9MI de importância médica, ambiental e industrial 2012 v1

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Aplicações da Microbiologia 
 Abordagens: 
– Estrutura 
– Metabolismo 
– Classificação 
– Interação microrganismo x ambiente 
– Genética de microrganismos 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Objetivo 
 
Como os MI impactam a nossa vida 
Como os MI podem melhorar a qualidade de vida 
Correlacionar a informação com a aplicação 
 
Médico 
Ambiental 
Industrial 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Introdução 
 Aplicações na saúde 
 MI produtores de antibióticos 
 MI produtores de proteínas terapêuticas 
 Modelos biológicos para estudo de patogênese 
 Aplicações ambientais 
 Micorrizas 
 MI biorremediadores 
 Decompositores de biomassa 
 Aplicações industriais: 
 Secretores de proteínas e substâncias de alto valor agregado 
 Exercícios 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Introdução: 
– Importância dos MI 
 A maioria dos MI é benéfica e tem aplicação 
industrial e ambiental? 
 A vasta utilização dos MI é decorrente da sua 
natureza versátil ... 
– Consumir matéria orgânica como fonte de carbono e 
energia 
– Secretar proteínas e substâncias para o meio extracelular 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Microrganismos 
Controle 
Biológico de 
Pragas 
(entomop.) 
Biomassa 
Alimento 
(leveduras) 
Produção de 
Enzimas 
e 
Antibióticos 
Biotransfor. 
Fermentação 
(leveduras) 
Simbiose 
(Micorrizas) 
Despoluição 
Biorremediação 
(substratos 
complexos 
Decomposição 
Ciclagem 
(saprófitas) 
Benefícios 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Microrganismos 
Infecção de 
Tecidos vivos 
(hospedeiro) 
Depreciação 
Produtos 
Agrícolas 
(fitopatógenos) 
Micotoxinas 
(Aflotoxina) 
Degradação 
Indesejada 
(alimentos) 
Alergias 
(esporos) 
Prejuízos 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
MI aplicação na área da saúde 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Antibióticos e o metabolismo secundário 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Penicillium  2U/mL X 70.000 U/mL 
(Genética molecular e de microrganismos) 
 Melhoramento clássico  seleção de 
linhagens e indução de mutação 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Clonagem dos genes que 
codificam as proteínas que 
participam da via de 
biossíntese dos antibióticos 
 Estudo dos sistema de 
regulação do “cluster 
gênico“ que codifica as 
proteínas envolvidas na 
biossíntese do antibiótico 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 12.000 novos antibióticos descobertos desde 
1920 
 Streptomyces  bactéria Gram positiva 
solo 
 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Antibióticos mais comuns produzidos por fungos: 
– Cefalosporina  Cephalosporium spp. 
– Griseofulvina  Penicillium griseofulvum 
– Penicilina  Penicillium notatum 
 Demais antibióticos naturais são produzidos por 
actinomicetos (bactérias filamentosas) e bacilos 
Gram + 
 Classes mais vendidas: 
 Cefalosporina (27%), macrolídeos (20%), quinolonas 
(17%), penicilinas (17%) 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Síntese novos antibióticos e antibióticos 
com novas propriedades 
– Co-expressão de duas vias de biossíntese 
semelhantes no mesmo microrganismo 
– Antibióticos semi-sintéticos  fermentação + 
modificação química 
 Pesquisa de antibióticos derivados de outras 
fontes  plantas: óleos essenciais 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Microrganismos produtores de substâncias 
terapêuticas: 
 Biofármacos 
– Insulina 
– Hormônio de crescimento 
– IFN-alfa 
– IFN-beta 
– G-CSF 
– Eritropoietina 
– mAb 
 
human growth 
hormone
33%
erythropoietin
17%
G-CSF
17%
GM-CSF
8%
insulin
8%
interferon alfa
17%
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 285 milhões (2010) 
 Produção de insulina 
humana recombinante 
em bactéria (E. coli) 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Plataformas de 
expressão de proteínas 
recombinantes em 
microrganismos: 
– E. coli 
– S. cerevisiae 
– Pichia pastoris 
– Pseudomonas putida 
– Agaricus bisporus 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Microrganismos produtores de suplementos 
nutricionais: 
 Amino ácidos 
– Antioxidante 
– Soluções de infusão (tratamento) 
– Mercado  2,5 Mi de toneladas (US$ 9 Bi) no ano de 
2008 
• Ácido glutâmico (50%) 
– Produção  Corynebacterium e Brevibacterium spp. 
– Melhoramento de linhagem  clássico e molecular 
 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Modelos biológicos para estudo de patogênese e 
virulência 
– C. albicans 
– C. neoformans 
– A. fumigatus 
 Porque? 
– Possuem no seu ciclo de vida  células haplóide uninucleares ou fase 
unicelular 
– Possuem sistemas genéticos bem conhecidos 
– Genomas sequenciados 
– Ferramentas de biologia molecular que possibilitam estudar a fundo as vias 
de transmissão de sinal que controlam os fatores de virulência 
Sistema de transformação genética estável 
Modelo animal de infecção 
– Identificação de alvos moleculares para o desenvolvimento de novas 
drogas antifúngicas 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
MI de aplicação agrícola e ambiental 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 MI de interesse ambiental 
– Micorrizas 
– Biorremediadores 
– Fungos entomopatogênicos 
– Conversores de biomassa 
 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: relação 
mutualística com a planta que data de 400 
milhões de anos 
 
