Bioengenharia Aula 2 - Tipos de Biotecnologia

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TIPOS DE BIOTECNOLOGIA E SUAS APLICAÇÕES
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O QUE É A BIOTECNOLOGIA?
Entende-se por biotecnologia a utilização integrada de ciências da natureza e de engenharia. 
O objetivo é aproveitar organismos e partes de organismos para o fabrico de produtos ou para a utilização em diferentes processos. 
A biotecnologia encontra-se dividida por ramos, de acordo com os seus diferentes setores de utilização.
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BIOTECNOLOGIA
QUÍMICA
BIOLOGIA
ENGENHARIA
BIOENGENHARIA
ENG. QUÍMICA
BIOQUÍMICA
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A biotecnologia é utilizada nas seguintes indústrias: 
Indústria química e farmacêutica
Indústria alimentar e de estimulantes
Indústria de tratamento de águas, ar e lixo residuais
Estabelecimentos de pesquisa científica e médica
Desenvolvimento, venda e consultoria de aparelhos
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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 (tratamento de câncer). 
A biotecnologia tem também o maior significado no diagnóstico (chips de DNA, sensores biológicos). 
A biotecnologia vermelha goza da maior aceitação, sendo considerada uma tecnologia chave e também um motor de crescimento para muitas empresas.
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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, virus e herbicidas. 
A engenharia genética é particularmente importante para o setor da biotecnologia verde pois possibilita transferir determinados genes de uma espécie para outras plantas, permitindo assim desenvolver resistências.
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ORGANISMO GENÉTICAMENTE MODIFICADO (OGM)
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Biotecnologia cinza A biotecnologia cinzenta trata o setor 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.
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Biotecnologia cinza: técnica ambiental.
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Biotecnologia cinza: técnica ambiental.
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Biotecnologia branca 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.
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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.
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Biotecnologia:
 A aplicação industrial da Microbiologia
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Conhecimentos básicos
Entendimento básico sobre microbiologia
Entendimento básico sobre bioquímica
Entendimento básico sobre crescimento microbiano e metabolsimo
Entendimento básico sobre reações biológicas e reatores (biorreatores)
Habilidade para o desenvolvimento de cálculos aplicados para as mais diversas áreas (por ex.: tamanho do reator, damanda de oxigênio, níveis de aquecimento/resfriamento, necessidades de suplementação de nutrientes)
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APLICAÇÃO DE MICRORGANIMOS
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Questões de engenharia
Quais os principais fatores influenciam o processo?
Qual a produtividade relevante?
Qual o máximo crescimento associado e o não-associado à aplicação?
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Integração entre a Microbiologia e a Bioquímica
Cinética do crescimento microbiano
Consumo e formação de energia
Rotas de degradação
Co-Metabolismo
Integração entre as vias metabólicas
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1. Introdução
Biotecnologia: uso industrial de microrganismos
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Conjunto de técnicas que:
Permite à Indústria Farmacêutica cultivar microrganismos para produzir os antibióticos que serão comprados na Farmácia. 
Permite cultivar células de pimenta longa em biorreator para produção de safrol, um importante óleo essencial. 
Permite o tratamento de despejos sanitários pela ação de microrganismos em fossas sépticas. 
Biotecnologia
Abrange diferentes áreas do conhecimento:
- Ciências básicas (Biologia Molecular, Microbiologia, Biologia celular, Genética, Genômica, Embriologia etc.),
- Ciências aplicadas (Técnicas imunológicas, químicas e bioquímicas) 
	e outras tecnologias (Informática, Robótica e Controle de processos). 
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O seu impacto atinge vários setores produtivos, gerando novas oportunidades de emprego:
plantas resistentes a doenças, 
plásticos biodegradáveis, 
detergentes mais eficientes, 
biocombustíveis, 
processos industriais e agrícolas menos poluentes, 
métodos de biorremediação do meio ambiente, 
testes diagnósticos e novos medicamentos.
Produtos de origem biotecnológica
 
