Introdução à Biotecnologia e Engenharia Genética

ENGENHARIA BIOQUÍMICA Marcos Henrique de Araújo 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO À BIOTECNOLOGIA 3 2 ENGENHARIA GENÉTICA I 29 3 ENGENHARIA GENÉTICA II 49 4 ENZIMAS E PROCESSOS FERMENTATIVOS 67 5 BIOTECNOLOGIA APLICADA E MEIO AMBIENTE 86 6 MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL E BIOTECNOLOGIA APLICADA NA AGRICULTURA 114 3 1 Introdução à Biotecnologia A biotecnologia está presente em nosso dia a dia contribuindo de forma significativa para a nossa qualidade de vida O avanço das pesquisas principalmente nas áreas da biologia molecular e celular engenharia genética microbiologia e química e engenharia de processos impulsionaram a biotecnologia nas últimas décadas proporcionando a otimização a ampliação e o surgimento de novos processos industriais que contribuíram para a descoberta de novos metabólicos destinados a uma variedade de aplicações industriais nos setores alimentício químico petrolífero têxtil fármaco ambiental mineração calçados cosméticos dentre outros Essa evolução no desenvolvimento de tecnologias e produtos evidenciou o importante papel da biotecnologia ao proporcionar os mais variados benefícios trazidos à sociedade melhorando a vida e a saúde das pessoas Nesse bloco vamos apresentar um breve histórico da biotecnologia a descoberta dos processos fermentativos a conservação dos alimentos a extração de produtos de origem vegetal e os tipos de microrganismos utilizados nos estudos de interesse biotecnológico além da evolução das mais variadas técnicas que envolvem tanto a biotecnologia clássica quanto a biotecnologia moderna aplicadas nos mais diversos setores produtivos 11 História da Biotecnologia Clássica e Moderna Existem uma grande diversidade de definições para o termo Biotecnologia Essas variações de conceitos ocorrem devido ao avanço das pesquisas sobre o conhecimento dos seres vivos adquiridos pelo homem ao longo do tempo nas múltiplas áreas do conhecimento que envolvem essa ciência GUSMÃO 2017 Dentre as várias definições apresentamos alguns conceitos sobre o termo biotecnologia já descritos em diversos estudos 4 Conjunto de técnicas aplicadas na manipulação de seres vivos ou parte destes para fins econômicos por meio da produção de bens e serviços utilizandose de uma diversidade de antigas e modernas tecnologias que envolvem desde processos de fermentação até experimentos em manipulação genética que resultarão ao longo do tempo em grandes avanços na área da biologia molecular FIGUEIREDO et al 2006 Segundo MALAJOVICH 2011 a biotecnologia pode ser definida de uma forma mais ampla como uma atividade baseada em conhecimentos multidisciplinares que utiliza agentes biológicos para fazer produtos úteis ou resolver problemas De acordo com BRASIL 2010 o termo biotecnologia pode ser apresentado como um conjunto de técnicas de natureza variada que envolve uma base científica comum de origem biológica e que requer crescentemente o aporte de conhecimento científico e tecnológico oriundos de outros campos do conhecimento Apesar do termo biotecnologia ser utilizado somente no início do século XX estimase que os princípios da biotecnologia clássica já eram aplicados pelo homem desde a antiguidade apesar do desconhecimento da existência dos microrganismos e da genética Entretanto com base no conhecimento empírico existia o uso de técnicas de preparação na conservação dos alimentos e bebidas por meio dos processos de fermentação na domesticação de animais no cultivo de plantas e na extração de produtos de origem vegetal para o tratamento de infecções MALAJOVICH 2011 Segundo SILVEIRA 2002 a biotecnologia Tradicional ou Clássica é caracterizada por apresentar um conjunto de técnicas amplamente disseminadas que se utilizam de seres vivos encontrados em seu ambiente natural ou melhorados pelo homem por meio da aplicação de técnicas de isolamento seleção e cruzamentos genéticos entre espécies compatíveis Presumese que em 8000 aC na região da Mesopotâmia os povos selecionavam as melhores sementes produzidas pelas plantas para a obtenção de um aumento na produtividade de sua colheita Registros históricos também apontam o uso da biotecnologia em processos de fermentação do trigo e uva para a produção de vinho e pães respectivamente datados de 7000 aC e na fermentação do leite por meio da manipulação de leveduras e bactérias em 3000 aC para a fabricação de queijos EMBRAPA 2011 5 Apesar do grande uso dos processos de fermentação ao longo da história somente na segunda metade do século XVII após a descoberta da célula pelo cientista inglês Robert Hooke ao examinar cortiça de vegetal ao microscópio houve o avanço de novas descobertas no campo da biologia Na década seguinte em 1675 o naturalista holandês Antony van Leeuwenhoek construiu seu próprio microscópio permitindo observar pela primeira vez protozoários bactérias e células animais BORÉM 2005 Porém somente em 1839 o botânico Matthias Schleiden e o zoólogo Theodor Schwann publicaram a Teoria Celular reconhecendo a célula como unidade morfológica e fisiológica dos seres vivos fundamental para a manutenção da vida O químico francês Louis Pasteur em 1862 por meio da realização de estudos na indústria vinícola descobriu a ação dos microrganismos no processo de fermentação trabalho esse apresentado a Societé de Sciences de Lille Elaborou também a Teoria Germinal das doenças infecciosas onde enfatizase que a maioria dessas doenças são causadas por microrganismos e no desenvolvimento de metodologias para combater os agentes infecciosos como a adoção de noções básicas de esterilização podem prevenir infecções nos procedimentos cirúrgicos Nesse mesmo período o cientista alemão Robert Kock desenvolveu técnicas para o estudo de microrganismos publicando os Postulados de Kock teoria essa que associa um microrganismo específico a uma doença específica representando um grande avanço no estudo das doenças infecciosas Podemos destacar também a contribuição do monge austríaco Gregor Mendel que em 1866 conseguiu elucidar os segredos da hereditariedade ao realizar experimentos com ervilhas sendo reconhecido posteriormente como o Pai da Genética EMBRAPA 2011 Na primeira metade do século XIX o pesquisador Frederick Griffith descobriu o princípio genético da transformação que demonstrou a capacidade de transferência de informação genética de uma linhagem bacteriana a outra 6 O ano de 1953 foi considerado um marco para a ciência com a descoberta da estrutura química da molécula do DNA pelos cientistas da Universidade de Cambridge James Watson e Francis Crick contribuindo diretamente para o avanço dos estudos na área da genética e biologia molecular Eles demonstraram que o modelo da molécula de DNA apresenta duas fitas de nucleotídeos pareadas entre si por meio do estabelecimento da combinação entre as bases químicas desses nucleotídeos Adenina A associandose a TiminaT e a base CitosinaC associandose com a GuaninaG Essas duas cadeias de nucleotídeos estão unidas por pontes de hidrogênio e apresentam a forma helicoidal ou em duplahélice A partir do conhecimento da molécula de DNA foi possível entender os mecanismos de replicação desse ácido nucléico responsável pela transmissão dos caracteres hereditários de geração e consequentemente perpetuação das espécies Com a divulgação do modelo de DNA proposto por Watson e Crick houve uma revolução em estudos realizados principalmente nas áreas da genética e biologia Surge no início dos anos 70 a Biotecnologia Moderna por meio do desenvolvimento de pesquisas envolvendo a manipulação genética e a utilização de técnicas de DNA recombinante possibilitando a ciência da biotecnologia interagir com as diversas áreas do conhecimento como a citologia biologia molecular genética microbiologia farmacologia química dentre outras para o melhoramento de plantas animais e microrganismos além de outras aplicações na saúde e na indústria Portanto a biotecnologia moderna desenvolve os seus estudos com partes de organismos células e moléculas frequentemente modificandoas com técnicas de engenharia genética No ano de 1972 surge a engenharia Genética com o experimento realizado por cientistas americanos ao ligarem plasmídeo de DNA bacteriano de Scoli com o genoma do papilomavírus 7 Outro experimento de transformação gênica ocorreu em 1973 realizada na Califórnia pelos pesquisadores Hebert Boyer e Stanley Cohen ao construírem um gene com parte do plasmídeo bacteriano e parte do DNA de um sapo Xenopus laevis Esse estudo abriu um novo caminho na área do melhoramento genético e desenvolvimento de variedades BORÉM e VIERA 2005 Em 1975 devido ao aumento considerável de experimentos com DNA recombinante foi realizada a Conferência de Asilomar nos Estados Unidos onde diversos especialistas se reuniram para estabelecer normas para a regulamentação dos experimentos com DNArecombinante Um importante fato a ser destacado que contribuiu diretamente para a popularização da biotecnologia foi o estudo realizado por Kary B Mullis em 1983 que utilizou uma técnica de reação de polimerização em cadeia PCR permitindo ampliar o material genético em tubos de ensaio contribuindo para a aplicação desse processo em diversas áreas da biotecnologia FERRO 2010 Nesse mesmo período técnicas de DNA recombinante foram utilizados na produção do hormônio de crescimento humano e insulina humana e os primeiros experimentos de Engenharia Genética em plantas Um marco importante a ser destacado na história da biotecnologia moderna no ano de 1997 foi a publicação do estudo que originou o primeiro mamífero clonado a ovelha Dolly por meio da transferência nuclear de células somáticas Em 1999 é apresentado os resultados referentes ao sequenciamento do primeiro cromossomo humano Nesse mesmo ano pesquisadores descobrem que as células tronco podem ser estimuladas a produzir diversos tipos celulares No início do século XXI foi publicado nas revistas Science e Nature o rascunho do sequenciamento do genoma humano Simultaneamente outros estudos estavam em desenvolvimento como o sequenciamento do genoma do arroz e banana de grande importância agronômica para os países em desenvolvimento e a obtenção de células do sangue por meio do cultivo de células troco embrionárias Iniciase a utilização de células tronco adultas para o tratamento de diversas doenças como diabetes doenças de Chagas e leucemia MALAJOVICH2011 8 A engenharia genética por meio da transferência de genes entre espécies diferentes origina um organismo geneticamente modificado OGM e na fusão celular que consiste na formação de uma célula originada a partir da fusão de duas células diferentes constitui o principal campo de pesquisa que envolvem a biotecnologia moderna BORÉM e VIEIRA 2005 Experimentos em clonagem alimentos transgênicos fermentações industriais desenvolvimento de fármacos vacinas e novos testes diagnósticos sequenciamento de genomas construção de célula sintética uso de microrganismo na agricultura e recuperação de áreas degradadas controle biológico identificação das regiões ativas do genoma humano e desenvolvimento do rascunho do proteoma humano são exemplos atuais das principais técnicas relacionadas à biotecnologia moderna A figura 11 representa as diversas técnicas aplicadas relacionadas à biotecnologia Fonte adaptado de Malajovich2011 Figura 11 Principais técnicas relacionadas à biotecnologia 12 Tipos Celulares de Interesse em Biotecnologia A biotecnologia se baseia na utilização de sistemas celulares para desenvolver processos e produtos de interesse econômico e social Dentre os muitos organismos que apresentam grande interesse biotecnológico podemos destacar 9 Archaea As Arqueobactérias ou arqueas apresentam estrutura celular procariótica como as bactérias porém a sua estrutura evolutiva é distinta do grupo das eubactérias O grupo de Archeas denominado Euryarchaeota apresenta uma grande diversidade de espécies que vivem em ambientes extremos como os organismos denominados halófilos extremos que habitam ambientes naturais com grandes concentrações de sais ou vivem em ambientes salinos artificiais como a superfície de alimentos salgados Outros microrganismos que vivem em sedimentos pantanosos pertencentes a esse mesmo grupo são considerados metanogênicos pois apresentam a capacidade de produzir gás metano MADIGAN 2010 Outros grupos de arqueas habitam outros tipos de ambientes inóspitos em regiões que apresentam extremos térmicos como fontes termais submarinas fendas quentes águas antárticas profundas e gelo marinho Devido a essas particularidades os estudos realizados com os microrganismos halófilos tem aumentado consideravelmente para serem utilizados em processos industriais que exigem condições extremas de temperatura na produção de metano em reatores experimentais e no tratamento de efluentes MALAJOVICH 2011 MANFIO 2003 Bactérias As eubactérias ou bactérias pertencem ao Reino Monera por apresentar célula procarionte são microrganismos unicelulares encontrados em todos os locais da Terra na superfície e no interior dos organismos multicelulares Essa capacidade de se adaptar em diversos tipos de habitats se deve a capacidade de utilizar uma variedade de nutrientes como fonte de carbono ser resistente a temperaturas diversas e em algumas espécies o desenvolvimento de esporos ou seja apresentar estruturas resistentes que protegem a bactéria em ambientes adversos e grande capacidade de multiplicação 10 Em relação a morfologia das bactérias elas podem ser esféricas cocos alongadas bacilos e helicoidais espiroquetas Podem se apresentar de forma isolada menos frequente pares ou agrupadas em colônias Muitas se locomovem livremente ou com o auxílio de estruturas locomotoras denominadas flagelos A fixação ao substrato ou organismo hospedeiro ocorre pela presença das fímbrias filamentos curtos presentes na superfície da membrana bacteriana e a produção de biofilmes secretados pelas bactérias dotadas de cápsula que permitem uma maior aderência ao meio A célula bacteriana representada na figura 12 apresenta a membrana plasmática que separa o meio intracelular do meio extracelular sob essa membrana temos uma camada rígida e espessa a parede celular e em alguns grupos de bactérias pode apresentar uma terceira camada especial denominada parede celular No citoplasma bacteriano encontramos o genoma em forma circular denominado nucleóide Além do DNA presente as bactérias podem apresentar outros cromossomos menores contendo informação genética chamados de plasmídeos Esses plasmídeos são importantes nas pesquisas que envolvem a biologia molecular como nas técnicas de DNA recombinante facilitando a transferência de genes para organismos diferentes JUNQUEIRA e CARNEIRO2013 Fonte FONTURA VILARREAL 2014 Figura 12 Célula bacteriana 11 As bactérias podem ser classificadas de acordo com a sua estrutura da parede celular Utilizase a técnica de Coloração de Gram que identifica esses microrganismos em bactérias Gram positiva que apresentam em sua parede celular camadas do composto orgânico peptideoglicano e bactérias Gram negativas dotadas de uma camada fina de peptideoglicano e lipoproteínas Dentre as bactérias do pertencentes ao grupo das Gram