“Em     todas as questões humanas há um único fator dominante – o tempo. Para compreender o estado atual da ciência, precisamos saber como ela chegou a ser assim: nós não podemos evitar os acontecimentos históricos…Para avançar rumo ao futuro devemos olhar para trás, no passado.”

J. M. Ziman 

Microbiologia e o futuro

Os microorganismos sempre foram intensamente úteis para a humanidade, mesmo quando desconhecidos. Com o crescimento da industria e biotecnologia ocorrerá uma intensificação pelo interesse na microbiologia industrial por meio da expansão do potencial de novos produtos e aplicações, afetando diretamente nossas vidas e bem estar.

Microorganismos e a produção de enzimas

As enzimas são moléculas de proteínas que têm a função de catalisar reações, sendo produzidas por microrganismos.

enzima produzida por bactérias Gram-negativas 

Foi somente na primeira metade do século XIX que surgiram as primeiras evidências científicas de que os microrganismos possuem substâncias químicas capazes  de catalisarem reações químicas (Payen Persaz em 1883).

A principal fonte de obtenção de enzimas são os microrganismos, embora muitas enzimas de aplicação industrial tenham sua origem nos tecidos animal ou vegetal: renina, obtida do estômago de bezerros e papaína, obtida do mamão, por exemplo.

Os principais tipos de enzimas comercializados atualmente são as proteases, glucoamilase, a-amilase e glicose isomerase.

A tabela mostra os principais tipos de enzimas  bem como o seus principais usos.

 

ENZIMA	APLICAÇÃO
protease	quebra de moléculas de proteína
amilase e amiloglucosidase	sacarificação do amido
catalase	eliminação da água oxigenada no processamento de alimentos
glicose isomerase	produção de isoglicose
invertase	inversão da sacarose
lactase	desdobramento da lactose
lipase	desdobramento de óleos e gorduras
celulase	desdobramento da celulose
glicose oxidase	remoção da glicose

Microorganismos na produção de ácido cítrico

Aspergillus niger

O ácido cítrico (ácido 2- hidroxipropano-1,2,3-tricarboxilico) é um produto

que possui grande importância, uma vez que é utilizado em vários segmentos

industriais. Atualmente o ácido cítrico é produzido através de fermentação

utilizando o microrganismo Aspergillus niger, empregando sacarose como

substrato.

 

                                                                                                                                    

Um levantamento de microrganismos potencialmente produtores de ácido cítrico foi realizado, sendo identificados os fungos Aspergillus niger, Aspergillus carbonarius, Aspergillus wentii, Penicilum janthinelum, Penicilium restrictum e a levedura Cândida lipolytica.

Através do estudo do processo fermentativo em hidrolisado pode ser determinado o microrganismo melhor produtor de ácido cítrico. O hidrolisado foi obtido através de hidrolise ácida a partir de aparas de eucalipto. As aparas de eucalipto são resíduos da colheita da madeira de eucalipto para a produção de papel e celulose. Submetidas ao processo de hidrólise podem ser transformadas em um xarope de açúcares fermentescíveis, o qual pode ser empregado para a produção de substâncias de interesse social e econômico, entre as quais o ácido cítrico. Este ácido possui ampla aplicação

nas indústrias farmacêuticas e de alimento. Visando estudar um substrato

alternativo para a produção deste ácido por processo de fermentação, foi

realizado um levantamento de alguns microrganismos potencialmente

produtores de ácido cítrico, para selecionar aqueles capazes de crescer no

hidrolisado hemicelulósico, obtido por processo de hidrólise ácida de aparas de

eucalipto e que possui a xilose como principal açúcar fermentescível.

Os resultados obtidos indicam:A levedura não se desenvolveu, pois não consome a principal fonte de açúcar do hidrolisado (xilose). Os microrganismos Yarrowia lipolytica e Penicillium janthinellum não crescem no hidrolisado e que os fungos Aspergillus niger e Aspergillus carbonarius apresentaram crescimento satisfatório e ambos consumiram todo o açúcar presente no meio. Portanto, estes microrganismos poderão ser

empregados para o estudo da produção de ácido cítrico em meio preparado

com o hidrolisado em estudo.

A LEVEDURA

A levedura - Saccharomyces cerevisiae

As leveduras são seres vivos, apresentam-se caracteristicamente sob forma unicelular, que pertencem ao grupo dos fungos, e não apresentam clorofila; portanto, são seres heterotróficos, que dependem de alimento proveniente de outros seres vivos. Para se alimentarem, os fungos soltam substâncias capazes de decompor o alimento que está a sua volta. No caso das leveduras, elas decompõem o açúcar que está ao seu redor, produzindo um líquido nutriente que é absorvido por elas.

