Microbiologia e Biotecnologia Industrial

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03/03/2017
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Profa Dra Ilana L. B. C. Camargo
Ciências Físicas e Biomoleculares
IFSC - USP
Microbiologia e 
Biotecnologia Industrial
FFI 0740
ilanacamargo@ifsc.usp.br
www.ifsc.usp.br/~ilanacamargo
1 – Descobertas e evolução
2 – Procarioto x Eucarioto
3- Crescimento dos microrganismos
4 – Microbiologia Industrial
5 – Biotecnologia
6- Disciplina
Microbiologia e 
Biotecnologia Industrial
FFI 0740
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1. Descobertas e evolução
Microbiologia
1665 - Robert Hooke – Microscópio simples – Células - Início da Teoria Celular
1673 – 1723 – Antoni van Leeuwenhoek
Microrganismos vivos - Cartas para Sociedade Real de Londres – Animáculos
Origem da Matéria morta – Teoria da Geração Espontânea
Larvas de Moscas, insetos – corpos em decomposição (!)
Origem de células vivas preexistentes - Teoria da Biogênese
1861 – Louis Pasteur – microrganismos presentes no ar!! Na matéria não viva: 
sólidos, líquidos, ar. Vida microbiana é destruída pelo calor!!
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1929 – Alexander Fleming e a penicilina
Penicillium
Penicillium x Staphylococcus
15 de Fevereiro de 2001
2001 – Primeiro genoma humano
16 de Fevereiro de 2001
J Craig Venter et al, 2001International Human Genome Sequencing Consortium et al., 2001
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Outubro de 2007 Dezembro de 2007
Watson & Crick – 1953
Estrutura do DNA
Wheeler et al. (2008) The complete genome of an 
individual by massively parallel DNA sequencing. 
Nature 452, 872-876 (17 April 2008) 
“James 
Watson -
primeiro 
genoma 
individual 
sequencia
do por 
menos de 
US$ 1 
milhão” 
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https://www.genome.gov/images/content/costpergenome2015_4.jpg
the cost of sequencing a human-sized genome
2. Procarioto x Eucarioto
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Origens
Procariotos
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2
3
4
5 6
7
10
8
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8
3
4
1 1
2
2
6
7
8910
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Composição da parede celular das bactérias
Curva de crescimento
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Procariotos - bactéria
1 Cromossomo
DNA de dupla fita, circular, grande
E. coli – 1,3 m de comprimento
- 4,2 x 103 kb
Mycoplasma – 750 kb
Exceção:
Brucella abortus – 2 cromossomos 
diferentes
http://www.sciencebuddies.org/mentoring/plugin_bac_diversity_bacteria_and_dna.jpg
Replicação de DNA 
bacteriano
Plasmídeos – elementos de DNA móveis que não são essenciais
para a vida do microrganismo, mas que traz vantagens
Procariotos - bactéria
Plasmídeos de 70 kb – grandes
3.5 kb - pequenos
enovelado
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- Genes de virulência ou de
resistência às drogas,
- Origem de replicação para produzir
cópias que passam para células
filhas na divisão celular ou para
outra célula através da conjugação,
- Integrativos que se inserem no
cromossomo bacteriano ou não
Conjugação
Plasmídeos
Resistência aos antimicrobianos
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Eucariotos Fungos 
Animais
Plantas
Fungos filamentosos e leveduras
Eucariotos – Núcleo, Ribossomo 80S, mitocôndria
Parede celular complexa: quitina, manana, glucano
Podem ser:
-Filamentosos (hifas) – septadas
- Não-septadas
- Leveduriformes - unicelulares
Fungos Dimórficos
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Estruturas
Macroconídios
Fungos Dimórficos
Blastomyces dermatitidis
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- Possuem mais de um cromossomo.
- Cada cromossomo possui um número característico de genes.
A quantidade de DNA chega a ser 4 a 100 vezes maior que a 
quantidade de DNA presente em E. coli, dependendo do 
organismo.