positivas podemos citar como exemplos os microrganismos do gênero Clostridium algumas espécies causadoras do tétano e botulismo Mycobcterium algumas espécies causam a tuberculose Streptomyces produção de antibiótico pela indústria farmacêutica Frankia fixadora de nitrogênio no interior das raízes de plantas lenhosas não leguminosa Dentre as bactérias Gram negativas podemos destacar a Escherichia coli presente no trato digestivo Pseudomonas alguns grupos causam infecções hospitalares Salmonella intoxicação alimentar Neisseria algumas espécies causam meningite MALAJOVICH 2011 As bactérias apresentam grande importância ambiental pois reincorporam o carbono orgânico dissolvido no meio aquático perdido das teias alimentares desenvolvendo um papel importante na base dos níveis tróficos de cadeias alimentares comparados aos fitoplânctons As bactérias ao serem predadas pelos protozoários contribuem para a ciclagem de nutrientes nos ecossistemas aquáticos regulando parte do fluxo de energia nos níveis tróficos das cadeias alimentares MANFIO 2003 Outras ações realizadas pelas comunidades microbianas merecem destaque como a decomposição de matéria orgânica promovendo a ciclagem de nutrientes a degradação de compostos recalcitrantes no solo a participação nos ciclos biogeoquímicos do carbono e nitrogênio Micoplasmas Os micoplasmas são bactérias que apresentam um tamanho muito pequeno podendo apresentar um tamanho variável entre 150nm até 300 nm A estrutura celular dos micoplasmas são semelhantes às bactérias excetuandose pela ausência de parede celular e o seu nucleóide DNA é aproximadamente 10 vezes menor do que o genoma presente nas bactérias JUNQUEIRA e CARNEIRO 2013 12 Os micoplasmas são denominadas bactérias oportunistas pois se aproveitam da queda de imunidade do indivíduo para se desenvolverem Um importante representante desses microrganismos é o Mycoplasma pneumoniae MP patógeno bacteriano comum sendo a principal causa de pneumonia adquirida na comunidade PAC particularmente entre crianças em idade escolar e adolescentes Cianobactérias As cianobactérias ou cianofíceas são organismos procariotos e morfologicamente podem ser unicelulares coloniais e filamentosos Apresentam sacos membranosos no interior da célula contendo clorofila e outros compostos responsáveis pelo processo fotossintético além de uma estrutura similar à de uma bactéria pois apresentam organelas celulares presentes em uma célula bacteriana como a parede celular nucleóide ribossomos e cápsula Existem cianobactérias que apresentam a capacidade de reduzir amônia conseguindo sintetizar uma grande variedade de compostos orgânicos e a possibilidade de sobreviver em situações adversas onde os recursos são escassos JUNQUEIRA e CARNEIRO 2013 A grande maioria das cianobactérias habitam a água doce com poucos representantes marinhos Também podem ocupar habitats variados encostas úmidas rochas águas permanentes e solos úmidos Alguns gêneros como a Anabaena Anacystis e Oscillatoria são utilizados como indicadores de águas poluídas pois são frequentemente envolvidos em blooms de algas conferindo odor sabor e cor características constituindo um problema a águas de abastecimento além do entupimento de canos filtros além de apresentar toxicidade morte de peixes e intoxicações nos seres humanos 13 Protozoários O Reino Protista engloba os protozoários e certos grupos de algas Os protozoários são caracterizados por serem organismos eucarióticos heterótrofos na sua maioria unicelulares ou apresentando formas coloniais Esses microrganismos são comumente encontrados em ambientes úmidos marinhos de água doce podem apresentar vida livre ou associados a outros organismos como os comensais e parasitas Os protozoários são classificados de acordo com a sua forma de locomoção podendo ser por projeções do citoplasma denominadas de pseudópodos Sarcodina presença de flagelos Mastigophora cílios Ciliaphora e nos representantes não dotados de estruturas locomotoras Sporozoa Coleções hídricas com a presença de matéria orgânica muitas vezes podem apresentar culturas de bactérias servindo de alimento para os protozoários Devido a essa característica esses organismos podem ter uma função importante no tratamento biológico de águas residuárias Acreditase que os protozoários também desenvolvam esse papel em seu ambiente natural São importantes em estudos de biologia molecular para produção de novos testes diagnósticos e vacinas devido à grande variedade de protozoários parasitas do homem causadores de diversas doenças como a Malária Doença de Chagas Leishmaniose e protozoários como Giardia spp Cryptosporidium spp Cyclosporacayetanensis Toxoplasma gondii responsáveis por doenças de veiculação hídrica que devido a sua resiliência à cloração adquirem elevada persistência ambiental sendo uma constante preocupação para as estações de tratamento de água indústrias de alimentação e frequentadores de água de recreação SELEGHIML 2011 FRANCO 2007 14 Algas As algas denominadas são organismos pluricelulares autótrofos e habitantes do meio aquático apresentando o corpo denominado de talo sem diferenciação de raízes caules e folhas Podem apresentar formas variadas desde simples filamentos até lâminas largas ramificadas Muitas dessas algas são de vida livre presente nos sedimentos do fundo fixos em substratos rochosos e recifes de corais ou flutuantes na superfície Na área ambiental as microalgas podem ser consideradas indicadoras de poluição Os processos de eutrofização das águas ocorrem devido ao excesso de matéria orgânica presente ocasionando a proliferação de microalgas e consequentemente a liberação de toxinas no recurso hídrico o aumento no consumo de oxigênio e a morte de organismos pertencentes as cadeias tróficas do ecossistema MALAJOVICH 2011 As algas merecem destaque devido a sua importância econômica pois fornecem uma diversidade de componentes químicos que podem ser utilizados no branqueamento do papel na fabricação de tintas cosméticos na produção de fármacos e como aditivos na indústria de alimentação sendo incluídos na alimentação humana como complementos nutricionais e substitutos proteicos como os aminoácidos ácidos graxos e vitaminas REYNOL 2010 MALAJOVICH 2011 Fungos O reino Fungi é composto por organismos eucarióticos podendo ser unicelulares leveduras ou em sua grande maioria por fungos filamentosos sendo onipresente na natureza com aproximadamente 15 milhão de espécies Estimase que apenas 5 da diversidade de fungos é atualmente conhecida com aproximadamente 69000 espécies descritas São caracterizados por apresentar um talo composto por filamentos denominados hifas que através do seu crescimento e ramificações formam um conjunto denominado micélio tecido responsável por todas as funções vegetativas do organismo 15 Quanto a sua nutrição são considerados organismos aclorofilados heterótrofos obtendo os seus nutrientes pelo processo de absorção por meio da secreção de enzimas secretadas pelo micélio Muitas espécies de fungos são classificadas como parasitas para humanos plantas animais e outras apresentam valor ecológico e econômico podendo ser utilizados em diversos setores da indústria Devido a sua grande diversidade e presença em todos os tipos de ambientes o estudo dos fungos se dividiu em diversas especialidades que influenciaram diretamente áreas da biotecnologia envolvendo uma grande variedade de produtos alimentícios farmacêuticos bebidas alcoólicas devido as propriedades fermentativa e enzimática desses organismos OLIVEIRA 2014 As leveduras são denominadas ascomicetos unicelulares e apresentam grande importância para o homem pois são capazes de fermentar os carboidratos quebrando as moléculas de glicose para formar o álcool etílico e gás carbônico Devido a essa propriedade as leveduras são utilizadas pelos mestres cervejeiros vinhateiros para a obtenção do álcool e pelos padeiros que usam o gás carbônico para o crescimento das massas de pães e bolos Geralmente as linhagens de uma espécie de leveduras denominada Sacharomyces cerevisae representados na Figura 13 são muito utilizadas para a produção de bebidas fermentadas no preparo da massa do pão e em estudos de laboratório no campo da genética Fonte DAS MURTEY RAMASAY 2016 Figura 13 Levedura da espécie Saccharomyces cerevisiae 16 Podemos citar outro representante dos ascomicetos os fungos pertencentes ao gênero Penicillium de onde extraiuse pela primeira vez a penicilina um antibiótico bastante utilizado no tratamento de infecções respiratórias e em doenças sexualmente transmissíveis Outros gêneros de Penicillium contribui para o sabor e odor de determinados queijos entre eles temos o P roquefortii e P camembertii Além do potencial industrial os fungos desempenham um importante papel na natureza por meio da decomposição da matéria orgânica do solo proporcionando a ciclagem do carbono nitrogênio e outros compostos do solo da formação de interações ecológicas mutualísticas simbióticas entre os fungos e raízes de plantas micorrizas melhorando a qualidade do solo e contribuindo no desenvolvimento da planta da recuperação ambiental tanto na reciclagem de resíduos agroindustriais quanto na biodegradação de materiais tóxicos apresentando uma importante função econômica social e ambiental SILVA e MALTA 2016 Vírus Os vírus são conjuntos de genes capazes de se transferir de uma célula para outra e de fazer uso das atividades das organelas da célula hospedeira para replicálos e transferi los para o exterior para que possam infectar novas células Pela necessidade de se aproveitar da maquinaria celular da célula parasitada os vírus são classificados como parasitas obrigatórios de bactérias plantas e animais JUNQUEIRA CARNEIRO 2013 A partícula viral completa e extracelular é denominada vírion sendo constituído por uma cápsula proteica denominada capsídeo que envolve um ácido nucléico DNA ou RNA Existe uma grande variação relacionadas a morfologia complexidade das partículas virais de acordo com a diversidade de famílias existentes A grande maioria dos vírions possui dimensões ultramicroscópicas com diâmetro que varia entre 15 e 22 nanômetros e só pode ser visualizada sob microscopia eletrônica ME Em alguns grupos de vírus ocorre a presença de um invólucro composto por dois fosfolipídios derivados da membrana plasmática e proteínas codificadas pelo genoma viral 17 Fonte Swiss Institute of Bioinformatics Goldsmith C apud Khan Academy 2016 Figura 14 Estrutura de uma partícula de Zica 13 Aplicações da Biotecnologia Alimentação A biotecnologia tem um importante papel na produção de alimentos Leveduras fungos filamentosos bactérias e algas podem ser usados para a obtenção direta de alimentos ao transformar uma matériaprima e fazer parte daquele alimento As enzimas são muito utilizadas na modificação da matéria prima pois atuam para uma menor formação de produtos tóxicos ou não desejáveis e na substituição de ingredientes químicos no processo Esse composto orgânico é muito utilizado no setor de bebidas e alimentos por meio da clarificação de sucos e vinhos do tratamento do malte para a elaboração de cerveja da fabricação de pães bolos e biscoitos da fabricação de laticínios e adoçantes Para que as enzimas produzidas de forma natural pelos microrganismos possam atender a demanda em escala industrial é necessária a otimização dos processos fermentativos e da engenharia genética constituindo um dos principais metabólitos de origem microbiana muito utilizado na indústria de alimentos O aparecimento dos organismos geneticamente modificados OGMs estão contribuindo para uma revolução na indústria de alimentação como a otimização da produtividade agrícola Por meio do avanço das pesquisas na área da Engenharia Genética foi possível desenvolver sementes resilientes ao uso de herbicidas pragas e alterações climáticas 18 O aumento dos benefícios nutricionais como a redução de gordura saturada no óleo arroz batata e milho ricos em betacaroteno compostos bioativos como os flavonoides licopeno e vitamina E que previnem o envelhecimento e o aparecimento de tumores são alguns exemplos da aplicação da biotecnologia no desenvolvimento de uma grande diversidade de produtos A Spirulina por exemplo é uma cianobactéria mundialmente conhecida por seus inúmeros benefícios Altamente rica em proteínas minerais e vitaminas estando presente na alimentação humana há mais de dois mil anos com diversos relatos de consumo por povos incas africanos asiáticos e europeus e atualmente é consumida em cápsulas ou tabletes como suplemento alimentar proteico Na microbiologia temos a utilização de fungos e bactérias nos processos de fermentação por meio da utilização de leveduras para a preparação de pão bolos e na produção de bebidas alcoólicas como o vinho cerveja e espumantes Fungos pertencentes ao gênero Penicillium estão presentes na indústria de fármacos para a produção do antibiótico penicilina e na indústria de alimentos fornecendo o sabor característicos de queijos como o Roquefort e o Camembert As chamadas bactérias lácteas dos gêneros Streptococcus e Lactobacillos são responsáveis pela produção de probióticos importantes na composição das bactérias presentes no trato intestinal promovendo o bom funcionamento do órgão e auxiliando no combate a várias doenças Além disso esses compostos fornecem outros produtos para a indústria de alimentos como os estabilizantes e acidulantes Meio ambiente Atualmente a biotecnologia aplicada ao meio ambiente surge como uma alternativa importante e efetiva para enfrentar os crescentes desafios relacionados a variedade e diversidade de impactos ambientais por meio de ações de prevenção monitoramento e recuperação de áreas degradadas 19 Uma estratégia preventiva muito adotada decorre da utilização de tecnologias limpas integrada aos processos produtos e serviços para aumentar a ecoeficiência reduzir o volume de resíduos gerados evitando danos ao homem e ao meio ambiente Linhagens de bactérias Pseudomonas são utilizadas na eliminação de poluentes derivados do petróleo e na remoção do mercúrio presente em águas contaminadas É feita também a substituição de processos e produtos industriais por outros que apresentam menor toxicidade e menor impacto ambiental principalmente nos setores que envolvem a indústria de celulose calçados têxtil alimentos dentre outros setores de produção A biorremediação é considerada uma tecnologia emergente por meio da utilização de seres vivos na descontaminação ou redução na concentração de poluentes presentes no meio ambiente principalmente em solos contaminados Diversos estudos envolvem a utilização de microrganismos na descontaminação de águas superficiais que contem metais pesados por meio da imobilização dos íons metálicos por ação bacteriana impedido que esse contaminante atinja o lençol freático na recuperação de metais na atividade mineradora na utilização de microbianos que secretam substâncias que promovem a precipitação de metais sob uma forma não solúvel na adsorção de íons metálicos sobre a superfície celular do agente microbiano no melhoramento genético de microrganismos que apresentam tolerância aos metais pesados SCHENBERG 2010 A utilização de combustíveis fósseis é um dos principais