A Biotecnologia transforma nosso dia a dia
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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
2. Processos biotecnológicos
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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.
Leveduras para a fabricação de etanol.
Bactérias para tratamento biológico de efluentes.
Na alimentação do homem e de animais (SCP – single cell protein) - concentrados protéico-vitamínicos: 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).
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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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	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.
3. Metabólitos microbianos
- Normalmente sintetizam quantidades suficiente para suas necessidades mínimas.
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Durante a fase estacionária muitos microrganismos (comum nos fungos, nas bactérias esporulantes e nas filamentosas) sintetizam produtos que não são sintetizados na fase de crescimento.
	- Pode não ter função óbvia para o metabolismo da célula.
- Produtos do metabolismo secundário
As rotas primárias são comuns na maioria dos microrganismos, mas cada produto secundário é sintetizado por poucos microrganismos diferentes.
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Metabólitos secundários
Atividade antimicrobiana
Inibidores específicos de enzimas
Promotores do crescimento
Propriedades farmacológicas
Formam a base de um grande número de processos biotecnológicos.
Os microrganismos produzem baixas concentrações, daí ...
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Substâncias produzidas por animais e plantas sintetizadas por microrganismos.
	Tecnologia do DNA recombinante: clonagem molecular
4. Produção de recombinantes
Exemplos:
- Hormônio GH (US$ 20 milhões/Kg) 
- Hormônio Insulina (A Biobrás possui uma 	das quatro patentes no mundo – 1990)
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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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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:
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A maioria dos biorreatores em uso são de tanque agitado (STR)
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Um biorreator pode ter inúmeras concepções
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3. Produtos da degradação microbiana
Álcool e Vinagre (vin aigre)
	* fermentação do açúcar		álcool		vinagre
anaerobiose			aerobiose
Principais microrganismos: Acetobacter spp.
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Ácido lático
	* derivado de múltiplos usos:
		
		lactato de sódio: deficiência de cálcio
		
		lactato de ferro: tratamento da anemia
				
	* matéria prima: amido, melaço, soro de leite
	
	* Etapas:
		hidrólise do amido a glicose (ácidos ou enzimas)
			C12H22O11 + H2O		2C6H12O6
		fermentação da glicose
			2C6H12O6		4CH3CHOHCOOH
	* Microrganismo: Lactobacillus bulgaricus 
	
	* Resíduo de biomassa: alimentação animal
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Produto		Microrganismo	Uso
Produto		Microrganismo	Uso
Acetona e butanol	C. acetobutylicum	Solventes, fabricação de
		e outros clostrídios	produtos químicos
2,3-Butanediol	Bacillus polymyxa; 	Solvente, hidratatante
		Enterob. aerogenes	intermediário químico
Ácido 2-cetoglucônico	Pseudomonas spp.	Intermediário na fabri-
				cação de ácido isoascór-
				bico (isovitamina C)
Sorbose		Gluconobacter oxydans	Fabricação de ácido 
				ascórbico (vitamina C)
Ácido cítrico		Aspergillus niger	Alimentos e bebidas, 
				cosméticos, couro
Ácido glucônico	Aspergillus niger	Alimentos, clarificadores
Ácido itacônico	Aspergillus terreus	Fab. de resinas acrílicas
Ácido fumárico	Rhizopus nigricans	Fab. de resinas e agentes
				umectantes
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A
C
T
É
R
I
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F
U
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G
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Outros produtos da degradação (desassimilação) microbiana:
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Produtos de síntese microbiana
Antibióticos : 	Penicilina
		1928 (descoberta) a 1941 (industrialização):
		produtividade foi aumentada em 1000 x 
		1990 - 500 milhões de dólares somente nos EUA
Seleção de microrganismos
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Produtos de síntese microbiana
 Enzimas
	