Eucariotos
• Célula animal tem DNA nuclear e DNA mitocondrial
• Célula vegetal tem DNA nuclear, DNA do cloroplasto e DNA
mitocondrial
Eucarioto: homem
- 46 cromossomos
Grande – 1,8m
- 6 x 106 Kb
Cromossomo 
mitocondrial
Cromossomo nuclear
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Fluxo da informação genética 
em eucariotos e procariotos
Ilana Camargo
•Cromossomo contém somente
uma cópia dos genes.
•Poucos genes como os rRNA
estão repetidos várias vezes no
genoma.
•Em geral, quase todos os genes
são precisamente colineares com
a sequência de aminoácidos o
qual ele codifica (há uma exata
equivalência entre a sequência de
nucleotídeos do gene e a
sequência de aminoácidos da
proteína).
Procariotos - bactéria
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Transcrição e tradução em bactérias
5´3´
http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/M/Miller_Hamkalo.html
http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/fig1348a.jpg
Procariotos
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Eucariotos
Capeamento
Poliadenilação
Splicing e splicing alternativo em eucariotos
Splicing alternativo:
Importante mecanismo para 
produção de diferentes formas de 
uma proteína (isoformas)
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Características Procariotos Eucariotos
Estrutura nuclear
Molécula de DNA 
circular sem 
proteínas
Complexo de DNA e 
proteínas básicas
Localização da 
estrutura nuclear
Aglomerado denso de 
DNA do citoplasma, 
sem membrana 
nuclear ou núcleo 
equivalente
Núcleo cercado por 
membrana nuclear
DNA
Nucleóide e 
plasmídeos
Nuclear e 
mitocondrial
Citoplasma
Sem mitocondria, e 
sem retículo 
endoplasmático
Mitocôndria e retículo 
endoplasmático
Ribossomo 70S 80S
Parede celular
Geralmente paredes 
rígidas com camadas 
de mureína (exceção: 
Mycoplasma)
Presente somente em 
fungos: glucana, 
manana, chitina, 
chitosana e celulose
Reprodução
Assexual, por fissão 
binária
Na maioria dos casos 
sexual, 
possivelmente 
assexual
Diferenças Procariotos x Eucariotos
3. Crescimento dos 
microrganismos
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Condições físicas para o cultivo dos microrganismos
1. Temperatura;
2. pH;
3. Pressão osmótica;
4. Atmosfera gasosa.
Cultivo bem sucedido depende de uma combinação de
nutrientes apropriados e de uma condição física apropriada.
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos
Fatores que influenciam a atividade enzimática:
1.Temperatura; A altas temperaturas, as enzimas sofrem desnaturação e
perdem suas propriedades catalíticas; A baixas temperaturas, a taxa de
reação diminui
2. pH; pH no qual a atividade enzimática é máxima é conhecido como pH ótimo.
3. Concentração do substrato; Dentro de limites, a atividade enzimática
aumenta com o aumento da concentração do substrato.
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1. Temperatura
Todos os processos de crescimento são dependentes de reações 
químicas que são afetadas pela temperatura.
Os microrganismos podem crescer em uma faixa de
temperatura muito grande. Esta variação pode maior para
alguns microrganismos do que para outros.
Ex.: Bacillus subtilis – 8 a 53ºC – variação de 45ºC!
Neisseria gonorrhoeae – 30 a 40ºC – variação de 10ºC!
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
Temperatura
(Tortora, Funke & Case, 2000)
1 e 2 - Encontrados no oceano ou regiões polares;
3- Patogênicos – temperatura corpórea;
4 e 5 - Encontrados em áreas vulcânicas, mistura de fertilizantes e
em nascentes quentes.
temperatura ótima
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2. pH
Melhor crescimento dentro de variações pequenas de pH sempre
perto da neutralidade, entre pH 6,5 e 7,5.
Bactérias acidófilas – tolerantes altos graus de acidez.
A alcalinidade também inibe o crescimento microbiano.
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
Isto explica como picles e queijos não deterioram, pois 
contém muitos ácidos produzidos durante a fermentação
bacteriana.