contribuintes no aumento dos gases de efeito estufa na atmosfera interferindo diretamente nas alterações climáticas A levedura S cerevisae até hoje é o microrganismo mais utilizado na microbiologia industrial para a produção de etanol devido aos excelentes resultados obtidos como a velocidade no processo de fermentação e o elevado rendimento do produto gerado O aumento da utilização do etanol como substituto aos combustíveis fósseis é uma alternativa biotecnológica de mitigação dos prováveis impactos ambientais 20 Outros estudos envolvem bactérias que produzem polímeros polihidroxialcanoatos PHA em forma de grânulos quando estão em ambientes que apresentam altas concentrações de carbono Esse composto apresenta propriedades similares aos plásticos de origem petroquímica Essa característica do PHA apresenta grande relevância nas questões relacionadas à preservação ambiental pois é produzido por microbianos a partir do uso de recursos renováveis utilizandose da cana de açúcar como matéria prima de baixo custo Para que essa possibilidade seja viável existem pesquisas realizadas com o melhoramento genético de C necator para o aproveitamento de sacarose fornecedora do carbono elemento químico fundamental na produção de PHA SCHENBERG2010 Para resolver a questão do lixo urbano e industrial a substituição de plásticos de origem petroquímica por plásticos produzidos por microorganismos seria altamente desejável uma vez que os biopolímeros são materiais biocompatíveis e totalmente biodegradáveis A estimativa é de que os rejeitos plásticos lançados em aterros aumentam em 404 o peso total do lixo e o problema é agravado pelo fato de que os materiais plásticos atualmente produzidos são de difícil decomposição permanecendo no meio ambiente por várias centenas de anos Entretanto o preço dos biopolímeros ainda não é capaz de competir com o dos plásticos convencionais sendo necessário otimizar as linhagens microbianas bem como os processos de recuperação e extração mas especialmente reduzir os custos com a matériaprima Choi Lee 1999 É possível entretanto prever que a situação atual se modifique à medida que o petróleo se torne escasso tornando os produtos obtidos a partir de matériasprimas renováveis de menor custo que os produtos da indústria petroquímica Schenberg 2010 21 Agricultura Com o avanço dos estudos na área da tecnologia pudemos constatar grandes avanços no setor agrícola por meio da cultura de tecidos in vitro uso de marcadores moleculares e engenharia genética tendo como objetivo o melhoramento de várias culturas como soja milho algodão tomate cana de açúcar principalmente relacionados a resistência da planta das alterações climáticas resistências a pragas aumentando a produtividade na qualidade de frutos melhoria na qualidade do solo proteção ambiental e redução de custos Dentre as diversas iniciativas que estão relacionadas aos organismos geneticamente modificados OGMs podemos citar como exemplo A alteração do genoma da soja por meio da introdução de genes da bactéria Bacillus thuringiensisBt encontrada no solo Esse microrganismo sintetiza proteínas toxicas para certas pragas que parasitam a planta da soja como a lagartadasoja Anticarsia gemmatalis que ao ingerirem a proteína acabam morrendo A soja transgênica resistente ao herbicida glifosato O arroz geneticamente modificado rico em betacaroteno Plantas que impedem a formação de cristais de gelo na superfície foliar Frutos que retardam o amadurecimento apresentando um maior tempo de duração Comercialização do arroz Bt na China e do feijão resistente ao vírus no Brasil GUSMÃO 2017 MALAJOVICH 2011 Atualmente diversos estudos estão sendo realizados sobre o grão de bico na África a berinjela na Índia o milho resistente à seca nos Estados Unidos e na África sub sahariana 22 Os microrganismos presentes em alguns tipos de solo e superfícies de certas plantas tem a capacidade de liberar substâncias tóxicas fatais para larvas de insetos O gene codificador presente na proteína já está sendo inserido no genoma da planta de algodão e milho para que essa toxina seja diretamente sintetizada pela planta dispensando o uso de inseticidas no combate dessa praga Pecuária A biotecnologia é uma forte ferramenta para a pecuária Fertilização in vitro clonagem marcadores moleculares modificação do genoma inseminação artificial superovulação e preservação de embriões biologia de células tronco vacinas e medicamentos veterinários são exemplos da intervenção da biotecnologia na pecuária Em relação aos marcadores genéticos eles possibilitam ao criador de gado por exemplo verificar a qualidade de cada animal por meio de características presentes como a maciez da carne ganho de peso maturidade sexual dentre outras sendo possível selecionar os melhores animais que apresentam os atributos desejáveis GUSMÃO 2017 Na alimentação dos animais atualmente existem estudos envolvendo o desenvolvimento de um tipo de alfafa transgênica com menor teor de lignina melhorando a digestão animal a modificação genética de plantas forrageiras trouxe bons resultados com ovelhas que foram alimentadas com ganho de peso e bom crescimento da lã Outro exemplo está na adição de aminoácidos como a lisina na composição de rações destinadas a criação de animais para o abate teve um significativo crescimento na última década Saúde As potencialidades da utilização da biotecnologia no campo da saúde são diversas apresentando um amplo espectro de aplicações que contribuem para o sistema organizacional do setor e no desenvolvimento da indústria de saúde no mundo 23 No desenvolvimento e na produção de biofármacos os antibióticos utilizados no tratamento de infecções causadas por microrganismos apresentam grande destaque entre os produtos obtidos por fermentação e nos processos da melhoria genética dos agentes biológicos utilizados nas pesquisas LIMA E MOTA 2003 As pesquisas realizadas na área da biotecnologia tem o importante papel no controle das doenças infecciosas de origem bacteriana e viral A revolução no campo das vacinas por meio da engenharia genética foi possível desenvolver uma variedade vacinas utilizandose de técnica do DNA recombinante como a vacina contra a hepatite B onde o gene do vírus HBV codificador do antígeno é inserido em uma levedura para que o antígeno específico seja sintetizado Atualmente os estudos estão concentrados nas denominadas vacinas gênicas ou vacinas de DNA Os genes específicos que sintetizam um determinado antígeno são clonados e o material genético é injetado diretamente no tecido muscular do indivíduo ou animal a ser vacinado desenvolvendo a resposta imunológica esperada Na área dos diagnósticos tivemos o desenvolvimento de uma grande variedade de testes rápidos utilizandose apenas uma amostra de sangue de fácil leitura e de maior sensibilidade e precisão reduzindose os custos comparandose aos antigos testes convencionais Outro avanço a ser destacado é a utilização de marcadores capazes de detectar doenças em seu estágio inicial melhorando o prognóstico do paciente e a identificação de inúmeros genes associados a doenças genéticas REIS 2009 Energia Devido ao grande impacto ambiental originado pela queima dos combustíveis fósseis e as limitações das reservas mundiais de petróleo para atender a demanda mundial a bioenergia surge como importante alternativa reduzindo a dependência desse mineral os custos de mitigação de emissões de carbono e ao mesmo tempo adotando um modelo de produção de energia renovável e sustentável 24 Existe uma grande variedade de tecnologias de conversão energética da biomassa incluindo a gaseificação recuperação de energia de resíduos sólidos urbanos e gás de aterro sanitário como o metano além do etanol e biodiesel biocombustíveis utilizados no setor do transporte GOLDEMBERG 2009 Nos dias atuais priorizase a produção de biocombustíveis direcionando basicamente no etanol por meio de processos de fermentação do açúcar ou amido e na produção de biodiesel derivado de óleos vegetais como o girassol dendê soja mamona palma e amendoim Desde 2014 já existe no Brasil em escala fabril a produção de etanol celulósico a partir da biomassa presente na palha da cana de açúcar por meio da utilização da biotecnologia Na produção do etanol a levedura Saccharomyces cerevisiae consome a sacarose e frutose presente no caldo de cana mas para degradar os açúcares presentes no bagaço foi necessário produzir uma nova linhagem transgênica da levedura capaz de reconhecer o composto orgânico e degradálo para que seja possível produzir o etanol celulósico A evolução da indústria da biotecnologia nos últimos anos está conduzindo uma diversidade de estudos que desenvolvem processos de produção mais avançados que os existentes como a maior fixação de carbono nas raízes enzimas de biodiesel bioprocessamento de lignocelulose alterações genéticas para a aquisição de matérias primas de biomassa e no desenvolvimento de microrganismos fotossintéticos que produzem lipídios ou hidrocarbonetos e apresentam um ótimo potencial para produção de biocombustíveis GOLDEMBERG 2009 Indústria A biotecnologia industrial envolve a aplicação de processos produtivos sustentáveis na área de produtos químicos materiais e combustíveis A biotecnologia moderna utiliza em seus processos enzimas e microrganismos para atender os diversos setores da indústria de fármacos papel e celulose química materiais e polímeros nutrição animal energia têxtil através da utilização de matériasprimas renováveis 25 As enzimas são moléculas proteicas utilizadas na catalização de reações biológicas que acelerando a velocidade das reações químicas otimizando o processo industrial tornando mais eficiente e contribuindo diretamente para a sustentabilidade industrial e ambiental Na indústria biotecnológica as enzimas são consideradas um dos produtos mais explorados Podemos citar o setor farmacêutico como principal usuário e produtor das enzimas utilizadas na produção de medicamentos no desenvolvimento de novos produtos em diagnósticos clínicos e terapias diversas O aumento nos estudos de engenharia enzimática para a busca de novas enzimas aplicadas na melhoria dos processos industriais associadas à tecnologia do DNA recombinante e expressão heteróloga de enzimas são fundamentais no desenvolvimento de novos produtos industriais obtidos pela via enzimática MONTEIRO e SILVA 2009 A tabela abaixo representa tipos de produtos e serviços de origem biotecnológica em diferentes setores da economia Tabela 11 Produtos e serviços de origem biotecnológica em diferentes setores SETORES TIPOS DE PRODUTOS OU SERVIÇOS Energia Etanol biogás e outros combustíveis a partir da biomassa Indústria Butanol acetona glicerol ácidos vitaminas etc Numerosas enzimas para outras indústrias têxtil de detergentes etc Meio Ambiente Recuperação de petróleo biorremediação tratamento de águas servidas e de lixo eliminação de poluentes Agricultura Adubo silagem biopesticidas biofertilizantes mudas de plantas livres de doenças mudas de árvores para reflorestamento Plantas com características novas incorporadas transgênicas maior valor nutritivo resistência a pragas e condições de cultivo adversas seca salinidade etc 26 Pecuária Embriões animais com características novas transgênicos vacinas e medicamentos para uso veterinário Alimentação Panificação pães e biscoitos laticínios queijos iogurtes e outras bebidas lácteas bebidas cervejas vinhos e bebidas destiladas aditivos diversos shoyu monoglutamato de sódio adoçantes etc proteína de célula única PUC para rações alimentos de origem transgênica com propriedades novas Saúde Antibióticos e medicamentos para diversas doenças hormônios vacinas reagentes e testes para diagnóstico tratamentos novos etc Fonte Malajovich 2011 Conclusão Segundo a Convenção sobre Diversidade Biológica da ONU a Biotecnologia pode ser definida como qualquer aplicação tecnológica que faça o uso de conhecimentos sobre os processos biológicos e sobre as propriedades dos seres vivos com o fim de resolver problemas e criar produtos de utilidade Portanto os avanços científicos e tecnológicos que envolvem a ciência Biotecnologia representam um instrumento de grande potencial para o desenvolvimento de processos de produção sustentáveis baseados em aplicações na área da biotecnologia visando a otimização de processos e responsabilidade na utilização dos recursos naturais como forma de assegurar uma melhor qualidade de vidas as pessoas e manutenção da preservação ambiental REFERÊNCIAS BORÉM A VIEIRA M L C Glossário de biotecnologia Folha de Viçosa 2005 BRASIL Ministério da Saúde Organização PanAmericana da Saúde Ministério da Ciência e Tecnologia Caracterização do estado da arte em biotecnologia marinha no Brasil Brasília Ministério da Saúde 2010 27 CHOI J LEE S Y Factors affecting the economics of polyhydroxyalkanoate produc tion by bacterial fermentation Applied Microbiol Biotechnol v51 p1321 1999 DAS MURTEY M RAMASAMY P Saccharomyces cerevisiae Wikimedia commons 2016 EMBRAPA Biotecnologia ambiental aplicações e oportunidades para o Brasil 2011 FERRO E S Biotecnologia translacional hemopressina e outros peptídeos intracelulares Estud Av Vol24 no70 São Paulo 2010 FIGUEIREDO L H M PENTEADO M I O MEDEIROS P T Patentes em biotecnologia Biotecnologia ciência e desenvolvimento n36 2006 FONTURA L VILARREAL M R Average prokaryote cell pt Wikimedia commons 2014 Disponível em httpsbitly33YLCkj Acesso em 14 ago 2020 FRANCO R M B Protozoários de veiculação hídrica relevância em saúde pública Rev Panam Infectol 3643 2007 GOLDEMBERG J Biomassa e energia Quím Nova vol32 no 3 São Paulo 2009 GUSMÃO A O M SILVA A R MEDEIROS M O A biotecnologia e os avanços da sociedade Biodiversidade V16 N1 2017 JUNQUEIRA L C CARNEIRO J Biologia Celular e Molecular Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2013 KHAN ACADEMY A biologia do vírus Zika 2016 Disponível em httpsbitly3b6T52p Acesso em 25 ago 2020 LIMA N MOTA M Biotecnologia fundamentos e aplicações Portugal Lidel 2003 MADIGAN M T MARTINKO J M DUNLAP P V CLARK D P Microbiologia de Brick Porto alegre Artmed 2010 MALAJOVICH M A Biotecnologia 2011 Rio de Janeiro Edições da Biblioteca Max Feffer do Instituto de Tecnologia ORT 2012 28 MANFIO G P Avaliação do estado do conhecimento da diversidade biológica do Brasil Ministério do Meio Ambiente 2003 MONTEIRO V M SILVA R N Aplicações Industriais da Biotecnologia Enzimática Revista Processos Químicos 3 5 923 2009 OLIVEIRA R L Avaliação do Potencial Biotecnológico de Fungos Mestrado dissertação Universidade do Estado do Amazonas Programa de PósGraduação em Biotecnologia e Recursos Naturais da Amazônia Manaus 2010 REIS CC FILHO L X L P PIERONI P L SOUZA J P BARROS J O SOLVA L G Biotecnologia para saúde humana tecnologias aplicações e inserção na indústria farmacêutica Rio de Janeiro BNDES setorial 2009 REYNOL F Algas Industriais Agência FAPESP 2010 SCHENBERG A C G Biotecnologia e desenvolvimento sustentável Estud Av vol 24 n70 São Paulo 2010 SELEGHIML M H GODINHO M J L TUNDISI T M Checklist dos protozoários de água doce do Estado de São Paulo Brasil Biota Neotrop vol 11 supl 1 Campinas 2011 SILVA C J A MALTA D J N A importância dos fungos na biotecnologia Ciências