Existem, aproximadamente, 350 espécies diferentes de leveduras, separadas em cerca de 39 gêneros.

Conhecido como levedura, levedo de cerveja ou fermento biológico, o fungo Saccharomyces cerevisiae é utilizado na preparação de alimentos (pão, biscoitos, fermento de padaria) e de bebidas (cerveja, vinho e destilados), assim como na produção de outras substâncias de importância industrial (etanol, vitaminas e outros metabólitos).

As leveduras são microrganismos de grande importância econômica. Como agentes biológicos da fermentação alcoólica, as leveduras participam tanto na produção de biocombustíveis (etanol de cana-de-açúcar) como na indústria de alimentos (pães, bolos, bebidas alcoólicas).

A levedura cresce facilmente nas condições de laboratório. Também pode ser manipulada geneticamente. Multiplica-se rapidamente em fermentadores ou biorreatores industriais, a partir de matérias-primas de baixo custo dos quais pode ser separada por filtração ou centrifugação, uma vez acabado o processo.

Em 2009, Cientistas do Instituto de Biologia (IB) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), em parceria com colegas da Universidade de Duke, nos Estados Unidos, concluíram o sequenciamento genético da levedura Saccharomyces cerevisiae, conhecida como Pedra 2.

O estudo, que foi publicado na revista Genome Research do mês de outubro, abriu novas perspectivas para a produção de etanol no país, de acordo com seus autores. Com o mapeamento do genoma da levedura, os pesquisadores conseguiram decifrar o mecanismo de ação do microrganismo.

Segundo o pesquisador, a pesquisa prossegue tentando entender em detalhes como esse mecanismo de transformação ocorre. Ao compreendê-lo profundamente, diz, "teremos condições de empregar a engenharia genética para manipular a levedura."

Com essa descoberta o Brasil vive uma verdadeira revolução do ponto de vista tecnológico. O objetivo dos cientistas é domesticar esse microrganismo e reprogramá-lo de forma eficiente para produzir mais etanol ou etileno, a partir da cana-de-açúcar.

Cianobactérias e os biocombustíveis

Synechoccus elongatus

Pesquisadores da Universidade da Califórnia realizaram uma pesquisa, aonde modificaram geneticamente uma cianobactéria para fazê-la consumir dióxido de carbono e produzir o combustível líquido isobutanol, que tem grande potencial como alternativa à gasolina.

Essa reação química para produção do combustível é alimentada diretamente por energia solar, através da fotossíntese.

O processo tem duas vantagens para a meta global de longo prazo de se alcançar uma economia sustentável, que utilize energia mais limpa e menos danosa ao meio ambiente.

Em primeiro lugar, ele recicla o dióxido de carbono, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa resultantes da queima dos combustíveis fósseis.

Em segundo lugar, ele usa energia solar para converter o dióxido de carbono em um combustível líquido que pode ser usado na infraestrutura de energia já existente, inclusive na maioria dos automóveis.

Transformação de CO2 em combustivel

Usando a cianobactéria Synechoccus elongatus, os pesquisadores primeiro aumentaram geneticamente a quantidade da enzima RuBisCo, uma fixadora de dióxido de carbono. A seguir, eles juntaram genes de outros microrganismos para gerar uma cepa de bactérias que usa dióxido de carbono e luz solar para produzir o gás isobutiraldeído.

O baixo ponto de ebulição e a alta pressão de vapor do gás permitem que ele seja facilmente recolhido do sistema.

As bactérias geneticamente modificadas podem produzir isobutanol diretamente, mas os pesquisadores afirmam que atualmente é mais fácil usar um processo de catálise já existente e relativamente barato para converter o gás isobutiraldeído para isobutanol, assim como para vários outros produtos úteis à base de petróleo.

Segundo os pesquisadores, uma futura usina produtora de biocombustível baseada em suas bactérias geneticamente modificadas poderia ser instalada próxima a usinas que emitem dióxido de carbono - as termelétricas, por exemplo. Isto permitiria que o gás de efeito estufa fosse capturado e reciclado diretamente em combustível líquido. Para que isso se torne uma realidade prática, os pesquisadores precisam aumentar a produtividade das bactérias e diminuir o custo do biorreator.