3. Pressão osmótica
A água traz nutrientes para os microrganismos;
Cerca de 80 a 90% do conteúdo celular dos microrganismos é água;
Solução de  [sal] (hipertônica) – passagem da água de dentro
para fora da célula: plasmólise ou diminuição (encolhimento) da
membranaplasmática da célula.
Inibição do crescimento no momento em que a membrana 
plasmática se separa da parede celular.
Preservação de alimentos!!!
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
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http://www.fathom.com/course/21701753/21701753-psa.jpg
4. Atmosfera
Gases atmosféricos apropriados para que as bactérias sejam
cultivado com sucesso.
O oxigênio e o dióxido de carbono - gases principais que afetam
o crescimento dos microrganismos:
CO2 é utilizado por todas as células para certas reações químicas
O2 é requerido por uns e para outros é tóxico.
Condições físicas para o cultivo dos microrganismos:
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Exigências nutricionais
Elementos químicos essenciais:
-Carbono; - Enxofre;
- Nitrogênio; - Fósforo.
- Hidrogênio;
-Oxigênio;
Elementos químicos como nutrientes
Necessários para síntese
Funções normais dos componentes celulares
Compostos Orgânicos - Glicose
Inorgânicos - CO2
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Energia
Processo de degradação de substratos 
e conversão em energia utilizável 
Catabolismo
Processo de utilização de energia 
na síntese de constituintes 
celulares
Anabolismo
Metabolismo microbiano
Carboidratos
Lipídios
Proteínas
Catabolismo
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Catabolismo de Carboidratos - Glicose
Carboidrato padrão
Produz energia e outros substratos utilizáveis.
As bactérias degradam a glicose em etapas distintas para 
permitir que a energia seja captada em formas aproveitáveis!
Têm a capacidade de produzir energia a partir da
glicose através dos processos de fermentação ou
respiração anaeróbia (ambos na ausência de
oxigênio) ou respiração aeróbia, por ordem de
eficácia crescente.
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Os metabólitos são convertidos por uma ou mais
vias num intermediário comum universal:
O Ácido Pirúvico
Carbonos são encaminhados para:
• Produção de energia;
• Síntese de novos carboidratos;
• Aminoácidos;
• Lipídios;
• Ácido nucléico;
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Metabolismo da Glicose
Ciclo do Ácido Tricarboxílico
Principais funções:
1) Principal mecanismo de produção de ATP
2) Atua como via comum final para a oxidação completa de
aminoácidos, ácidos graxos e carboidratos;
3) Fornece intermediários-chaves (alfa-cetoglutarato,
succinil CoA, oxaloacetato) para a síntese final de
aminoácidos, lipídios, purinas e pirimidinas.
Cadeia de Transporte de elétrons
Respiração aeróbia – O2 é o aceptor final de elétrons
Respiração anaeróbia – substância diferente do O2 é o aceptor 
final de elétrons
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Respiração anaeróbia
Quantidade de ATP gerada varia com o microrganismo e a via;
Rendimento mais baixo que respiração aeróbia:
✓ Grande parte do ciclo de Krebs não funciona sob condições 
anaeróbias;
✓ Nem todos os transportadores participam da cadeia de 
transporte de elétrons.
Crescimento mais lento!!
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Fermentação
✓ Libera energia de 
açúcares ou moléculas 
orgânicas;
✓ Não requer oxigênio;
✓ Não requer ciclo de 
Krebs ou cadeia 
transportadora de 
elétrons;
✓ Utiliza molécula 
orgânica como aceptor 
final de elétrons.