biológicas e da saúde v 2 n 3 p 4966 Recife 2016 SILVEIRA J M J FUTINO A M OLALDE A R Biotecnologia corporações financiamento da inovação e novas formas organizacionais Revista economia e sociedade N 18 UNICAMP Campinas 2002 29 2 ENGENHARIA GENÉTICA I A Engenharia Genética ou tecnologia do DNA recombinante pode ser caracterizada por um conjunto de processos que permitem a manipulação do genoma de agentes biológicos ou parte destes por meio da identificação isolamento e multiplicação de genes tendo como objetivo gerar produtos e serviços A descoberta das enzimas de restrição revolucionou a biologia molecular pois possibilitou montar moléculas de DNA recombinantes e manipulálas com extrema precisão trazendo enorme avanço na área da medicina e consequentemente na área industrial Dentre as diversas aplicações através da tecnologia do DNA recombinante podemos regular um gene ou um conjunto de genes desenvolver vacinas e terapias gênicas produzir substâncias úteis como a insulina humana e o hormônio de crescimento desenvolver alimentos transgênicos produzir enzimas e medicamentos desenvolver diagnósticos de doenças genéticas e aprimorar o melhoramento genético artificial de plantas e animais Nesse bloco vamos abordar o código genético conhecendo a estrutura química dos ácidos nucleicos e suas respectivas funções estabelecer as associações entre DNA cromatina cromossomos genes e as principais técnicas de DNA recombinante 21 Ácidos Nucleicos Os ácidos nucleicos são macromoléculas intracelulares informacionais que controlam os processos relacionados ao metabolismo celular produção de macromoléculas diferenciação celular e a transmissão de caracteres hereditários de geração a geração Distinguese dois tipos de ácidos nucleicos o ácido desoxirribonucleico DNA e o ácido ribonucleico RNA que apresentam constituição química e funções biológicas distintas 30 DNA Estrutura e Função A molécula de DNA foi descoberta em 1869 pelo pesquisador alemão Johann Miescher ao tentar elucidar quais componentes químicos estavam presentes no núcleo celular dos leucócitos Na análise do núcleo dessas células identificou compostos ácidos ricos em fósforo e nitrogênio o qual denominou de nucleínas Posteriormente ele identificou os mesmos elementos químicos em espermatozoides do salmão e gemas de galinha Nove anos mais tarde Albrecth Kossel verificou a presença de bases nitrogenadas na nucleína justificando a descoberta feita por Miescher ao detectar a grande presença de nitrogênio no núcleo celular Em 1889 Richard Altmann conseguiu purificar a nucleína e constatar o alto grau de acidez denominandoa de ácido nucléico Foi demonstrado mais tarde que na degradação do ácido nucleico era obtido como produto dois tipos de bases púricas adenina e guanina e dois tipos de bases pirimídicas timina e citosina além de um carboidrato pentose desoxirribose e fósforo No início do século XX foi identificada em leveduras a presença de outro tipo de ácido nucleico que possuía uma base pirimídica uracila substituindo a base timina e o glicídio ribose em vez da desoxirribose A partir dessas descobertas foram denominados dois tipos de ácidos presentes no núcleo celular o ácido desoxirribonucleico DNA e o ácido ribonucleico RNA Em 1912 os cientistas Phoebis Levene e Walter Jacobs identificaram que os ácidos nucleicos eram constituídos por unidades denominadas de nucleotídeos Portanto o DNA e o RNA são moléculas orgânicas que apresentam na sua estrutura química polinucleotídeos USP 2017a O DNA ou ácido desoxirribonucleico é uma molécula responsável por armazenar e transmitir a informação genética código genético sendo encontrado nos cromossomos nucleares mitocôndrias e nos cloroplastos presentes em células vegetais 31 A primeira evidência que o DNA é o material hereditário da célula surgiu em 1928 por meio do experimento com bactérias Streptococcus pneumoniae causadoras da pneumonia em camundongos realizado pelo médico Fred Griffith Nesse experimento foram utilizados dois grupos de pneumococos Meio de cultura contendo bactérias capsuladas virulentas que causavam a pneumonia nos camundongos denominadas de bactérias S e outra cultura de bactérias não capsuladas não virulentas que não causavam a pneumonia nos animais identificadas como bactérias R Cultura de bactérias R vivas não causadoras de pneumonia em camundongos foram misturadas com outra cultura contendo bactérias S capsuladas mortas pelo calor Esse inóculo foi injetado nos camundongos o que resultou em sua morte devido a pneumonia Esse resultado foi surpreendente pois bactérias vivas R e S mortas injetadas isoladamente nos animais não provocavam a morte A hipótese considerada é que o genoma bacteriano referente a bactéria S transformou o DNA das bactérias vivas não virulentas em bactérias virulentas causadores da pneumonia USP2017 A figura 21 representa o experimento realizado pelo pesquisador Griffith que comprovou a transformação de bactérias não virulentas R em bactérias virulentas S causadoras de pneumonia em camundongos 32 Fonte ITURRA SD Figura 21 Experimento de Griffith Transformação Bacteriana A confirmação da hipótese lançada por Griffith somente ocorreu 16 anos após o experimento realizado pelo médico Os cientistas americanos Oswald Avery Colin MacLeod e Maclyn McCarty repetiram o processo de transformação in vitro de pneumococos realizado por Griffith mas substituíram as células mortas pelo calor por um extrato composto por bactérias S capazes de provocar a pneumonia e trataram esse material com enzimas específicas que degradam proteínas proteases carboidratosamilases RNA ribonucleases e concluíram que a ação dessas enzimas não afetou o poder de transformação das bactérias Quando o extrato foi submetido à ação da enzima que degrada o DNA DNAse perdeu sua ação de transformar uma bactéria R em uma bactéria S comprovando que a molécula de DNA é a responsável pela transmissão da virulência para as bactérias vivas RODRIGUEZ 2004 Outro estudo que comprovou o DNA como o material genético responsável pela transmissão dos caracteres hereditário foi realizado pelos pesquisadores Alfred Hershey e Marta Chase ao realizarem experimentos com o vírus bacteriófago T2 que infectam bactérias Escherichia coli que geralmente se hospedam no intestino dos animais e servem de modelo para diversos estudos de biologia molecular 33 O vírus bacteriófago T2 apresenta sua estrutura composta por uma cápsula de proteínas ou capsídeo que envolve o DNA viral No experimento para comprovar o DNA como material genético ocorreram dois cultivos No cultivo 1 foi adotado o seguinte método 1 Marcaram o bacteriófago em uma solução contendo enxofre radioativo incorporado nas proteínas dos vírus cor rosa 2 Os fagos radioativos foram misturados com culturas de bactérias infectando esses microrganismos 3 A mistura foi agitada para que ocorresse o descolamento dos fagos aderidos a parede celular das bactérias 4 A solução foi centrifugada fazendo com que as bactérias se sedimentassem no fundo do tubo de ensaio e os fagos mais leves ficassem em suspensão no líquido 5 A radioatividade foi medida no sedimento e no líquido da solução No cultivo 2 a metodologia aplicada foi 1 Os fagos foram marcados em uma solução contendo o fósforo radioativo que foi incorporado ao DNA do fago azul 2 O material foi agitado e centrifugado 3 Medição da presença de radioatividade no sedimento formado na solução após a centrifugação O resultado obtido foi que nas proteínas marcadas no cultivo 1 a radioatividade se manteve fora da célula enquanto o DNA marcado como radioativo no cultivo 2 foi observado no interior da célula As células bacterianas marcadas com DNA radioativo liberaram novos fagos contendo fósforo radioativo Os cientistas chegaram à conclusão que o DNA dos fagos entra nas células bacterianas enquanto as proteínas dos fagos não penetram concluindo que o DNA funciona como material genético no bacteriófago T2 pois a partir dele pode ser formado tanto o DNA como proteínas virais REECE2015 34 Outro experimento importante foi realizado pelo bioquímico Erwin Chargaff na segunda metade do século XX Ele aplicou métodos de cromatografia para quantificar a porcentagem de cada base nitrogenada em amostras de DNA pertencente a diversas espécies de animais e diferentes órgãos da mesma espécie Os resultados obtidos foram que apesar da composição das bases nitrogenadas das amostras de DNA apresentarem uma variação de uma espécie para a outra elas eram constantes entre indivíduos de uma mesma espécie Outra constatação foi que a proporção entre as bases nitrogenadas AdeninaA TiminaT e GuaninaG CitosinaC de uma molécula de DNA são sempre iguais ou seja enquanto a proporção entre as bases apresentam variações entre as espécies o total de bases púricas A T é igual ao total de bases pirimídicas GC Nesse período muitas pesquisas realizadas eram dedicadas a análise química do DNA enquanto outros estudos abordavam a estrutura da molécula Merece destaque o estudo realizado pelo cientista Maurice Franklin considerado um dos pioneiros na descoberta da estrutura helicoidal do DNA por meio da obtenção de uma imagem de raio X do DNA contribuindo para novas descobertas relacionadas a elucidação da estrutura molecular do ácido nucleico Nesse mesmo período a biologia teve um grande avanço a partir do modelo da estrutura molecular do ácido nucleico DNA apresentados pelos cientistas James Watson e Francis Crick em 1953 Nesse modelo proposto a molécula de DNA apresenta uma dupla cadeia de polinucleotídeos dispostos em hélice ao redor de um eixo imaginário dupla hélice constituída pela polimerização de subunidades menores chamadas de nucleotídeos Cada nucleotídeo é composto por um açúcar pentose desoxirribose associado a um grupo fosfato ligado e uma base nitrogenada do tipo purinas adenina e guanina ou pirimidinas citosina e timina 35 As bases nitrogenadas são constituídas por anéis de carbono e nitrogênio As bases purinas adeninaA e guaninaG apresentam um anel simples enquanto as bases pirimidinas citosinaC e timinaT apresentam dois anéis de carbono e nitrogênio JUNQUEIRA e CARNEIRO 2013 O açúcar pentose desoxirribose e o grupo fosfato são os componentes presentes no nucleotídeo que não apresentam variações apresentando função estrutural na molécula de DNA Essa dupla cadeia de nucleotídeos se enrola originando uma estrutura helicoidal duplahélice associadas entre si por pontes de hidrogênio responsáveis pela estabilidade da hélice Essa estrutura muitas vezes é comparada de forma análoga a uma escada enrolada sobre si mesma onde os corrimãos são constituídos pela parte não variável da molécula açúcar e fosfato e os degraus da escada formados por pares de bases associadas aos pares e obedecendo a seguinte combinação AT ou GC resultando em cadeias complementares A estrutura química da molécula de DNA associada a proteínas básicas denominadas de histonas é chamado de nucleossomo FARAH1997 A figura 22 representa uma hélice de DNA formada por duas cadeias de polinucleotídeos emparelhadas por pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas 36 Figura 22 Associação dos nucleotídeos das cadeias de DNA RNA Estrutura e Função A molécula de RNA ou ácido ribonucleico apresenta uma semelhança estrutural à molécula de DNA tendo em sua composição química os nucleotídeos Apesar dessa similaridade química com o DNA a molécula de RNA apresenta algumas diferenças como um filamento único de nucleotídeos exceto em alguns vírus açúcar pentose denominado ribose a presença da base nitrogenada uracila U substituindo a base Timina T presente no DNA Em relação a questão estrutural e funcional existem três variedades de ácidos ribonucleicos RNA transportador ou RNA de transferência tRNA sintetizados inicialmente sobre filamentos de DNA código genético sofrem um processo de encurtamento splicing e migram para o citoplasma com a função de associar se a aminoácidos presentes no meio celular transportálos e posicionálos corretamente nas cadeias de polinucleotídeos nos complexos de ribossomos e mRNA denominados de polirribossomos A cada três bases de nucleotídeos do tRNA ocorre a combinação com um tipo de aminoácido específico que é capaz de reconhecer qual o local da molécula de mRNA constituída por três bases denominadas de códon estabelecendo uma associação códon trincas de bases do mRNA com anticódons trincas de bases do tRNA 37 RNA mensageiro mRNA sintetizado a partir da transcrição de um segmento de uma das fitas de DNA constituinte do cromossomo presente no núcleo celular Após o processo de transcrição o mRNA é exportado para o citoplasma celular associandose ao ribossomo e formando o complexo poliribossomos Esse filamento de RNA se apresenta em trincas de nucleotídeos códon que contém a informação genética elaborada pela molécula de DNA para que seja combinado com o tRNA anticódon e ocorra a síntese de uma nova proteína RNA ribossômico rRNA molécula sintetizada no núcleo celular associase a proteínas originando a organela celular denominado ribossomo Os ribossomos presos aos filamentos da fita de mRNA formam os chamados polirribossomos responsáveis pelo processo de síntese proteica JUNQUEIRA E CARNEIRO 2013 Replicação transcrição e tradução A duplicação ou replicação da molécula de DNA a síntese da molécula de RNA a partir do DNA e a combinação dos códons do mRNA com os anticódons do tRNA são denominados processos de replicação transcrição e tradução respectivamente A replicação consiste na separação das cadeias da molécula de DNA onde cada fita livre serve de molde para a síntese de uma nova cadeia complementar obedecendo o pareamento de bases nitrogenadas de acordo com o modelo proposto pelos cientistas Watson e Crick A duplicação da molécula de DNA denominada semiconservativa requer que os desoxirribonucleotídeos livres no meio celular se posicionem sobre uma cadeia de nucleotídeos molde para que se forme uma nova cadeia complementar à cadeia de nucleotídeos do DNA original molécula mãe resultando em uma cópia idêntica de uma molécula preexistente Um novo nucleotídeo é adicionado pelas enzimas polimerases do DNA à cadeia em crescimento se o último nucleotídeo estiver corretamente pareado ao nucleotídeo correspondente a cada molde 38 Apesar da replicação da molécula de DNA ser considerada um processo bastante complexo estimase que a formação de uma nova molécula de DNA apresenta alta precisão no pareamento das bases nitrogenadas com apenas um erro na replicação de 108 bases Essa eficiência no acerto das combinações de bases devese a ação de enzimas polimerases do DNA que atuam na conferência na associação das bases nitrogenadas removendo em sua maioria as associações incorretas Essa autocorreção é importante pois a porcentagem de incorporação de nucleotídeos é elevada da ordem de 1 em cada 100 mil nucleotídeos JUNQUEIRA e CARNEIRO 2013 Figura 23 Replicreplação da molécula de DNA Na transcrição ocorre a síntese da molécula de RNA utilizandose como molde a molécula de DNA No início do processo abrese a dupla hélice de DNA separando as duas sequências de polinucleotídeos para que novas sequências de nucleotídeos se associem a uma das fitas do DNA estabelecendo o pareamento das bases