Bactérias Que Produzem Biopolímeros

Bactérias Que
Produzem
Biopolímeros
Ellen Barbosa, Carolina Oliveira,
Yves Moreira
Biopolímeros
• são materiais fabricados a partir de
Fontes Renováveis ( soja, milho, canade-açúcar , celulose, quitina, quitosana,
soro de leite, etc.) têm importância
estratégica para o futuro, principalmente
quando utilizam “energia renovável em
todo seu ciclo de vida”,podem ser
biodegradáveis e biocompatíveis,o que
lhes conferem vasta gama de aplicações.
1. Classificação de Biopolímeros
Biopolímeros são definidos como
macromoléculas sintetizados por organismos
vivos formadas por moléculas idênticas ou
muito similares ligadas covalentemente
formando uma grande cadeia.
Os Biopolímeros são classificados em oito grupos
de acordo com sua estrutura molecular:
1- Ácidos nucléicos (DNA, RNA);
2- Poliamidas (protéinas, poliaminoácidos);
3- Polissacarídeos ( amido, glicogênio, celulose);
4- Polioxiésteres orgânicos - poli(3- hidroxibutirato), poli (ácido
málico));
5- Poliésteres ( polimercaptopropianato);
6- Poliésteres inorgânicos (polifosfatos);
7- Poliisoprenoides ( Borracha natural);
8- Polifenois (lignina).
Cada grupo de biopolímero possui funções
diferentes nas celulas, como espressão da
informação genetica, reações de catalises,
armazenamento de energia, carbono e outros
nutrientes, estrura celular, entre outras funções.
Polihidroxialcanoatos
Dentre os polioxiéteres destacam-se os
polihidroxialcanoatos (PHAs). Estes são sintetizados
por bactérias e acumulados em inclusão insoluveis no
citoplasma,chegando a acumular em alguns casos
cerca de 90% de seu peso seco. Estes biopolímeros
servem como reserva de carbono e energia para o
microrganismo.
Os PHAs são termoplásticos ou elastômeros, dependendo do
tamanho de cadeia, e podem ser processados em
equipamentos utilizados na manufatura de plásticos
convencionais. Além disso, são insolúveis em água, possuem
um alto grau de polimerização variando entre 105 a 107 Da,
exibem propriedades piezoelétricas, são atóxicos e
biocompatíveis. Também são compostos opticamente ativos,
enantiômeros puros e na grande maioria dos casos,
apresentam configuração D, devido à esterioespecificidade da
enzima PHA sintase. Outro fator importante a considerar é
que podem ser produzidos a partir de CO2 ou fontes
renováveis de carbono, como açúcares
A característica mais importante dos PHAs é a
biodegradabilidade. As bactérias que acumulam polímero
possuem uma enzima, PHA depolimerase, capaz de
degradar o polímero que se encontra dentro da célula para
utilização deste como fonte de carbono. Porém, com esta
enzima, não é possível degradar o polímero externamente,
isto é, depois de retirado das células, possivelmente devido à
mudança do estado amorfo para cristalino. Mas existem
muitos microrganismos (encontrados no solo, águas
marinhas e lagos) que possuem uma PHA depolimerase
extracelular, capaz de degradar o biopolímero depois de
retirado da célula, utilizando-o como fonte de carbono. A
habilidade de degradar PHAs não é restrita a bactérias,
muitos fungos também são capazes de degradar os PHAs
A biodegradação de PHAs em condições
aeróbias resulta em dióxido de carbono e água,
enquanto que, sob condições anaeróbias,
resulta em dióxido de carbono e metano. PHAs
são compostáveis em um grande intervalo de
temperatura, sendo a máxima próxima a 60°C,
com um nível de umidade de 55%. Estudos
nestas condições mostraram que 85% do PHA
degradou em sete semanas, enquanto que, em
ambiente aquático, ocorreu degradação em 254
dias, em uma temperatura que não excedeu os
6°C.
A taxa de degradação de peças de P(3HB) é
da ordem de meses em efluente aeróbico e
anos em águas marinhas. A Figura 2.1 mostra
uma foto da degradação de frascos feitos de
copolímero biodegradável, poli(3-hidroxibutiratoco-3-hidroxivalerato) (P(3HB-co-3HV))
incubados em lodo ativado a uma temperatura
média de 20°C
Propriedades e aplicações de PHAs
Devido ao grande número de PHAs que podem ser
obtidos e às similaridades encontradas entre suas
propriedades e as dos plásticos petroquímicos, os PHAs
podem ser usados substituindo polímeros convencionais
em um grande número de aplicações, tais como,
utilização em sacolas, aparelhos de barbear descartáveis,
fraldas, produtos higiênicos femininos, embalagens de
cosméticos, frascos de xampu, entre outras coisas
Na área médica, os PHAs encontram aplicação
devido à sua biocompatibilidade. Podem ser
utilizados em tratamento de ferimentos (suturas,
malhas cirúrgicas e grampos), sistema vascular
(válvulas cardíacas), ortopedia (estrutura para
engenharia de cartilagens, regeneração de
meniscos, urologia (tubo urológico) e na liberação
controlada de medicamentos
Microrganismos produtores
Os PHAs são sintetizados naturalmente por pelo menos 75
gêneros diferentes de bactérias, tanto gram-positivas
quanto gram-negativas. Além disso,com o desenvolvimento
da biologia molecular, outras bactérias que não acumulam
PHAs naturalmente podem ser modificadas geneticamente
passando, assim, a acumular os biopolímeros. Também
foram realizados experimentos com leveduras
recombinantes e com plantas transgênicas para a produção
de biopolímeros
Dependendo da fonte de carbono e da espécie
da bactéria, podem-se obter tipos
diferentes de PHAs, como é ilustrado na Tabela
2.3, onde se pode observar a produção de
PHAs por tipos diferentes de bactérias isoladas
naturalmente e também modificadas
geneticamente, para diferentes fontes de
carbono.
Os PHAs são obtidos por microrganismos
em cultivos onde haja, geralmente,
excesso de fonte de carbono e limitação de
algum nutriente essencial como, por
exemplo, nitrogênio, fósforo, oxigênio ou
magnésio.
Porém, existem algumas bactérias capazes
de acumular biopolímeros sem restrições a
nutrientes.
A Figura a seguir mostra a microscopia
de células de B. megaterium em
diferentes tempos de cultivos, nota-se
que com o aumento do acúmulo, as
células que tem forma de bastonetes
vão ficando mais arredondadas para
acomodar melhor o polímero.
• Estudiosos acompanharam o acúmulo de PHA em grânulos
na B. megaterium, em diferentes estágios do crescimento em
meio mínimo e meio rico pela análise dos grânulos em
microscópio. Ambos meios apresentaram resultados
similares. Células crescidas durante toda noite foram
inoculadas e analisadas em diferentes estágios de
crescimento.
• Foi verificado que durante a fase lag (adaptação) os corpos
de inclusão diminuíam rapidamente em tamanho e número
por células. Durante a fase de crescimento exponencial da
célula, aumentou o volume relativo dos corpos de inclusão.
Na fase estacionária as células pareciam estar totalmente
cheias, portanto não houve aumento durante esta fase.
Culturas mais velhas, isto é, mais tempo de cultivo na fase
estacionária, mostraram consumo de PHA, diminuindo o
tamanho e número de grânulos.
Um dos fatores que afetam o custo de produção é
o preço da fonte de carbono sendo necessário
encontrar bactérias capazes de crescer em
fontes mais baratas ou resíduos agroindustriais
A bactéria B. megaterium é capaz de crescer e
acumular PHAs a partir de diversas fontes de
carbono como frutose, glicose, xilose, lactose,
sacarose, maltose, gluconato de sódio, melaço
de cana entre outras fontes
Outros microrganismos produtores de
PHAs
Para produção em escala industrial :
•
Azotobacter vinelandii
•
Alcaligenes latus
•
Microrganismos recombinantes : Cupriavidus necator
recombinante e Escherichia coli recombinante
•
Rhodobacter
•
Staphylococcus spp
•
Pseudomonas oleovorans
Cupriavidus necator ( Ralstonia eutropha)