Transferência de elétrons
(Tortora, Funke & Case, 2000)
Produtos finais da Fermentação
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Dois principais processos:
Fermentação do Ácido Lático
Streptococcus
Lactobacillus
Fermentação Alcoólica
Algumas bactérias, mas a 
fermentação alcoólica mais 
conhecida é a da levedura
Saccharomyces
Oxidação
Redução
(Tortora, Funke & Case, 2000)
(Tortora, Funke & Case, 2000)
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Utilização da Energia - Biossíntese
Biossíntese de Compostos Nitrogenados
Biossíntese de Carboidratos
Biossíntese de lipídios
Fixação de nitrogênio - Aminoácidos, Proteínas, Nucleotídeos e 
ácidos nucléicos
Fixação de CO2 -- Triose, pentose, hexoses, nucleotídeos e 
polissacarídeos
Biossíntese de fosfolípides e ácidos graxos de cadeia longa
Conhecendo o metabolismo microbiano para 
saber controlar o crescimento dos 
microrganismos e aproveitar seus produtos
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Utilização da Energia - Biossíntese
Pelczar Jr. et al., Microbiologia e aplicações, 2 ed., Makron Books, 1996
4. Microbiologia Industrial
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Uso dos microrganismos – Pão e vinho
Microbiologia Industrial
Microrganismos 
larga escala
Produtos de valor comercial
(Produtos farmacêuticos = antibióticos)
Importantes transformações químicas
(Produção de cerveja e vinho)
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Processos microbiológicos industriais correspondem à 
otimização de reações metabólicas já realizadas 
naturalmente por microrganismos.
Objetivo na Microbiologia Industrial:
Superprodução do composto de interesse 
Microbiologia Industrial
Início – fermentação de cerveja e vinho
Depois – Síntese de produtos farmacêuticos (Antibióticos)
- Aditivos alimentares (aminoácidos)
- Enzimas
- Compostos químicos (butanol e ácido cítrico)
Processos otimizados a partir de reações metabólicas já 
realizadas naturalmente por microrganismos
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5. Biotecnologia
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Uma nova era – Biotecnologia
Métodos de manipulação genética permitiram a geração de 
novos produtos microbianos, muitos dos quais não são 
produzidos naturalmente por microrganismos
Manipular DNA e inserí-lo em um 
microrganismo visando sua 
expressão!
Proteínas de mamíferos
Novas vacinas
Hormônios
Enzimas
O que é Biotecnologia??
1 - Aplicação de processos, sistemas ou
organismos biológicos para manufatura e
serviços industriais.
5- Ciência dos processos de produção baseados na ação de 
microrganismos e seus componentes ativos e dos processos de produção 
envolvendo o uso de células e tecidos de organismos superiores.
2- O uso integrado de bioquímica,
microbiologia e ciências da engenharia
para adquirir capacidade de aplicações
tecnológicas (industriais) de
microrganismos, cultura de células e
tecidos.
3- Uma tecnologia usando fenômeno
biológico para copiar e produzir vários
tipos de substâncias úteis.
4- Aplicação de princípios científicos e de
engenharia para o processamento de
materiais por agentes biológicos para
produzir bens e serviços.
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Principais objetivos do Biotecnologista:
Inovar, desenvolver e otimizar o processo no qual a catálise 
bioquímica tem um papel fundamental e insubstituível.
Biotecnologistas precisam trabalhar em cooperação com 
experts de outros campos como medicina, nutrição, 
indústrias químicas e farmacêuticas, proteção ambiental e 
tecnologia de processamento de resíduos
Precisam entender o potencial assim como as limitações de 
outras áreas!!
Para produzir o mesmo produto, porém:
em menor tempo
em maior quantidade
gastando menos
Produto da Biotecnologia pode não ser visto como “novo”
No entanto, o processo de produção pode ter sido alterado!!
Mas por que alterar o processo de algo que eu já consigo 
produzir?
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O que é Biotecnologia??
Enfim, Biotecnologia, em sua essência implica no uso de
microrganismos, células de animais e plantas ou enzimas
para sintetizar, quebrar ou transformar materiais.
Novos processos biotecnológicos irão, em muitos casos, funcionar a 
baixas temperaturas, consumirão menos energia e se basearão 
principalmente no uso de substratos mais baratos para a biossíntese
Indústrias dependem da biotecnologia para desenvolvimento de 
novos produtos e vantagem competitiva
6. Disciplina
-Escolha dos Microrganismos
-Estágios no processo produtivo
-Sistemas de expressão-Biorreatores
-Processos pós-fermentação
- Visitas técnincas
Microbiologia e Biotecnologia 
Industrial