originando uma molécula de RNA No processo de tradução as bases nitrogenadas trincas do tRNA se associam aos códons trincas do mRNA traduzindo o código genético em aminoácidos que se ligam e formam uma cadeia polipeptídica originando uma nova proteína de acordo com o código genético elaborado pelo DNA e transcrito para o mRNA 39 Esses processos onde o DNA atua como molde para a síntese de RNA em que essas moléculas orgânicas em células eucarióticas migram para o meio citoplasmático onde determinam qual a sequência e os tipos de aminoácidos para a produção de uma determinada proteína foi denominado pelos pesquisadores Watson e Crick em 1956 de dogma central da biologia figura 24 Figura 24 Fluxo de informação genética 22 Cromatina cromossomos e genes No núcleo das células eucarióticas o DNA se associa a proteínas complexas originando a cromatina constituinte do material genético A organização da cromatina é considerada dinâmica pois o seu grau de condensação depende do estado fisiológico da célula e o estado de diferenciação que se altera de acordo com a fase do seu ciclo celular e com o seu grau de atividade Quando se inicia o processo de divisão celular o núcleo apresenta a cromatina altamente condensada constituindo os cromossomos Cromatina e cromossomos representam dois aspectos morfológicos e fisiológicos da mesma estrutura 40 Figura 25 Compactação do DNA até a formação de cromossomos A cromatina apresenta porções distintas denominadas de eucromatinas e heterocromatinas identificadas de acordo com o seu grau de compactação A eucromatina expõe regiões do cromossomo que apresentam um padrão normal de condensação e distensão durante o ciclo celular apresentando a porção de áreas do genoma onde está ocorrendo a expressão gênica A heterocromatina apresenta regiões do cromossomo condensadas por todo o ciclo celular e transcricionalmente inativas Nas espécies animal e vegetal o DNA nuclear está dividido em uma série de diferentes cromossomos o qual se denomina cariótipo O cariótipo pode ser definido como um conjunto de características constantes dos cromossomos da espécie quanto a número tamanho e morfologia JUNQUEIRA e CARNEIRO2013 A representação do cariótipo nas células somáticas dos eucariontes os cromossomos ocorrem aos pares sendo um cromossomo de origem paterna e outro de origem materna e são denominados de cromossomos homólogos pois apresentam o mesmo tamanho a mesma forma e a mesma sequência de genes 41 Nas células humanas temos um cariótipo composto por 46 cromossomos ou 23 pares dos quais 44 são denominados cromossomos autossomos e 2 são cromossomos sexuais e são identificados como XX no sexo feminino e XY no sexo masculino A figura 26 apresenta o ideograma no qual os cromossomos são ordenados aos pares de acordo com sua morfologia e tamanho Figura 26 Cariótipo humano masculino Um gene é constituído por um segmento de DNA apresentando uma sequência de nucleotídeos que expressa uma determinada cadeia polipeptídica ou proteína específica Diferentes genes se manifestam de acordo com as fases do desenvolvimento do organismo havendo um controle eficiente na definição do momento em que os genes devem ser ativados e em que intensidade para a síntese de uma determinada proteína FARAH 1996 Os genes presentes nas células eucarióticas podem ser classificados em três categorias Gene de cópia única Corresponde a fração maior do genoma onde cada sequência de nucleotídeo está presente uma única vez no genoma de uma célula haplóide gameta pertencendo a um grupo dos genes estruturais responsáveis pela codificação de proteínas 42 Gene medianamente repetitivos Apresenta sequências de nucleotídeos que se repetem de forma moderada entre 100 e 10000 cópias de cada um desses genes no genoma Os genes que codificam o RNA ribossômico e os responsáveis pela síntese das proteínas são os principais representantes desse grupo de genes Gene de alta repetição Representa a menor fração do genoma apresentando sequências de nucleotídeos acima de 10000 cópias de cada gene São denominados DNA satélite podendo aumentar o número de cópias de um gene em diferentes fases do desenvolvimento Esse grupo de genes facilita a cópias adicionais de genes por parte de uma célula proporcionando aumentar a produção de um determinado RNA de acordo com as suas necessidades metabólicas JUNQUEIRA E CARNEIRO 2013 Na ativação de um determinado gene a molécula de DNA se desenrola para que se inicie o processo de transcrição do RNA Já no processo de divisão celular mitose e meiose ocorre a condensação máxima do DNA Nos últimos anos os avanços ocorridos na Genética principalmente por meio do Projeto Genoma possibilitaram o mapeamento e sequenciamento de todos os genes que constituem o código genético humano Além dos estudos relacionados ao sequenciamento gênico as pesquisas direcionaram se também à identificação de importantes elementos na sequência da molécula de DNA que participam do processo de regulação celular fornecendo base para a variabilidade humana Entender os mecanismos celulares compreendendo como as partes das células como os genes proteínas e outras moléculas se organizam e trabalham em conjunto na criação de organismos vivos A elucidação detalhada de como os genes e sequências de DNA trabalham juntos associados a interação ambiental levarão a novas descobertas relacionadas aos aspectos da saúde humana envolvidas nos processos normais como também na patogênese das doenças 43 23 Manipulação do DNA Técnicas aplicadas na engenharia genética envolvem uma diversidade de procedimentos que modificam o genoma de um organismo por meio de técnicas de manipulação do DNA denominadas de tecnologia do DNA recombinante contribuíram para a revolução dos estudos em biologia molecular Essa tecnologia permite o isolamento o sequenciamento e a alteração de genes específicos que podem ser multiplicados e introduzidos em células que não expressam a característica do determinado gene contribuindo para a produção de proteínas necessárias para que uma determinada função celular seja realizada Podemos citar a inserção de genes específicos no nucleóide bacteriano para que ocorra a produção em quantidades suficientes para a comercialização de proteínas específicas como por exemplo a insulina artificial obtida por meio da bactéria Escherichia coli que ao ser geneticamente modificada produz o hormônio responsável pelo controle da glicemia JUNQUEIRA E CARNEIRO 2013 As técnicas de DNA recombinante surgiram em meados dos anos 70 com a utilização de plasmídeos bacterianos e genomas virais denominados vetores de clonagem que apresentavam as chamadas enzimas de restrição que permitiam cortar a molécula de DNA em determinados pontos isolando fragmentos do genoma para serem introduzidos no DNA de uma célula hospedeira originando um DNA recombinante e essa célula ao se dividir replica a molécula do fragmento de DNA inserido Esse processo é denominado clonagem do DNA CANDEIAS 1991 As bactérias são as células procarióticas mais utilizadas como células hospedeiras capazes de replicar fragmentos de DNA Esses microrganismos apresentam em seu citoplasma pequenas moléculas circulares de DNA denominadas de plasmídeos que portam genes não essenciais para a manutenção do metabolismo bacteriano mas são importantes na transferência de características genéticas da bactéria para outra célula constituindo portanto como um importante vetor de fragmentos de DNA entre células e grande capacidade de replicação do segmento desses fragmentos presentes no interior da célula hospedeira 44 A tecnologia do DNA recombinante depende da utilização de enzimas modificadoras de DNA denominadas enzimas de restrição ou endonucleases sendo reconhecidas como as principais ferramentas da engenharia genética Essas enzimas produzidas por diferentes grupos de bactérias utilizadas em experimentos laboratoriais realizam a clivagem do DNA em sequências específicas da molécula sítios de restrição para que seja possível isolar e manipular os genes de forma individual Essas enzimas funcionam como tesouras moleculares apresentando a capacidade de reconhecer e cortar a sequência correta de nucleotídeos do DNA Cada enzima tem a sua especificidade possuindo um padrão único de corte da molécula de DNA CANDEIAS 1991 CORDEIRO 2003 LIMA 2008 Dentre as diversas técnicas de DNA recombinante as mais importantes são Hibridação de ácidos nucleicos Consiste em uma técnica na qual uma sonda de DNA ou RNA é utilizada para localizar um gene ou molécula em uma célula ou tecido As diversas técnicas de hibridação de ácidos nucleicos apresentam um princípio comum uma população conhecida de moléculas de ácidos nucleicos ou oligonucleotídeos sintéticos são utilizados para identificar uma população desconhecida e complexa presentes em uma amostrateste de grande interesse biológico Na amostra teste a ser estudada podemos encontrar moléculas de DNA como também moléculas de RNA ou mRNA que foram sintetizadas por um tipo de célula ou tecido específico Para que ocorra a hibridação dos nucleotídeos o DNA sofre um processo de desnaturação sendo submetido a temperaturas de 90100C ou tratado com uma substância alcalina tendo como objetivo separar as cadeias da molécula Cada tipo de molécula presente nessa população é denominado de sonda pois realizará uma sondagem para localizar os ácidos nucleicos de interesse presentes na amostra teste A sonda é previamente marcada e misturada à amostra teste permitindo o pareamento da sequência de nucleotídeos da sonda e as fitas complementares da sequênciaalvo presente em uma determinada amostra 45 Clonagem de DNA Essa técnica consiste em inserir na molécula de DNA de uma célula hospedeira um fragmento isolado de DNA resultando em uma molécula de DNA recombinante Caso a molécula de DNA recombinante se replique em uma determinada célula hospedeira teremos como resultado grandes quantidades da sequência de DNA que foram inseridas figura 27 A clonagem de DNA de células eucarióticas é muito utilizada para síntese de proteínas em grandes quantidades sendo utilizadas em pesquisas e em processos biotecnológicos Os experimentos de clonagem de DNA são importantes na identificação de genes que controlam o crescimento e diferenciação celular podendo atuar nos genes responsáveis pelo aparecimento de tumores Esses genes podem ser inseridos em células germinativas possibilitando o estudo da atuação desses componentes químicos nos organismos multicelulares Figura 27 Clonagem Molecular Mutagênese do DNA clonado A mutagênese do DNA clonado consiste em uma técnica no qual ocorre a alterações em sequências de DNA clonado tendo como objetivo produzir versões modificadas de genes que posteriormente são introduzidos no meio celular favorecendo os estudos dos processos que expressam o funcionamento dos genes e a função dos produtos sintetizados por esses genes 46 Com a descoberta de técnicas de DNA recombinante muitas contribuições ocorreram em diversas áreas dentre elas podemos citar FARAH 1996 Estudo dos genes Por meio do isolamento de genes permite entender os mecanismos que regulam a expressão de um determinado gene em um tecido Diagnóstico clínico A possibilidade de conhecer as alterações nos nucleotídeos da molécula de DNA que provocam mutações auxiliam no diagnóstico e tratamento de doenças genéticas e na determinação de indivíduos portadores do gene mutante mas que não apresentam manifestações clínicas podendo transmitir uma determinada doença genética aos seus descendentes Terapia gênica Procedimento que consiste no melhoramento genético por meio da correção de genes alterados que provocam uma determinada doença Melhoramento genético Inserção de novos genes em espécies de animais e plantas produzindo alimentos com maior teor proteico resistentes a pragas e maior resiliência às adversidades ambientais Criação de modelos animais Promover mutações em genes específicos em células germinativas de animais para estudar doenças genéticas que ocorrem no homem Obtenção de grande quantidade proteínas raras Sintetizar em grande escala proteínas para o tratamento de doenças humanas e na produção de proteínas 47 Conclusão Com o avanço das pesquisas de biologia molecular ao longo do tempo foi possível codificar a molécula de DNA abrindo caminho para o rápido progresso da genômica e o potencial de suas aplicações permitiram modificar o genoma de um organismo por meio do desenvolvimento de uma grande variedade de técnicas de engenharia genética A tecnologia do DNA recombinante possibilitou o isolamento e a caracterização de genes específicos Isso trouxe muitas vantagens principalmente nas áreas da saúde pecuária e agricultura Dentre essas contribuições podemos citar como exemplos o desenvolvimento de alimentos transgênicos a possibilidade de diagnósticos mais específicos que envolvam doenças hereditárias a produção em quantidades comercial de proteínas o desenvolvimento de vacinas a recuperação de áreas por meio da biorremediação e a correção de doenças utilizandose da inserção no genoma de genes corretivos A prática da engenharia genética levanta aspectos relacionados à ética sendo necessário abrir um amplo debate de discussão que envolva a comunidade científica os órgãos regulamentadores e a própria sociedade por meio da provocação de reflexões para solucionar problemas e ter como objetivo único trazer benefícios para melhoria na qualidade de vida das pessoas REFERÊNCIAS CANDEIAS J A N A engenharias genética Rev Saúde Pública São Paulo 1991 CORDEIRO M C R Engenharia genética conceitos básicos ferramentas e aplicações Planaltina Embrapa Cerrados 2003 FARAH S B DNA segredos e mistérios São Paulo Sarvier 1997 ITURRA Experimento de Griffith Wikimedia Commons SD JUNQUEIRA L C CARNEIRO J Biologia Celular e Molecular 9 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2013 48 LIMA L M Conceitos básicos em técnicas de biologia molecular Campina Grande Embrapa 2008 NATIONAL HUMAN GENOME RESEARCH INSTITUTE Human Male karyotype Wikimedia Commons 2012 Disponível em httpsbitly3h552rv Acesso em 17 ago 2020 REECE J B WASSERMAN S A URRY L A CAIN M L MINORSKY P V JACKSON R B Biologia de Campbell 10 ed Porto Alegre Artmed 2015 RODRIGUEZ M B É o DNA Ciência Hoje 2004 USP UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Biologia Molecular O ácido desoxirribonucleico DNA 2017a USP UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Biologia Molecular A replicação do DNA 2017b USP UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Biologia Molecular Transcrição e Processamento do RNA 2017c 49 3 ENGENHARIA GENÉTICA II A possibilidade de conhecer o sequenciamento dos genes e os mecanismos de ação responsáveis pelas características normais ou patológicas de um indivíduo proporcionou ao longo dessas últimas décadas uma verdadeira revolução nos procedimentos médicos no diagnóstico cada vez mais preciso e na maior eficiência no tratamento de diversas doenças incluindo as pessoas portadoras de distúrbios genéticos Abriuse um enorme campo experimental de pesquisa na área da genética como o desenvolvimento de técnicas de terapia gênica que tem a capacidade de utilizar o próprio gene para melhorar o tratamento de doenças incluindo os indivíduos