	* amilases: 			adesivos, sucos
	
	* invertase (sacarose): 		cremes, xaropes
	* proteases: 			couro, seda, detergentes
	* pectinases: 			sucos, linho
	* condroitinase: 			recuperação de injúrias da coluna
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Produto		Microrganismo	Uso
Enzima		Microrganismo	Aplicações		 Reações	
B
a
c
t
é
r
i
a
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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 com 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 spp.	Flavorizante de alimentos Hidrolisa lipídios a glicerol e
				aumenta poder clareador 	 ácidos graxos
				de detergentes	
Celulases		Trichoderma reesii	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 		
Enorme potencial de aplicação das Archaea: indústria do amido, papel e celulose.
Exemplos de enzimas e suas aplicações
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Aminoácidos
Ácido glutâmico: condimento, flavorizante
	* glutamato monossódico
	* microrganismo: Corynebacterium glutamicum (mutante)
		
Lisina: suplemento para a proteína vegetal
	*Corynebacterium glutamicum (mutante com alta atividade
	 de DAP descarboxilase)
	*Brevibacterium flavum
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4. Produtos farmacêuticos
Insulina humana:
	1º biofármaco produzido pela 	engenharia 	genética
	1982 - produção nos EUA pela empresa Lilly
	Microrganismo produtor: Escherichia coli com 	o gene humano para produção de insulina 
	
Insulina
	Proteína produzida no pâncreas
	Regulação do metabolismo de carboidratos
Produção original
	Extração a partir de animais: porcos, bois
	Eficiência de ação	
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Vacina contra hepatite B (HBV): 1982
	- Vírus difícil de cultivar em laboratório
	- Proteína viral HBsAgs (antígeno) altamente 	 		 	 imunogênica
	- Altas doses: rápido e elevado nível de imunidade
	
	Microrganismo: Saccharomyces cerevisiae com o 	gene para a proteína
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Mecanismo para expulsar o hormônio
Hormônio do crescimento humano (GH):
	1982 - Escherichia coli com o gene do hormônio de crescimento 		humano 	
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Bacillus thuringiensis
Cristais protéicos contendo toxinas com propriedades inseticidas
5. Biocontrole
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Bacillus thuringiensis
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6. Biomineração
* Redução das reservas mundiais
* Exploração de minérios de baixa qualidade
* Poluição causada pelos métodos tradicionais de extração
	uso de microrganismos mineradores
	Thiobacillus thioxidans e Thiobacillus ferroxidans
ácidos		oxidação do minério		precipitação
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A Companhia Vale do Rio Doce tem um projeto em Biomineração
Thiobacillus ferrooxidans 
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7. Engenharia Genética aplicada as plantas
A bactéria Agrobaterium tumefaciens possui um plasmídeo com genes que mobilizam a transferência de DNA para a planta. 
Vetor (ferramenta) de clonagem em plantas
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Obtenção de planta transgênica com o gene da toxina de Bacillus thuringiensis
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Perspectivas da biotecnologia 
 Vacinas de DNA:
	- baixa toxicidade
	- inocuidade
	- estabilidade 
 Plantas transgênicas para produção de fármacos
 	- interferon
 	- anticorpos vegetais
	- vacinas comestíveis
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Distribuição das culturas: As coleções fornecem culturas para instituições públicas, sejam de pesquisa, serviços e ensino ou setores da indústria.; Todos os pedidos deverão ser formalizados por carta, email ou fax, com uma justificativa da utilização pretendida para o material, devidamente assinados por um profissional qualificado e autorizado a manipular a linhagem requerida.
Caracterização Taxonômica: Identifica e e autentica as culturas bacterianas utilizando testes bioquímicos e por métodos genotípicos. 
Testes de Caracterização das Linhagens Bacterianas: É realizado o perfil de resistência e sensibilidade frente aos antibióticos gerais e a determinação da virulência por métodos genotípicos.
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