Bactérias Que Produzem Biopolímeros

1. Bactérias Que Produzem Biopolímeros Ellen Barbosa, Carolina Oliveira, Yves Moreira

2. Biopolímeros são materiais fabricados a partir de Fontes Renováveis ( soja, milho, cana-de-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.

3. 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.

4. 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).

5. 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.

6. 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.

7. 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

8. 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

9. 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.

10. 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-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato) (P(3HB-co-3HV)) incubados em lodo ativado a uma temperatura média de 20°C

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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.

17. 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.

18. 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.

20. 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.

22. 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

23. 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

24. Cupriavidus necator ( Ralstonia eutropha) • Microrganismo mais utilizado • Pode acumular cerca de 96 % da sua massa seca como polímero • Facilidade de cultivo em substratos renováveis

26. 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

28. 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

29. 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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31. 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.