portadores de distúrbios genéticos ou até mesmo na substituição de genes defeituosos por meio da implementação de métodos seguros e eficientes de transferência gênica para células humanas Atualmente novas ferramentas de engenharia genética estão sendo aplicadas em estudos que envolvem a correção de erros genéticos por meio da adição substituição ou inativação de genes e no corte de alta precisão da sequência de nucleotídeos da molécula de DNA Nesse bloco vamos abordar o início do projeto genoma seus objetivos e os resultados obtidos após a conclusão do sequenciamento do genoma humano e a revolução da engenharia genética por meio da aplicação de novas técnicas de terapia genética 31 Projeto Genoma O projeto genoma coordenado pelo Departamento de Energia do Instituto Nacional de Saúde dos Estados Unidos e desenvolvido por uma associação de consórcios ou redes de pesquisa iniciouse em 1990 tendo como objetivos principais Descobrir o conjunto completo de genes humanos e tornálos acessíveis para estudos biológicos adicionais 50 Mapear e sequenciar os pares de bases de nucleotídeos que constituem o genoma dos seres humanos Armazenar e desenvolver ferramentas para analisar as informações contidas nos bancos de dados gerados examinar questões relacionadas à conclusão da sequência de DNA humano e ao estudo da variação genética humana Desenvolver tecnologia para análise abrangente da expressão gênica Comparar o funcionamento dos genes humanos com o genoma dos camundongos Estudar a variabilidade entre os seres humanos e realizar o treinamento de pesquisadores para trabalhar na área da genética USP 2001 Considerado na época como um dos principais campos de inovações tecnológicas representou o começo de uma grande revolução na área da medicina possibilitando no futuro um conhecimento mais aprofundado de uma grande variedade de distúrbios genéticos ampliando testes de diagnósticos mais específicos o conhecimento de predisposição aumentada para certas doenças como hipertensão câncer doença de Alzheimer diabetes no tratamento antes do aparecimento de sintomas e no desenvolvimento de vacinas de DNA que poderão eliminar doenças epidêmicas como a AIDS CORRÊA 2002 ZATZ 2000 Os principais resultados obtidos da primeira publicação do sequenciamento genético foram os seguintes O genoma humano apresenta 23686 genes 32 bilhões de nucleotídeos O tamanho médio de cada gene é constituído por 3000 bases 50 dos genes identificados tem função desconhecida 9999 dos indivíduos apresentam a mesma sequência gênica Apenas 2 do genoma codifica ações para a produção de proteínas 51 O cromossomo 1 apresenta o maior número de genes 3168 e o cromossomo sexual Y a menor quantidade de genes 344 Mais da metade do genoma apresenta sequências repetidas que não codificam proteínas mas contribuem para o entendimento da estrutura do cromossomo Algumas sequências de genes específicos foram associadas com diversas doenças e disfunções que incluem doenças musculares surdez e câncer de mama O genoma apresenta milhares de locais onde a diferença se concentra em apenas uma base USP 2001 O DNA constitui o material genético dos seres vivos sendo responsável pela transmissão dos caracteres hereditários e a base de quase todos os aspectos da saúde humana Conhecer a sequência e o trabalho que os genes realizam em conjunto ou isolados e a interação dessa molécula química com o meio ambiente favorecerá o descobrimento de vias envolvidas nos processos normais e no desenvolvimento de doenças apresentando uma grande revolução no modo de diagnosticar tratar e prevenir essas patologias promovendo consequentemente mudanças profundas na prática clínica e saúde pública A farmacologia está associada à genômica por meio dos estudos desenvolvidos no projeto genoma Estes possibilitaram correlacionar variações na sequência dos nucleotídeos da molécula de DNA à identificação de subgrupos de pacientes e a respostas a tratamentos médicos auxiliando na produção de novas drogas específicas para o tratamento desses indivíduos selecionados personalizando o tratamento Outros benefícios são esperados a partir dos diversos estudos que virão pós o sequenciamento do genoma humano fazendo com que ocorra o surgimento de novas ferramentas de biotecnologia e criando um vasto campo de possíveis aplicações nas mais diversas áreas dentre elas podemos citar USP 2011 52 Medicina Molecular precisão no diagnóstico de doenças detectar predisposição genética para doenças produzir fármacos baseados em estudos moleculares utilização de terapia gênica como medicamento criação de drogas baseadas no tipo genético do indivíduo Genômica microbiana desenvolvimento de fontes de energia mais limpas melhorar o monitoramento ambiental na detecção de poluentes presentes proteção do indivíduo de armas químicas biológicas e pandemias desenvolvimento de técnicas emergentes como a biorremediação na recuperação de áreas degradadas Avaliação de riscos indivíduos expostos à radiações e substâncias tóxicas Antropologia evolução e migração humana estudar a evolução utilizando como base as mutações ocorridas na linhagem germinativa pesquisar a migração de grupos populacionais distintos baseados em marcadores de herança materna estudar as mutações presentes no cromossomo Y para rastreamento de linhagens e migração de machos realizar a comparação dos pontos de quebra na evolução de mutações com idade populacional e eventos históricos Identificação por meio do DNA identificar suspeitos de crimes ou excluir pessoas acusadas erroneamente de crime por meio do exame de DNA estabelecer relações de paternidade ou apresentação de outros graus de parentesco detectar microrganismos poluentes do solo água ar e alimentos selecionar sementes ou animais com o perfil genético procurado para a reprodução Agropecuária e bioprocessamento criação de culturas resistentes a pragas agrotóxicos e adversidades ambientais melhorias de culturas para a produção de bioenergia desenvolver biopesticidas melhoramento genético por meio do cruzamento de plantas e animais 53 Houve uma certa expectativa nessa primeira versão do genoma humano publicada em 2001 mas os estudos realizados ao longo do tempo demonstraram que a ciência e os resultados esperados não são rápidos O descobrimento da sequência é a primeira etapa para entendimento do genoma mas é necessário identificar os genes e os seus respectivos elementos de controle suas funções exercidas de forma isolada ou em conjunto entender como partes de genes são usadas na construção dos diferentes produtos no processo de splicing do RNAm para a codificação de proteínas a complexidade existente entre as milhares de alterações químicas pelas proteínas e a diversidade de mecanismos reguladores que controlam os processos e as relações existentes entre as variações do genoma e as características observáveis e ou detectáveis em um indivíduo fenótipo Um exemplo da dificuldade de obtenção de resultados para terapias genéticas é que em trinta anos 2926 tratamentos que modificam o funcionamento dos genes foram testados em seres humanos mas apenas 5 chegaram ao mercado ZORZETTO 2019b Fonte Journal of Gene Medicine apud ZORZETTO 2019b Figura 31 Evolução das terapias gênicas 54 Com o desenvolvimento avançado de técnicas de sequenciamento e a evolução da bioinformática foi possível identificar 4147 genes associados a 6499 doenças sendo possível estabelecer uma comparação entre indivíduos saudáveis com pessoas portadores de diferentes enfermidades monogênicas Atualmente já existe no sistema de saúde público brasileiro especializado em doenças raras um medicamento ministrado em crianças portadoras de atrofia muscular espinal que ameniza as dores causadas pelo problema de origem genética modificando o funcionamento de gene ao aumentar a produção da proteína SMN fundamental na sobrevivência das células medulares do sistema nervoso central O surgimento desse medicamento é resultado dos desdobramentos do sequenciamento do genoma humano iniciado na década de 90 proporcionando análises mais rápidas e precisas dos genes e o surgimento de novas terapias e tratamentos com grande potencial de cura Apesar do grande avanço nas pesquisas genômicas relacionadas as doenças raras não podemos dizer o mesmo sobre as doenças que atingem um maior número de pessoas como os problemas cardiovasculares as diabetes alguns tipos de câncer e as doenças degenerativas do sistema nervoso central A explicação se deve à complexidade e diversidade de fatores que influenciam o desenvolvimento dessas doenças pois são resultantes da ação de vários genes que interagem entre si e com o meio ambiente dificultando identificar os responsáveis pelo surgimento da doença Mesmo diante dessas dificuldades as inúmeras pesquisas que abordam as informações sobre alterações genéticas têm contribuído por exemplo para a determinação de características genética de alguns tipos de tumores identificando o tipo de câncer e o seu grau de agressividade ZORZETTO 2019a A contribuição para a evolução das pesquisas trazidas pelo Projeto Genoma trouxe como resultado até os dias atuais o sequenciamento do genoma de quase 19000 organismos sendo 35 mil vírus 147 mil bactérias 400 animais e plantas unicelulares e multicelulares 55 32 Terapia Gênica No início do século XXI com o sequenciamento do genoma humano com a aplicação da informática para o desenvolvimento das ferramentas de comparação de genes e com o recorrente aumento nas pesquisas que envolvem a engenharia genética surge a disponibilidade de novas técnicas Dentre elas podemos citar a terapia gênica Tratase de uma metodologia aplicada em tratamentos terapêuticos Por meio do DNA recombinante ocorre a inserção de genes de interesse chamado de transgene em uma célula alvo transportados por vetores que são classificados como virais retrovírus adenovírus e vírus adenoassociados ou não virais para efetuar a correção substituição ou tratamento de um gene atípico presente em uma região conhecida LINDEN2010 O vetor vírus ou molécula deve apresentar certas características como por exemplo não provocar rejeição do sistema imunológico do hospedeiro ter uma resposta duradoura apresentar eficiência na expressão do gene específico da célulaalvo ser possível sintetizar de forma eficiente MENCK VENTURA 2007 Esses vetores podem ser transportados de duas formas No tipo in vivo vetores eficientes são utilizados para introduzir o gene diretamente na célula ou órgãoalvo levando a expressão do transgene Já no tipo ex vivo as células são retiradas do paciente cultivadas in vitro e posteriormente são introduzidos nas células do indivíduo os vetores contendo os genes terapêuticos expressando o gene exógeno desejado AZEVEDO 2009 A possibilidade de interferir no genoma humano por meio da terapia gênica permitiu a transferência totalmente controlada e programada artificialmente dos genes e fez com que nascesse um novo caminho para a resolução de problemas relacionados à saúde humana contribuindo na ampliação e no tratamento de doenças hereditárias adquiridas durante a vida como os tumores doenças cardíacas e as infecções virais MENCK e VENTURA 2007 56 Um dos tipos celulares bastante utilizados pela terapia gênica são as células tronco do organismo que estão presentes no indivíduo adulto Classificadas como células multicelulares pois apresentam a capacidade de dar origem a diferentes linhagens de células que desempenham funções específicas como as células tronco hematopoiéticas que produzem todas as células do sangue A introdução de um determinado gene terapêutico nesses tipos celulares distintos ativa esse gene para que a proteína de interesse seja sintetizada NARDI 2002 Outra técnica de terapia gênica desenvolvida e regulamentada pela Lei de Biossegurança 1110505 consiste no uso de células tronco embrionárias para fins terapêuticos e de pesquisa apresentandose como a principal esperança da ciência no tratamento de diversas doenças neuromusculares degenerativas e de diversos transtornos que até o presente momento não tem tratamento Essas célulastronco originadas da massa interna indiferenciada de embriões humanos apresentam as propriedades de pluripotência pois podem regenerar todo o tipo de células de um corpo e ter a capacidade de se multiplicar indefinidamente A utilização de técnicas de DNA recombinante na alteração de genoma para promover a sua correção por meio da substituição ou suplementação da expressão do gene disfuncional a partir da introdução de uma ou mais cópias de um determinado gene terapêutico teve como ideia inicial a aplicação em portadores de doenças monogênicas ou seja doenças causadas por mutação em um único gene Entretanto a terapia gênica não é exclusivamente aplicada nesse tipo de paciente figura 31 pois a medicina moderna trata de uma grande diversidade de doenças complexas em que as causas primárias são desconhecidas e essa importante ferramenta da engenharia genética pode intervir na progressão da doença alterando mecanismos biológicos das células dos órgãos e sistemas afetados pela doença LINDEN 2010 57 Fonte adaptado de Linde 2010 Figura 32 Modalidades principais de terapia gênica Os métodos utilizados para a inserção dos genes nas células alvo são classificados nas seguintes categorias Métodos biológicos Emprego de organismos que possuem a capacidade de transferir material genético Dentre os principais estudos que envolvem vetores de transmissão gênica temos os vírus como os agentes mais utilizados no desenvolvimento protocolos que envolvem terapia gênica pois apresentam grande eficiência de selecionar e inserir o genoma no interior da célula hospedeira selecionada expressando suas proteínas com uma elevada taxa de transdução e rápida transcrição do genoma colocado em seu interior LUSTOSA QUEIROZ 2019 Os grupos de vírus mais utilizados são adenovírus retrovírus e adenoassociados Todas as classes de vírus utilizadas em processos de terapia gênica sofrem alteração por meio da inativação do gene responsável pela replicação virótica impedindo que ocorra o ciclo lítico infeccioso do vírus ROMANO et al2000 A categoria dos adenovírus tem como característica não integrar o seu genoma ao DNA do hospedeiro fazendo com que o material genético viral fique livre no núcleo da célula hospedeira transcrevendo de forma simultânea com os genes dessa célula PEREIRA 2015 58 Os retrovírus constituem um grupo de vírus muito utilizado em experimentos clínicos que envolvem a terapia gênica pois apresentam grande eficiência na fusão com o genoma da célula hospedeira e expressão do gene por um longo período Essa habilidade de entrar nas célulasalvo transcrever o seu RNA em DNA e integrarse ao cromossomo da célula hospedeira e produzir por meio do gene selecionado a proteína esperada no tratamento terapêutico CHIROTTO FILHO MACHADO 2019 Os vetores adenoassociados são utilizados em culturas in vivo apesar de apresentar limitações relacionadas ao tamanho do transgene a ser transportados possui alta porcentagem de transferência de genes a muitas células hospedeiras Métodos químicos O vetor utilizado é alguma substância de origem química que auxilia na entrada do gene na célula hospedeira Nesse método são aplicadas as seguintes técnicas