Endoeexo-esporos**
Baixa
Organismos
Unicelulares
Uni ou pluricelulares
Metabolismo
Aeróbico e Anaeróbico
Maioria Aeróbica
Tamanho Celular
1-10 µm
10-100µm
* Normalmente esporos para proteção do ambiente agressivo
** Normalmente esporos para reprodução
Problema sério na indústria
 de alimentos
Se espalham e contaminam
 o ambiente
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Importância dos microorganismos para os seres humanos:
Aqui pode ser incluído o caso da
 produção de teia de aranha. E como 
esse caso, muitos outros.
Cuidado! Muita gente confunde o 
termo biotecnologia como sendo
 só isto aqui (muito restrita).
Em resumo pode-se 
dizer que a maioria 
dos microorganismos
 são benéficos
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Os microrganismos foram utilizados por centenas de anos na fabricação de produtos 
de fermentação do leite, bebidas alcoólicas e similares. Mais recentemente vêem sendo
 utilizados para produção de antibióticos, enzimas específicas e uma grande variedade de compostos químicos. 
Além disso , mediante o uso da engenharia genética os genes provenientes de qualquer 
fonte podem ser manipulados e modificados utilizando-se microorganismos e suas enzimas como ferramentas moleculares. Alguns chamam isto de Biotecnologia, porém o conceito formal de Biotecnologia é muito mais amplo, como mostraremos a seguir.
O caso mostrado em aula sobre a utilização e industrialização de teia de aranha é apenas um exemplo dos muitos casos existentes.
Definição de Biotecnologia
A Convenção sobre Diversidade Biológica da ONU possui uma das muitas definições de biotecnologia:
“qualquer aplicação tecnológica que use sistemas biológicos, organismos vivos ou derivados destes, para fazer ou modificar produtos ou processos para usos específicos.”
 
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A definição ampla de biotecnologia é o uso de organismos vivos ou parte deles, para a produção de bens e serviços. Nesta definição se enquadram um conjunto de atividades que o homem vem desenvolvendo há milhares de anos, como a produção de alimentos fermentados (pão , vinho , iogurte, cerveja, e outros). 
Por outro lado, a biotecnologia
moderna se considera aquela que faz uso da informação genética, incorporando técnicas de DNA recombinante.
Culturas como as da Mesopotâmia, Egito e Índia desenvolveram o processo de fabricação de cerveja. Foi uma das primeiras aplicações da biotecnologia
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Então, no sentido mais amplo a Biotecnologia abrange várias 
aplicações, como: 
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Áreas de conhecimento envolvidas na Biotecnologia:
Biotecnologia branca (biotecnologia industrial):
A biotecnologia branca abrange a área de utilização da biotecnologia dentro da indústria química. O objetivo da biotecnologia branca é produzir substâncias tais como o álcool, as vitaminas, os aminoácidos, os antibióticos ou as enzimas de modo compatível com o ambiente e com os recursos naturais. 
Este tipo de atividade está buscando substituir as tecnologias poluentes por outras mais limpas ou amigáveis com o ambiente. Basicamente, emprega organismos vivos e enzimas para obter produtos mais fáceis de degradar, e que requeiram menos energia e gerem menos resíduos durante a sua produção.
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• Biotecnologia vermelha:
A biotecnologia vermelha (medicina) é considerada a área de utilização mais importante da biotecnologia. Os processos de biotecnologia desempenham um papel cada vez mais importante no desenvolvimento de novos medicamentos (por exemplo para tratamento do câncer). A biotecnologia tem também o maior significado no diagnóstico (chips de DNA, sensores biológicos). 
• Biotecnologia verde:
A biotecnologia verde abrange a área de utilização da cultura moderna de plantas. Com recurso aos métodos da biotecnologia são aqui introduzidas resistências direcionadas contra insetos, fungos, vírus e herbicidas. A engenharia genética é particularmente importante para o sector da biotecnologia verde. Esta possibilita transferir determinados genes de uma espécie para outras plantas, permitindo assim desenvolver resistências. 
Informação:
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• Biotecnologia cinzenta:
A biotecnologia cinzenta trata o sector da técnica ambiental. Aqui os processos biotecnológicos ajudam no saneamento dos solos, no tratamento das águas residuais, da limpeza de gás e/ou ar residual e no reaproveitamento de lixo residual e/ou desperdícios. 
• Biotecnologia azul:
A biotecnologia azul foca-se na utilização técnica de processos e organismos da biologia marinha. Aqui a concentração incide nos organismos biológicos dos oceanos. 