Microorganismos e Aminoácidos

Os aminoácidos usados em diversos produtos são fabricados principalmente pelo possesso de fermentação, utilizando materiais de origem naturais da mesma forma que o iogurte, a cerveja, o vinagre, etc.

O método de fermentação para a produção de aminoácidos é um processo pelo qual os microorganismos convertem os nutrientes em vários componentes vitais necessários para eles próprios. Com o método de fermentação, matérias-primas como a glicose são adicionadas ao meio de cultura do microorganismo, permitindo que os microorganismos proliferados produzam aminoácidos. As enzimas desempenham um papel importante nesta etapa. As enzimas, que são proteínas que catalisam as reações químicas no corpo vivo, são indispensáveis para degradação e síntese das substâncias. 

Processo de produção

Para produção de aminoácidos com uso de microorganismos, é importante descobrir um microorganismo com alto potencial para produção de aminoácidos. 

Após a seleção de um microorganismo adequado para o método de fermentação, é necessário aumentar seu potencial, isto é, conduzir aperfeiçoamentos para aproveitar todo o potencial deste microorganismo. 

Eles possuem um mecanismo de controle das quantidades e qualidades de enzimas, para produção de aminoácidos somente nas quantidades necessárias. Portanto, é necessário liberar este mecanismo de controle para fabricação do aminoácido alvo em grandes quantidades.

A produção de um aminoácido depende das quantidades e qualidades das enzimas. Há aumento na produção se as enzimas envolvidas na produção do aminoácido alvo estiverem presentes em grandes quantidades sob condições adequadas para suas atividades. Suponha que um microorganismo tenha um caminho metabólico A → (a) →  B →  (b) → C → (c) → D (onde: a, b, e c são enzimas). Para produzir somente o aminoácido C em grandes quantidades, será necessário somente aumentar as ações das enzimas (a) e (b) e eliminar a ação da enzima (c). As linhagens são melhoradas com a aplicação de várias técnicas que possibilitam este processo. O tanque de fermentação é abastecido com xaropes/açúcares derivados da cana de açúcar, milho e mandioca. Em seguida os processos para fermentação são ajustados, visando perfeitas condições na mistura, fornecimento de ar, temperatura e pH. O resultado final será somente o aminoácido alvo, obtido deste caldo fermentado de alta pureza.

Microorganismos na Indústria Farmacêutica

A microbiologia farmacêutica moderna foi desenvolvida após a Segunda Guerra Mundial, com a introdução da produção de antibióticos.

Antibiótico é uma substância que tem capacidade de interagir com microorganimos  que causam infecções no organismo. Os antibióticos interagem com estes microorganismos, matando-os ou inibindo seu metabolismo e/ou sua reprodução, permitindo ao sistema imunológico combatê-los com mais facilidade.

Os antibióticos não atuam apenas em bactérias, mas também em fungos, por exemplo, ele pode ser bactericida quando tem efeito letal sobre a bactéria ou bacteriostático, se apenas interrompe sua reprodução ou inibe seu metabolismo.

As primeiras substâncias descobertas eram produzidas por fungos, como a penicilina. Atualmente, são sintetizadas ou alteradas em laboratórios farmacêuticos e têm a capacidade de impedir ou dificultar a manutenção de um certo grupo de células vivas.

Penicilina

Foi o primeiro antibiótico identificado pelo homem. É um antibiótico natural e derivado de um fungo, o bolor de pão Penicillium chrysogenum. Foi descoberta em 15 de setembro de 1928 e está disponível como fármaco desde 1941, sendo o primeiro antibiótico usado com sucesso.

Há dois tipos principais de penicilina:

• A Penicilina G, foi a descoberta primeiro e é geralmente injetável, ainda que existam formas bucais para tratamento dental. Ela é mal absorvida a partir do intestino por isso a via oral não é utilizada.
• A Penicilina V é geralmente administrada por via oral e é absorvida para o sangue ao nível intestinal.

Existem muitos antibióticos derivados por métodos químicos industriais da penicilina, constituindo as penicilinas semi-sintéticas:

• Amoxicilina, Ampicilina e Pivampicilina têm maior especto de ação, e são eficazes contra mais tipos de organismos.
• Flucloxacilina é mais resistente à beta-lactamase (uma penicilinase).
• Carbenacilina, Aziocilina, Ticarcilina são eficazes contra espécies de Pseudomonas, especialmente a P.aeruginosa, que são importantes patogénios do meio hospitalar.