Coprecipitação de fosfato de cálcio para introduzir o DNA no meio celular o material genético é imerso em uma solução contendo DNA carreador solução tampão e fosfato de cálcio Geralmente os compostos utilizados são catiônicos carga positiva que se combinam com cargas negativas dos fosfatos que compõem o nucleotídeo do DNA originando um complexo facilitando a entrada na célula Por se tratar de um método simples seguro e de baixo custo é muito utilizado na produção de vetores virais NARDI et al 2002 Lipossomos são vesículas catiônicas compostas por duas camadas de lipídios em meio aquoso capazes de formar um complexo com o DNA e ao ser inserido no citoplasma celular da célula alvo o DNA é liberado Esse complexo tem a capacidade de expressar genes que interferem na resposta imune celular quando injetados em células tumorais da pele inibindo o crescimento e regressão da doença MENCK VENTURA 2007 Por apresentar certas características químicas facilitam a entrada de substâncias terapêuticas no tratamento do câncer e em problemas cardiovasculares 59 Métodos físicos O transgene é introduzido de maneira mecânica nas células Envolvem quatro técnicas distintas Microinjeção Consiste na introdução de fragmentos de DNA diretamente no núcleo da célula alvo Apesar de ser uma técnica antiga e apresentar uma vantagem devido a pequena quantidade de DNA utilizado esse método não alcançou sucesso pois a quantidade de células transformadas é muito baixa e a necessidade de profissionais especializados na manipulação do equipamento utilizado no desenvolvimento do procedimento NARDI et al2002 Gene Gum Utilização de esferas de ouro ou tungstênio envolvidas pelo DNA são aceleradas e transportadas por um gás que projeta as esferas contra as células para que ocorra a penetração do DNA no meio celular Esse método foi adaptado para utilização in vivo nas vacinas de DNA Eletroporação As células são preparadas em uma solução contendo DNA plasmidial e submetidas a pulsos elétricos que formam poros na membrana celular para facilitar a entrada do DNA Esse método apesar de apresenta uma grande eficiência na velocidade de células transfectadas em um curto período tem desvantagens relacionadas a mortalidade celular devido a voltagem aplicada à célula PEREIRA 2015 Plasmídios Inserção de plasmídios contendo o DNA recombinante no interior da célula A vantagem desse processo se deve à possibilidade da não limitação do tamanho do fragmento de DNA inserido Os experimentos que envolvem a terapia gênica apresentam as seguintes etapas O isolamento do gene A construção do vetor Transferência do gene para as células do tecido alvo Expressão do gene terapêutico sintetizando a proteína codificada 60 33 Novas Ferramentas da Engenharia Genética CRISPRCas Nos últimos anos tem aumentado a quantidade de estudos que têm por finalidade desenvolver técnicas de genoma por meio de ferramentas que permitem modificar o genoma através de um conjunto de moléculas que quebram o DNA promovem a sua alteração fazendo uso dos próprios mecanismos naturais de reparo sem se utilizar de genes de outros organismos No início de 2012 surge uma tecnologia de edição de genoma denominada CRISPR do inglês Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats desenvolvido a partir de mecanismos moleculares do sistema imunológico bacteriano que se utiliza de uma molécula de RNA para guiar uma nuclease Cas9 até se parear com as bases de uma sequênciaalvo de DNA a ser modificada figura 33 Figura 33 Edição de Genoma Sistema CRISPRCas9 A estrutura genética do CRISPR no sistema bacteriano apresenta repetições palindrômicas curtas agrupadas e regularmente interespaçadas As repetições quando transcritas formam o RNA transativador ou RNA guia que serve para guiar a enzima Cas9 uma nuclease ao alvo provocando quebras na fita dupla Posteriormente a essa clivagem a própria maquinaria molecular do organismo responsável em corrigir erros no genoma é utilizada para alterar a sequência de DNA 61 Esse sistema de edição de gene serve para reparar mutações no genoma como também para introduzir novas alterações genéticas sendo adotado para a edição e modificação de genomas em vários tipos celulares incluindo célulastronco na terapia de câncer doenças cardiovasculares distúrbios genéticos no desenvolvimento de vacinas e novas drogas no tratamento de infecções na medicina regenerativa dentre outras aplicações AREND 2017 e DIAS DIAS 2018 O sistema CRISPRCas9 surgiu com uma proposta de vanguarda que integra a praticidade objetividade e especificidade Nos estudos que utilizam a edição de genes temos uma diversidade de pesquisas que não envolvem somente as aplicações exclusivamente da área da saúde mas também a extensão dessa ferramenta em ramos da biotecnologia por meio da manipulação de animais na produção de combustíveis alimentos e na variação genética de microrganismos DIAS DIAS 2018 Benefícios da utilização do sistema CRISPRCas9 Edição de genomas Desenvolvimento de medicamentos Produção de vacinas Manipulação de microrganismos Aconselhamento genético Produção de biocombustíveis Melhoramento genético Produção de alimentos Muitas dessas técnicas de edição de genoma estão sendo aplicadas na área da agricultura tendo como objetivo principal desenvolver plantas melhores que aqueles que lhes deram origem e tendo como distinção ser uma espécie que apresenta uma nova variação genética sem possuir um gene de outra espécie NEPOMUCENO 2017 62 A tecnologia CRISPRCas ao permitir a possibilidade de editar a sequência do genoma de vírus fungos plantas animais e embriões humanos é considerada uma técnica revolucionária apesar de envolver discussões relacionadas aos aspectos éticos de sua utilização Apesar dos questionamentos envolvidos muitos países como os EUA já liberaram a comercialização de alimentos que envolve essa tecnologia porque acreditam que essa ferramenta de edição de genoma não envolve a transferência de genes entre espécies não existindo a possibilidade de risco Seguindo essa política de liberação grandes empresas de tecnologia desenvolveram um milho que apresenta alta resiliência a períodos de estiagem que em breve estará no mercado em um tempo bem menor comparado ao que levaria um melhoramento convencional e em pesquisas realizadas em espécies transgênicas YANAGUI 2016 O uso dessa ferramenta biotecnológica de edição de genoma oferece outra vantagem importante além da rapidez no desenvolvimento de um novo produto como já foi citado temos o fato de ser uma técnica de alta precisão pois permite controlar genes e possibilita a criação de novos produtos que não diferem daqueles que sofreram processos naturais de mutação Isso resulta em um menor custo para o agricultor DIAS et al 2019 A interferência por RNA RNAi A interferência por RNA RNAi é um mecanismo celular responsável pelo silenciamento gênico que atua sobre o mRNA ao desligar a expressão de determinados genes que suprimem a produção de uma proteína específica de um organismo Investimentos em pesquisas realizados por multinacionais da área da biotecnologia estudam o RNAi como uma nova tecnologia da engenharia genética empregada no controle de pragas e no melhoramento de plantas 63 A empresa norteamericana de biotecnologia Monsanto está desenvolvendo um tipo de spray que controla o besouro da batata Inseto que causa sérios danos ao desenvolvimento das plantas comprometendo a sua produtividade Quando aplicado na plantação moléculas de RNA presentes no composto criado penetram no inseto selecionam e se ligam a uma molécula de mRNA com o objetivo de desligar uma determinada proteína específica Uma das vantagens citadas no desenvolvimento dessa nova ferramenta biotecnológica está na possibilidade de selecionar o gene alvo e efetuar a inativação da expressão do gene de forma temporária sem haver a necessidade de alteração no genoma o que ocorre com os organismos geneticamente modificados reduzindo o custo e acelerando o processo de tramitação para a aprovação pelos órgãos reguladores No meio científico existem algumas preocupações relacionadas aos possíveis riscos existentes ao utilizar a tecnologia do RNAi no controle de pragas Ao inativar a produção de proteínas de um inseto praga existe a probabilidade de atingir outros insetos importantes no equilíbrio do ecossistema que apresentam um mRNA semelhante ao do inseto a ser combatido Portanto existe a necessidade de conhecimento de genomas dos insetos presentes no meio para que a tecnologia do RNAi seja aplicada com segurança YANAGUI 2016 Prime editing DNA Atualmente a tecnologia conhecida como prime editing edição de qualidade é o mais recente avanço no campo da engenharia genética desenvolvida pela equipe do Instituto Broad ligado à universidade de Harvard e ao MIT Massachusetts Institute of Technology nos Estados Unidos como uma nova ferramenta tecnológica que funciona como um editor de texto genético capaz de reescrever o DNA com precisão A diferença principal existente entre a técnica Crisp e a prime editing é que essa nova tecnologia apresenta alta precisão no acerto do alvo e corte da molécula de DNA para que um gene seja inserido ou deletado Anteriormente a edição de genes apresentava muitos problemas no processo devido a erros nos locais do corte ou na ocorrência de imperfeições Outra vantagem importante do prime editing está na capacidade de corrigir seções menores com até um único nucleotídeo da sequência de três bilhões que compõem a molécula de DNA e constituem o genoma humano 64 O prime editing foi utilizado com sucesso em experimentos realizados para correção de erros genéticos na anemia falciforme doença hereditária causada por uma mutação que torna uma base Adenina A em um Timina T alterando o formado da hemácia o que impossibilita o transporte de sangue pelas hemácias e a doença de TaySachs que afeta os nervos e com frequência é causada por uma mutação que adiciona quatro letras extras de código no DNA Existem aproximadamente 75 mil mutações que causam doenças nos seres humanos e a utilização dessa nova ferramenta tecnológica prime editing segundo os pesquisadores envolvidos tem o potencial para corrigir 89 dessas mutações GALLAGHER 2019 Conclusão O sequenciamento do genoma humano ao proporcionar a possibilidade de identificar e localizar no DNA quais são os genes responsáveis por todas as nossas características normais e patológicas trará como resultado ao longo do tempo uma revolução principalmente na área de terapia gênica por meio da prevenção de diversas doenças e na adequação do tratamento de acordo com o perfil genético do indivíduo Na agricultura a evolução nos estudos relacionados à biotecnologia vegetal é notória devido ao melhoramento genético de plantas à produção de biocombustíveis e ao combate efetivo de pragas Apesar do avanço de pesquisas que envolvem as novas tecnologias aplicadas na edição de genomas e da real possibilidade de criar benefícios à sociedade é fundamental conhecer quais os possíveis riscos muitas vezes desconhecidos em uma possível aplicação dessa tecnologia sendo necessário uma rigorosa avaliação dos aspectos científicos éticos e sociais envolvidos REFERÊNCIAS AREND M C PEREIRA J O MARKOSKI M M O Sistema CRISPRCas9 e a Possibilidade de Edição Genômica para a Cardiologia Arq Bras Cardiol 10818183 2017 AZEVEDO E S Terapia Gênica Revista Bioética Salvador v5 n2 p5 2009 65 CORRÊA M V O admirável genoma humano PHYSIS Rev Saúde Coletiva Rio de Janeiro 122277299 2002 DIAS G SILVA M CARNEIRO P A engenharia genética de precisão Status atual e perspectivas regulatórias para as novas ferramentas de melhoramento genético Céleres Your Agribusiness Intelligence 2019 DIAS C A P DIAS JMR Sistema CrispCas como uma nona ferramenta biotecnológica na edição de genomas aplicações e implicações Rev AMBIENTE ACADÊMIC v4 n1 2018 GALLAGHER J Nova técnica de edição de DNA poderá curar até 89 das doenças genéticas no futuro BBB NEWS 2019 LINDEN R Terapia gênica o que é o que não é e o que será Estud av São Paulo v24 n70 p3169 2010 LUSTOSA A L P QUEIROZ P R M Potencial do Uso da Terapia Genética no Tratamento de Doenças Uma Revisão de Literatura Brasília UniCEUB 2019 MACHADO B F CHIROTTO FILHO L R Manipulação Genética Aplicações das Técnicas de Terapia Gênica Foco Caderno de Estudos e Pesquisas Faculdades Integradas Maria Imaculada FIMI 2019 MENCK C F M VENTURA A M Manipulando genes em busca de cura o futuro da terapia gênica Revista USP 75 5061 2007 NARDI N B TEIXEIRA L A K SILVA E F A Terapia gênica Ciência e Saúde Coletiva 109 116 2002 NEPOMUCENO A Próxima fronteira tecnológica da agricultura CIB Conselho de Informações em Biotecnologia 2017 Disponível em httpciborgbrestudose artigosproximafronteiratecnologicadaagricultura Acesso em 16 maio 2020 66 PEREIRA J M C L A Terapia genética Métodos e aplicações Trabalho apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas Porto 2015 ROMANO G MICHELL O PACILIO C GIRODANO A Latest development in gene transfer technology achievements perspectives and controversies over therapeutic applications Stem Cells 181939 2000 USP O projeto genoma humano Traduzido e adaptado de Arquivo de informação do Projeto Genoma humana 19902003 2011 Disponível em httpsbitly320mAyF Acesso em 22 jul 2020 YANAGUI K Novas tecnologias novos desafios Cienc Cult vol68 n3 São Paulo 2016 ZATS M Projeto genoma humano e ética São Paulo em perspectiva 2000 ZORZETTO R A tesoura dos genes Revista Fapesp Ed 288 2019a Disponível em httpsrevistapesquisafapespbratesouradosgenes Acesso em 19 jun 2020 ZORZETTO R Legados do genoma Revista Fapesp Ed 284 2019b Disponível em httpsrevistapesquisafapespbr20191007legadosdogenoma Acesso em 20 jul 2020 67 4 ENZIMAS E PROCESSOS FERMENTATIVOS Presentes na civilização desde 4000 anos a C as enzimas são proteínas que apresentam propriedades catalíticas e são largamente aplicadas na indústria alimentícia e farmacêutica na indústria têxtil de papel e celulose Com as novas descobertas as enzimas passaram a ser cada vez mais empregadas movimentando um mercado mundial de enzimas industriais estimado hoje em US 23 bilhões anuais e com atuação em três segmentos As enzimas destinadas a indústrias de tecidos e de produtos de limpeza as enzimas para alimentos e bebidas e as enzimas para ração animal No setor alimentício as aplicações das enzimas estão concentradas na área de álcool e derivados óleos e gorduras produtos de panificação amido e açúcares bebidas alcóolicas laticínios e derivados e sucos de frutas Nesse bloco estudaremos as enzimas e suas aplicações os processos fermentativos os principais tipos de fermentação e os seus respectivos produtos gerados 41 Enzimas As enzimas são moléculas proteicas constituídas por polímeros de aminoácidos que apresentam a capacidade de diminuir a energia de ativação de uma reação química acelerando consequentemente a velocidade dessa reação São consideradas como um dos pilares das diversas formas de seres vivos existentes pois ao controlar a velocidade das reações químicas que ocorrem no meio intracelular promovem o equilíbrio dinâmico da maquinaria dos organismos celulares JUNQUEIRA CARNEIRO2013 Essas moléculas são consideradas como os catalizadores biológicos mais eficientes existentes pois