Existem 5 grandes grupos de interesse comercial:
Produção de biomassa microbiana
Produção de enzimas microbianas
Produção de metabólitos
Produção de produtos recombinantes
Modificação de compostos
Processos biotecnológicos
Produção de biomassa microbiana
Produção de enzimas microbianas
Produção de metabólitos
Produção de produtos recombinantes
Modificação de compostos
Produção de biomassa microbiana
Produção de enzimas microbianas
Produção de metabólitos
Produção de produtos recombinantes
Modificação de compostos
Produção de biomassa microbiana
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1. Biomassa microbiana
Divide-se em vários processos:
Produção de leveduras para panificação. Foi utilizada como alimento na Alemanha durante a I Guerra Mundial. Continua sendo utilizada no mundo inteiro.
Produção de leveduras para a fabricação de etanol.
Bactérias para tratamento biológico de efluentes.
Na alimentação do homem e de animais (SCP – single cell protein) (algas e leveduras)
Como fixadores do nitrogênio do ar na agricultura (rizóbios).
No controle biológico de pragas (Bacillus).
Na produção de vacinas (Corynebacterium, Bordetella, Neisseria, Mycobaterium).
géneros
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Enzimas são obtidas a partir de plantas, animais e microrganismos.
As enzimas microbianas tem grandes vantagens: 
É possível produzir em grandes quantidades via processos biotecnológicos
É infinitamente mais fácil melhorar a produtividade de um sistema microbiano comparado com plantas e animais
Sua produção é controlada para o aumento da produtividade (indutores no meio, aumento dos genes de expressão)
2. Enzimas microbianas
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Enzima		Microrganismo	Aplicações		 Reações	
B
a
c
t
é
r
i
a
s
F
u
n
g
o
s
Estreptoquinase	Streptococcus spp.	Tratamento de pacientes Dissolve fibrina no sangue 
				com ataques cardíacos	
Glicose isomerase	Streptomyces spp.; 	Produção de xaropes Converte glicose em frutose
		Bacillus spp.	alto teor de frutose
DNA polimerase (Taq)	Thermus aquaticus	 PCR		 Síntese de DNA
		Escherichia coli (recombi-
		nante)
Lipase		Rhizopus Flavorizante de alimentos Hidrolisa lipídios a glicerol e
				aumenta poder clareador 	 ácidos graxos
				de detergentes	
Celulases		Trichoderma reesei	Digestivo		 Hidrolisa celulose a celobiose
Glicose oxidase	Aspergillus spp.;	Remove glicose de ovos Oxida glicose a ácido glucônico
		Penicillium spp.	p/ secagem, remove oxigê-
				nio de alimentos enlatados,
				refrigerantes e cerveja; usada 
				também para fabricação de 
				papéis teste para controle 
				diabete 		
Aplicação das árqueas +: indústria do amido, papel e celulose e detergentes.
Exemplos de enzimas produzidas industrialmente:
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 Durante a fase exponencial de crescimento os microrganismos produzem substâncias essenciais ao crescimento:
Aminoácidos
Nucleotídeos
Proteínas
Ácidos nucléicos
Lipídeos
Carboidratos, etc.
- São referidos como produtos do metabolismo primário, mais conhecidos como metabólitos primários.
Normalmente sintetizam quantidades suficiente para suas necessidades mínimas
3. Metabólitos microbianos
27
27
Figure 28.11a
Curva de produção de um metabólito primário:
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Aminoácidos
- Ácido glutâmico: condimento, flavorizante (glutamato monossódico)
	 *Corynebacterium glutamicum (mutante)
		
- Lisina: suplemento para a proteína vegetal
	*Corynebacterium glutamicum (mutante )
	*Brevibacterium flavum
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Durante a fase estacionária muitos microrganismos sintetizam produtos que não são sintetizados na fase de crescimento.
	- Comum nos fungos, nas bactérias esporulantes e nas filamentosas
	- Pode não ter função evidente para o metabolismo da célula.
Produtos do metabolismo secundário
As rotas primárias são comuns na maioria dos microrganismos, mas cada metabólito secundário é sintetizado por poucos microrganismos diferentes.
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Metabólitos secundários
Apresentam como características:
Atividade antimicrobiana
Inibidores específicos de enzimas
Promotores do crescimento
Propriedades farmacológicas
Formam a base de um grande número de processos biotecnológicos
Os microrganismos produzem esses metabólitos em baixas concentrações
Exemplos: vários antibióticos, pigmentos
Metabólitos secundários:
31
Figure 28.11b
Curva de produção de um metabólito secundário:
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Substâncias normalmente produzidas por animais e plantas passam a ser sintetizadas por microrganismos.