 
 
 Micorrizas (fungos de raiz) 
 simbiose 
 translocação de nutrientes 
 aumenta superfície de absorção 
 fonte de carbono  fungo 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Fungos de interesse ambiental: 
 90% das plantas tem associação com micorrizas 
– Endomicorrizas (Vesicular arbuscular) (Glomeromicetos) 
– Ectomicorrizas (Zigomiceto, Ascomiceto e Basidiomiceto) 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: micorrizas 
– Endomicorrizas - Glomerolomicota 
– Não cresce em condições de laboratório na ausência da planta (simbiontes 
obrigatórios) 
– Apressório  hifa  hifa intracelular 
– Arbúsculo (transloca nutrientes para a plantas) 
– Vesícula (armazenamento) 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: micorrizas 
– Endomicorrizas – vesicular arbuscular 
 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental:micorrizas 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 MI de interesse ambiental: biorremediação 
– É a utilização de organismos que transformam ou 
acumulam compostos químicos de alto risco 
(xenobióticos), eliminando assim os poluentes 
presentes no ambiente. 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 MI de interesse ambiental: biorremediação 
– Estratégias metabólicas 
 Transformação (composto menos tóxico) 
 Mineralização 
 Assimilação (utiliza composto para produzir biomassa, CO2 e água) 
– Fungos mais utilizados 
 Absidia, Mucor, Rhizopus e Cunninghamella (Zigomicetos) 
 Basidiomicetos  decompositores de madeira (lignocelulolíticos) 
– Bactérias mais utilizadas 
 Pseudomonas sp. (microrganismo de solo) 
 Genes cromossomais e plasmidiais 
 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: biorremediação 
– Basidiomicetoslignolíticos  madeira em 
decomposição 
 Phanerochaete crysosporium 
 Complexo lignolítico extracelular 
 Lignina estruturalmente semelhante aos organopoluentes 
(hidrocarbonetos derivados do petróleo) 
 Remediação é dependente da quebra da estrutura policíclica 
dos hidrocarbonetos 
 Fungos lignolíticos tem esta capacidade 
 Outros microrganismos fazem a assimilação ou 
mineralização 
Hidrocarboneto policíclico aromático 
Lignina 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: biorremediação 
– Basidiomicetos lignolíticos  madeira em 
decomposição (P. crysosporium) 
 Fungo decompositor de madeira (white-rot fungi) 
 
14 dia 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: biorremediação 
 
Estímulo dos 
microrganismos já 
existentes no ambiente. 
É a introdução de 
microrganismos no solo 
ou água (aclimatados ou 
modificados)  uso 
restrito 
• Bioaumentação ou 
Bioadição: 
• Estimulação: 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: controle biológico 
de pragas da lavoura 
 Fungos entomopatogênicos 
 Metarrhizium anisopliae (162.000 hectares) 
 Sporothrix insectorum 
 Cigarrinha da cana-de-açúcar 
 Cigarrinha das pastagens 
 Complexo quitinolítico  coloniza o exoesqueleto de 
insetos e crustáceos 
 Fungos entomapatogênicos  alta capacidade de 
esporulação 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos de interesse ambiental: controle 
biológico de pragas da lavoura 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 MI de interesse ambiental: conversão de 
biomassa em fertilizante, alimento e energia 
 Bactérias e Fungos celulolíticos 
– Trichoderma spp. e Phanerochaete crysosporium , Cellulomonas 
spp. 
– Integrados em processos de hidrólise da biomassa vegetal 
(celulose) em açúcares menos complexos para que os organismos 
possam: 
• fermentar estes açúcares mais simples em etanol 
• biomassa celular que possa ser utilizada como suplemento 
alimentar  animal 
• Conversão de resíduos orgânicos  adubo na fertilização de 
áreas agrícolas  compostagem 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 
 Fungos fitopatogênicos 
– Ciclagem de nutrientes na natureza 
– Simbiose antagônica e mutualística com diferentes 
espécies de plantas 
– Desde os tempos em que se iniciou a agricultura, 
– Grandes impactos na economia 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos fitopatogênicos: 70% das doenças de 
plantas são causadas por fungos 
 Pseudo-fungos 
 Pseudo-fungos, micélio celulósico, cenocítico 
– Phytophthora spp.  podridão da sementes 
 Soja, cana-de-açúcar, milho, sorgo 
– Peronospora spp. 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos verdadeiros  Zigomicetos 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos verdadeiros  Basidiomicetos 
 