Microrganismo mais utilizado

Pode acumular cerca de 96 % da sua massa
seca como polímero

Facilidade
renováveis
de
cultivo
em
substratos
P(3HB) = poli-hidroxibutirato - P(3HB-co-3HV) = poli(3-hidroxibutirato-co-3 hidroxivalerato) - P(3HV)=Poli(3-hidroxivalerato) P(3HHx-co-3HO) = Poli(3-hidroxihexanoato-co-hidroxioctanoato) Fonte : LEE,1996 / Carminatti,Cristiane ; Furigo
Junior,Agenor – Produção de hidroxialcanoatos –CT - UFSC
Duas células de Burkholderia
sacchari ,Bactéria Produtora
de biopolimero termoplástico
descoberta no Brasil em
culturas de cana.
Microfotografia mostrando
em evidencia os granulos
intracelulares de PHB
Aplicações
 Produção de Biomateriais
 Nanotecnologia
 Alimentos ( gomas ,celulose , inulina , polissacarídeos,
etc.)
 Produtos farmacêuticos e cosméticos
 Industria bélica ( Biosteel e outros )
 Industria Têxtil
 Tratamento de efluentes contendo metais pesados
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Referências
LUVIZETTO, Débora Jung. Cultivo da bactéria Bacillus megaterium para a produção do
biopolímero poli(3-hidroxibutirato) e modelagem matemática do bioprocesso. 2007. 119 f.
Monografia ( Pós-graduação em engenharia química) – Escola de Engenharia, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2007.
DRUMMOND, Alberto André R. Produção de Biopolímeros parte 2. 44 slides. Escola de
Química, Universidade Federal do rio de Janeiro.