	Tecnologia do DNA recombinante
Exemplos:
- Hormônio GH
 (US$ 20 milhões/Kg) 
- Hormônio Insulina
 (A Biobrás, firma Brasileira possui uma das quatro patentes no mundo – 1990) 
- Aqui poderia entrar o caso da teia de aranha (leitura dada)
4. Produção de compostos recombinantes
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Insulina humana:
Insulina
	Proteína produzida no pâncreas de animais superiores
	Serve para Regulação do metabolismo de carboidratos
Produção original
	Extração a partir de animais: porcos, bois
	Eficiência de ação reduzida	
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Utilizando a mesma técnica para a insulina muitos outros produtos
 vem sendo produzidos como:
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Processos microbianos são mais específicos que processos puramente químicos. 
Permitem a adição, remoção ou modificação de grupos ou sítios específicos em moléculas complexas. 
Reações que podem ser biocatalizadas:
Desidrogenação
Oxidação
Hidrogenação
Desidratação e condensação
Descarboxilação
Aminação
Desaminação
Isomeração
5. Modificação de compostos
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Que é Bioprocesso ou Processo Biotecnológico?
Etapas que
compõem um processo biotecnológico
	Independente do tipo, um processo pode ser dividido em seis etapas básicas:
Formulação do meio de cultura
Esterilização do meio, equipamentos e acessórios
Produção do inóculo em quantidade suficiente para inocular o volume de processo
Crescimento do microrganismo no biorreator em condições ótimas para formação do produto
Extração do produto e sua purificação
O tratamento/eliminação dos efluentes gerados pelo processo.
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Principais etapas de um processo biotecnológico genérico
Envolve várias
 Operações Unitárias
(Downstream Processing)
Laboratório
Upstream Processing
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Figure 28.10a
Fermentation Technology (tecnologia de fermentação): A maioria dos biorreatores em uso são de tanque agitado (STR)
41
Figure 28.10b
Exemplo de biorreator em indústria farmacêutica
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Um biorreator pode ter inúmeras concepções. Veja o exemplo deste slide.
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Os microrganismos ou células utilizados em 
processos biotecnológicos são muito diversos.
1. Diversidade quanto a consumo de oxigênio:
Caracterização de microrganismos quanto ao metabolismo de oxigênio: a) aeróbico, b) anaeróbico, c) anaeróbico facultativo, d) microaerófilo, e e) aerotolerante. 
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2. Diversidade quanto a temperatura de crescimento:
3. Diversidade quanto a metabolismo e energia nos microorganismos:
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4. Diversidade quanto a forma e tamanho:
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Há diversas formas de reprodução 
nas células.
5. Diversidade quanto a reprodução das células:
Produtos importantes para
 o ser humano
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 Obedecendo uma lei natural, todas as células tem que passar por
 um processo de multiplicação. 
 Existem diversos tipos de crescimentos ou multiplicações
Celulares
Vamos ver a seguir os tipos de crescimentos mais importantes do 
ponto de vista de aplicações biotecnológicas
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Crescimento dos microrganismos
É a capacidade que têm os seres vivos de, ao atingirem certo estágio de desenvolvimento, originar outros semelhantes.
Esta reprodução é individual e sem a participação de gametas. Esse processo leva à formação de descendentes geneticamente iguais entre si e aos seus ancestrais, formando o que podemos chamar clone. 
A reprodução assexuada não permite a recombinação genética nem a variabilidade da espécie. Todos os indivíduos de uma linhagem são idênticos entre si. 
Reprodução assexuada
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a) Divisão binária
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	b) Divisão múltipla
Consiste na segmentação do corpo do indivíduo, originando diversos segmentos com capacidade de formar novos indivíduos completos. 
 Exemplo: gemulação.
	Gemulação
 A gemulação, também chamada de 
 gemiparidade ou brotamento, é uma
 forma que pode ser observada nos 
 unicelulares e pluricelulares. Caracteriza-se 
 pelo aparecimento de brotos ou gemas, que
 surgem e crescem ligados ao organismo 
 inicial e que podem, ou não, dele se 
 desprender em certa época da vida.
 Exemplo: Leveduras
 
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	 Esporulação. Ocorre a partir de células especiais chamadas esporos. Que diferem dos gametas pela sua capacidade de “germinação”, reproduzindo-se através de mitoses até originar indivíduos completos. Alguns esporos são móveis, pela presença de flagelos ou imóveis. Exemplos:
1) Algumas bactérias: Esporos da bactéria Clostridium botulinum. Essa bactéria produz o botulismo, infecção frequentemente fatal.