Ustilago maydes 
(Modelo biológico) 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Mecanismos de infecção do tecido vegetal 
– Fungos fitopatogênicos  celulolíticos 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Aplicação industrial 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Aplicação dos fungos e bactérias na produção de 
enzimas industriais, ácidos e compostos orgânicos 
em geral: 
– Ácido cítrico: conservante (indústria alimentícia) 
– Aspergillus spp.  A. niger 
– Fitase: disponibiliza P (alimentação animal) 
– Pichia spp. 
– Riboflavina (vitamina) 
– Ashbya gossypii 
– Etanol: fermentação alcoólica (energia) 
– Leveduras  Saccharomyces cerevisiae 
– Conversão de biomassa (celulose e lignina) em energia 
(etanol) 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Enzimas Microrganismo Uso Industrial 
Alfa-amilase Aspergillus spp. Detergentes, xaropes 
Celulases Trichoderma spp. Alimentícia, energia, papel celulose 
Invertase S. cerevisiae Alimentícia 
Lactase S. fragilis Farmacêutica, alimentícia 
Lipase A. niger Detergentes, couro, produção queijo 
Oxidases A. niger Braqueamento de papel e tecido 
Pectinase A. niger Alimentícia 
Proteases A. oryzae Couro, alimenticia, suplemento digestivo 
Renina Mucor Produção de queijos 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Aplicação dos fungos e bactérias na 
produção de enzimas industriais, ácidos e 
compostos orgânicos em geral: 
– Produção de enzimas termotolerantes 
 Uso em processos industriais 
 Robustez 
 Microrganismos termófilos, ou seja que crescem em 
temperaturas superiores a 70 ºC  MI podem ser 
uma fonte de extremozimas 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Enzimas podem ser produto do metabolismo 
primário ou secundário dos microrganismos: 
– Metabolismo primário: o produto acumula junto com o 
crescimento celular. 
 Subproduto de crescimento celular 
– Metabolismo secundário: o produto é sintetizado depois 
que o microrganismo acumula biomassa, ou seja depois 
que há um certo grau de crescimento. 
 Usa o metabólito primário como substrato para síntese do 
metabólito secundário 
 Ex.: antibióticos 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Indústria alimentícia: 
 
– Pão (S. cerevisiae) 
– Vinho (S. cerevisiae) 
– Cerveja (S. cerevisiae) 
– Extrato de levedura  Flavorizantes e alimentação 
animal (S. cerevisiae) 
 
 Bioenergia 
– Produção de etanol 
– Etanol celulósico 
Capacidade fermentativa 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 S. cerevisiae 
– Anaeróbio facultativo 
Pão 
Vinho 
Etanol 
Suplemento 
Alimentar 
Flavorizantes 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
BIOMASSA ÁLCOOL 
Leveduras utilizam a glicose 
em primeira instância e outros 
açúcares depois 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 S. cerevisiae: levedura da cerveja 
 
Lager Ale 
Levedura do fundo 
Baixa temperatura (3-10) 
Teor alcoólico > 6% 
Levedura flutuante 
Fermentação 10-21 
Teor alcoólico < 4% 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos como biofábrica para produção de 
proteínas recombinantes: 
– Leveduras  S. cerevisiae, K. lactis e Pichia pastoris 
(hospedeiro) 
 Vantagens: ciclo de vida rápido 
 Organismo unicelular  fácil manipulação 
 Secreta o produto recombinante para o meio de cultura 
 Parâmetros de fermentação em larga escala já desenvolvidos 
 Muitos promotores induzíveis e constitutivos são conhecidos e 
utilizados (S. cerevisiae) 
 Promotor induzido por metanol (P. pastoris, levedura 
metilotrófica) 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos como biofábrica para produção de 
proteínas recombinantes: 
 O que é necessário para produzir proteína 
recombinante em fungos: 
Promotor – gene heterólogo - terminador 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
 Fungos como biofábrica para produção de 
proteínas recombinantes: 
– Leveduras e fungos filamentosos  produção 
de proteínas recombinantes 
 Fungos tem maquinário secretor muito eficiente  
quimioheterotróficos 
 Capacidade destes fungos sofrerem transformação 
genética estável (integração no genoma) 
– Leveduras  mais fácil 
– Fungos filamentosos  mais complicado 
– Transformação por meio de Agrobacterium 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Metagenômica 
 Acesso a diversidade 
microbiológico não cultivável 
– Escolha de um nicho ecológico 
– Extração de DNA total da 
comunidade microbiana 
– Sequenciamento de alta 
performance (deep sequencing) 
– Metagenômica funcional 
 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria 
Colonização de 
tecidos vivos 
Secretar substâncias de 
interesse parao homem 
Contribuir para a 
manutenção do equilíbrio 
no meio ambiente 
Produção de 
Proteínas recombinantes 
Aplicações 
Saúde Ambiente Indústria