 2) Fungos: bolor negro do pão e o penicilium.
Esporos de fungo
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Reprodução sexuada
	a) Conjugação
Nesta reprodução não há propriamente a formação de gametas, há uma troca de material genético entre as células, promovendo em cada uma dela uma recombinação genética. Após esta troca, as células separam-se, e cada qual dará origem a novos seres.
Exemplos: Algumas bactérias 
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	b) Transdução
	As moléculas de DNA são transferidas de uma bactéria a outra usando vírus (fago) como vetores.
c) Transformação
A bactéria absorve moléculas de DNA disperso no meio. Este DNA pode ser proveniente de bactérias mortas.
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Tipos de crescimentos nos Fungos:
 a) Assexuada (Mitose) - fragmentação, brotamento, fissão binária (cissiparidade)
 b) Sexuada - Envolve a união de gametas
Estruturas reprodutoras especializadas: esporos
Esporos sexuais
Esporos assexuais
Classificação e identificação dos fungos
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Mais importante em
 bioprocessos
Esporulação – células leves denominadas conidiósporos, caem sobre a matéria orgânica desenvolvem-se, dando origem a outro fungo.
Fragmentação: Um micélio fragmenta-se (quebra-se) e origina dois novos micélios.
Brotamento ou Gemulação: Algumas leveduras como Saccharomyces cerevisae (que causa a fermentação da cerveja) reproduz-se através de brotamento, ou seja, a formação de um broto, que geralmente se separam do genitor, mas podem permanecer unidos, formando cadeias de células. 
Crescimento Assexuado nos Fungos (mais importante em Bioquímica Industrial)
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Esporos
Imagem de microscopia de varredura eletrônica (cores adicionadas) de micélio fúngico com as hifas (verde), esporângio (laranja) e esporos (azul), Penicillium sp. (aumento de 1560 x).
Um bolor importante na indústria:
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Esporos facilmente 
 levados pelo ar
Microcultura de um fungo filamentoso, 
com micélio septado. Observar a presença
 de septos nas hifas.
Hifas num meio
 líquido
Formação de micélio 
a partir de um esporo
Hifas e micélio:
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Um esporo (uma célula)
Micélio
septo
Problema na indústria: Aumenta muito a viscosidade de um 
 meio líquido(fluido não Newtoniano)
Trichoderma reesei’s makeover is due in part to scientific explorations that led to the development of mutant fungal strains that produce large quantities of biomass-degrading enzymes. 
Outro bolor importante na indústria:
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Mei-Ching Yu , Ron-Chi Wang , Chung-Yih Wang , Kow-Jen Duan , Dey-Chyi Sheu
Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers Volume 38, Issues 3–4 2007 223 - 228
Enhanced production of l(+)-lactic acid by floc-form culture of Rhizopus oryzae
Fig. 1. Morphology changes among the cultures of Rhizopus oryzae. The cultures were carried out around pH 4.5 without extra addition of ammonium-nitrogen after 40 h of fermentation (a) and with replenish of ammonium-nitrogen after 12 h (b), and 40 h (c) of fermentation.
Um exemplo de formação de micélio num biorreator:
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Reprodução da célula animal e célula de planta em cultivos:
Reprodução assexuada: mitose
Fotografia de célula animal em
 processo de mitose
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As células são protagonistas principais em qualquer 
bioprocesso.
Seu monitoramento qualitativo e quantitativo é 
extremamente importante.
Como fazer a quantificação do crescimento celular?
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Porque não acontece? Há controles naturais que impedem
N=Nox2t / tg=1x2(4x20)/20
No=
n=1
n=2
n=3
n=4
tg bact =20 min
Ex: Bactéria
Biomassa produzida?
N=Nox2t / tg=1x2(4x20)/20
N=1x248/0,3=1x2160
N=1,46x1048 células
Mcélulas =1,46x1033 kg
Mterra =6x1024 kg
Quantificação do crescimento celular em condições ideais
A consequência do crescimento celular:
Uma cultura de células contém 1 milhão de células bacterianas que se duplicam a 
cada 20 minutos. Após 100 minutos, qual é o numero de células?
 células
Comum para bactéria
Crescimento exponencial
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Assim como existe uma grande diversidade celular, existe uma grande diversidade de bioprodutos que são de grande interesse e utilidade para o ser humano.
 Vejamos
Quanto custam os bioprodutos? Depende do tipo de bioprocesso (da conc. com que sai do biorrreator, downstream processing é caro)
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id
Research and Diagnostic enzymes
Preço de venda no mercado internacional, US$/kg
FIM
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