ao longo dos processos evolutivos cada enzima foi otimizada para realizar as suas funções em uma determinada e específica reação química ou seja cada enzima catalisa um tipo de reação química ou dependendo da enzima uma classe de reações que apresentam estreitas relações entre elas MADIGAN 2010 68 Além da eficiência e do grande poder catalítico as enzimas apresentam certas características importantes como Podem ser reguladas por diferentes estratégias ativadas ou inibidas Apresentam elevado rendimento pois no final da reação gerase apenas os produtos desejáveis ou úteis às células São específicas quanto aos substratosprodutos eou localização tecidual Ao catalisar reações específicas relacionadas evitam reações competidoras São utilizadas para a síntese in vitro tanto no laboratório experimental quanto na produção industrial São os efetores da informação genética presente no DNA pois são produzidas pelo próprio material genético Embora grande parte das moléculas enzimáticas sejam proteínas sintetizadas pelo DNA existem alguns RNA denominados ribozimas que desempenham papel enzimático JUNQUEIRA CARNEIRO 2013 Ação Enzimática O reagente ou composto que sofre a ação enzimática é denominado de substratoS Essa combinação origina um complexo enzimasubstrato Posteriormente com o avanço da reação o produtoP é liberado e a enzima responsável pela ativação da reação química retorna ao seu estado natural podendo atuar diversas vezes MADIGAN 2010 A molécula de enzima geralmente é maior que o substrato e apresenta um ou mais centrosativos que se associam ao substrato originando o sítio ativo e facilitando a transformação do substrato no produto A reação pode ser representada como a seguir E S E S E P 69 A forma tridimensional da molécula de enzima é fundamental para a formação do sítio ativo pois a conformação tridimensional é complementar ao substrato formando um encaixe preciso para que exista a possibilidade da ação enzimática originando um modelo denominado chavefechadura figura 41 Figura 41 Ação catalítica das enzimas modelo chave fechadura A característica de especificidade das enzimas é muito variável algumas atuam em apenas um tipo de molécula não atacando nem os isômeros que têm a mesma conectividade mas que diferem no arranjo de seus átomos no espaço Podemos citar como exemplo a desidrogenase láctica que só opera sobre o L lactato não agindo sobre a sacarose Existem casos em que temos enzimas atuantes sobre vários compostos que apresentam alguma característica estrutural comum como as fosfatases que hidrolisam uma diversidade de ésteres do ácido fosfórico JUNQUEIRA CARNEIRO 2013 Muitas enzimas contêm pequenas moléculas não proteicas podendo ser um íon metálico ou molécula denominado cofator necessário para que a ação catalítica ocorra Quando esse cofator é uma molécula é chamado de coenzima As coenzimas se ligam fracamente às enzimas e apenas uma dessas moléculas podem se associar a uma diversidade de enzimas diferentes Além disso são termoestáveis ao contrário das enzimas que se desnaturam e ficam inativadas quando expostas a temperaturas elevadas MADIGAN 2010 70 O complexo originado pela união entre a enzima e o cofator denominase holoenzima e caso o cofator seja removido a porção proteica da enzima é inativa e chamada de apoenzima Nomenclatura das enzimas Um método utilizado para classificação de uma enzima é a designação pelo nome do substrato onde ocorre a atuação da enzima acrescentandose o sufixo ase Por exemplo a lactose substrato dissacarídeo presente no leite e seus derivados é hidrolisada por uma enzima chamada de lactase Muitas enzimas não seguem essa forma de nomeação como a enzima pepsina presente no suco gástrico Com o avanço no isolamento e identificação de novas enzimas a União Internacional de Bioquímica criou uma Comissão Internacional para estabelecer os critérios para classificar as enzimas Foi adotado sistema formal de nomenclaturas de enzimas no qual dividiu as enzimas em seis classes tabela 41 de acordo com o tipo de reação que catalisam Tabela 41 Principais classes de enzimas segundo a nomenclatura da Comissão de Enzimas União Internacional de Bioquímica Na classificação completa cada classe deste quadro é subdividida Fonte Adaptado de Junqueira Carneiro 2013 71 Fatores que influenciam a atividade enzimática Alguns fatores provocam alterações das atividades enzimáticas dentre eles podemos destacar Temperatura Pode ser considerada a mais importante Por apresentar estrutura proteica temperaturas elevadas rompem as ligações responsáveis por estabilizar a estrutura espacial da enzima ocorrendo a sua desnaturação Em temperaturas baixas o frio deprime a atividade enzimática PH A alteração do pH ideal para que ocorra uma ação enzimática causa diminuição da velocidade da reação independentemente se essa alteração é para cima ou para baixo Se ocorrer mudanças drásticas no pH poderá ocorrer desnaturação proteica Substrato Quanto maior for a concentração do substrato maior será a velocidade da reação até que atinja a velocidade máxima Há uma velocidade máxima a ser alcançada e isso depende da quantidade de enzimas que podem catalisar uma reação específica Em alta concentração de substrato a enzima se encontra em saturação Isso quer dizer que seu sítio ativo permanece sempre ocupado por moléculas de substrato Inibição enzimática As atividades enzimáticas são sensíveis a muitos fatores físicos e químicos capazes de interferir no funcionamento adequado dessas enzimas e de promover a sua inibição A inibição enzimática pode ser classificada em competitiva e não competitiva Inibição Competitiva Quando uma substância inibidora possui semelhanças estruturais ao substrato específico da enzima apresenta resistência a ação enzimática e se liga à enzima livre Tipo de ocorrência onde o inibidor compete com o substrato específico da enzima para se localizar no centro ativo Uma maior quantidade de substrato dificulta a ação da substância inibidora em estabelecer a associação com a enzima Inibição não competitiva figura 42 Quando a substância não se liga à enzima em seu estado livre mas se combina ao complexo enzimasubstrato promovendo a inativação 72 Fonte MANN 2007 Figura 42 Esquema da inibição enzimática competitiva A e competitiva B 42 Fermentação A fermentação é um processo de reação biológica anaeróbica que consiste na degradação da glicose em vários produtos para a obtenção de energia em forma de ATP adenosina trifosfato O ATP é a molécula química responsável pelo armazenamento de energia para a realização das atividades celulares A fermentação ocorre em duas etapas Glicólise Degradação da molécula de glicose em ácido pirúvico A glicólise anaeróbia ou fermentação consiste na quebra da molécula de glicose C₆H₁₂O₆ sem consumo de oxigênio em uma sequência de 10 reações químicas mediadas por enzimas que promovem a quebra gradual do polissacarídeo em duas moléculas de ácido pirúvico C3H4O3 ou piruvato Redução do ácido pirúvico Em condições anaeróbias a redução da molécula de ácido pirúvico conduz à formação dos produtos de fermentação dependem da molécula orgânica que é produzida a partir do ácido pirúvico Isso ocorre de duas formas e origina dois processos distintos Eles são a fermentação alcoólica e a fermentação láctica 73 Fermentação alcoólica A fermentação alcoólica tem sido utilizada pela humanidade desde a mais remota antiguidade A partir de cereais e frutas os egípcios há mais de 4000 anos já fabricavam pães e bebidas alcóolicas mesmo desconhecendo o processo de fermentação Os primeiros registros que indicam que a fermentação ocorria devido a um processo químico com a ação de microrganismos apareceram por volta do século XIV HENRIQUES 2014 Na fermentação alcoólica Figura 43 ocorre a degradação de moléculas de açúcar no interior das células de microrganismos leveduras originando o ácido pirúvico que se transforma em álcool etílico e gás carbônico Fonte GUARITA 2016 Figura 43 Esquema da fermentação alcoólica A equação geral da fermentação alcóolica pode ser representada da seguinte forma Equação 41 Equação geral da fermentação alcoólica Um dos organismos bastante utilizados na fermentação alcoólica são as leveduras dentre eles o fungo unicelular conhecido como fermento biológico Saccharomyces cerevisae que realiza a fermentação do açúcar para que tenha a produção dos nutrientes necessários para a sua manutenção e consequentemente a formação do etanol como subproduto HENRIQUES 2014 74 Na fermentação alcoólica além do tipo de levedura diversos fatores ambientais podem influenciar no desempenho das leveduras no processo Dentre esses fatores podemos destacar Temperatura As leveduras apresentam uma temperatura ótima para alcançar sua melhor produtividade não são tolerantes a temperaturas extremas podendo ter um desempenho bem abaixo do esperado ou até mesmo cessar a sua atividade Além disso o excessivo aumento da temperatura aumenta a probabilidade do crescimento de contaminantes PH Grande parte das leveduras apresentam um pH ótimo para o seu melhor desenvolvimento entre 3 e 6 Na produção de etanol quando se utiliza a levedura Sacharomyces cerevisae o pH ótimo se situa na faixa 45 Caso o pH não esteja nesse limiar aumentando para 7 por exemplo a reprodução da levedura é afetada diminuindo o rendimento de etanol com o aumento da produção de ácido acético STECKELBERG 2001 Oxigênio A presença de oxigênio em altas concentrações inibe a fermentação alcoólica alterando o processo de fermentação e consequentemente o rendimento dos produtos gerados Fermentação láctica A fermentação láctica é um processo bioquímico anaeróbio em que o ácido pirúvico é transformado em ácido láctico geralmente por bactérias do gênero Lactobacillus que fermentam o leite Figura 44 Representação esquemática da transformação do ácido pirúvico em ácido láctico 75 O ácido láctico é o produto final da reação e não sofre mais oxidação A maior parte da energia produzida pela reação permanece armazenada no ácido Dois importantes gêneros de bactérias que realizam fermentação láctica são os Streptococcus e os Lactobacillus Os microrganismos que produzem somente ácido láctico são conhecidos como homoláticos ou homofermentativos A fermentação do ácido láctico realizada por alguns microrganismos pode resultar na deterioração de alimentos mas também pode produzir chucrute a partir de repolho conservas de pepino e iogurte a partir de leite Fermentação acética A fermentação acética é uma reação química que consiste na oxidação parcial do álcool etílico com produção de ácido acético consumo de O2 ocorrendo liberação de energia A oxidação segue de acordo com a equação básica Figura 45 Esquema da equação de oxidação do etanol em ácido acético O vinagre é o produto microbiano resultante da conversão de álcool etílico em ácido acético por gêneros de bactérias acéticas aeróbias estritas como a Acetobacter e Glunobacter Esses grupos de bactérias são tolerantes ao pH ácido da substância gerada no processo O ácido acético é produzido por métodos químicos em qualquer substrato que tenha álcool enquanto o produto vinagre é resultante da presença de substâncias presentes no material inicial e aquelas geradas no processo de fermentação A oxidação do etanol ocorre por meio de duas reações sequenciais catalisadas pelas enzimas álcool desidrogenase ADH e aldeído desidrogenase ALDH associadas à membrana Essas enzimas catalisam reações de oxidação denominadas fermentação oxidativa pois consistem na oxidação incompleta do álcool acompanhado pelo acúmulo do produto de oxidação no meio de crescimento MADIGAN 2010 ZILLIOLI 2011 76 Qualquer fonte de carboidrato suscetível de fermentação pode ser utilizada na produção de vinagre Uma grande variedade de matériasprimas é empregada na fabricação desse produto como maças uvas arroz cana de açúcar milho dentre outros 43 Processos de Fermentação Na microbiologia industrial o termo fermentação se refere a qualquer processo microbiano que ocorra em grande escala Os microrganismos por meio dos processos de fermentação possibilitam a produção em larga escala de enzimas que apresentam alto grau de pureza As enzimas são consideradas catalisadores naturais de grande aplicação nas mais variadas atividades industriais como os setores de papel e celulose farmacêutico têxtil e alimentício na produção de aditivos produtos químicos e em tratamentos ambientais O agente biológico utilizado na produção dessas enzimas deve apresentar certas características como a capacidade de crescer e sintetizar o produto em grande escala não ser patogênico produzir esporos que facilitam a inoculação em fermentadores ser de fácil manipulação genética apresentar crescimento rápido sintetizar o produto desejado em um período de tempo curto crescer em meios de cultura líquidos ser um processo de baixo custo MADIGAN2010 O processo de fermentação se inicia com a escolha do agente biológico ideal microrganismo ou enzima a transformação da matéria prima a separação e purificação do produto O termo fermentador é usado como sinônimo de biorreator designando o recipiente ou tanque onde ocorre o processo biotecnológico No processo fermentativo diversos fatores são controlados e monitorados dentre eles temos fatores físicos temperatura tempo pressão nível de agitação atividade de água e vazão de gases e líquidos fatores químicos pH oxigênio dissolvido sólidos solúveis e fatores biológicos crescimento microbiano e medida de contaminação 77 Fonte CRUZ 2016 Figura 46 Processo biotecnológico Quanto à natureza do meio de fermentação os métodos utilizados em processos fermentativos para a produção de enzimas podem ser realizados no meio líquido designado de fermentação submersa FS quanto no meio sólido FES Fermentação Submersa FS A fermentação submersa FS pode ser definida como aquela cujo substrato fica dissolvido ou suspenso em pequenas partículas no líquido normalmente água que chega a constituir cerca de 90 a 99 da massa total do material a ser fermentado NASCIMENTO 2015 Considerada como um tipo de processo fermentativo mais antigo utilizado pelo homem Existem registros datados de 1000 aC em que eram utilizados esse método para a produção de bebidas alcoólicas e molho à base de soja Os fermentadores apresentam diversidade de tamanhos apresentando escala laboratorial com capacidade volumétrica de 5 a 10L até em escala industrial com capacidade de 500000 litros Esses fermentadores industriais podem ser classificados de acordo com o tipo de processo aeróbio ou anaeróbio No caso dos fermentadores aeróbios para manter a homogeneização e aeração adequadas são dotados de agitadores mecanismos de aeração para a introdução de ar estéril controle da temperatura e pH MALAJOVICH 2011 78 Os fermentadores industriais Figura 44 geralmente são cilíndricos de aço inoxidável fechado e dotados de dispositivos para aeração e controle do processo Devido à grande demanda de oxigênio exigido pelo meio de cultura dois dispositivos garantem a aeração adequada São eles o aspersor aerador e o impulsor agitador Figura 47 Fermentador industrial Como uma das vantagens da FS podemos destacar que devido ao uso de computadores para modelar os processos fermentativos industriais existe a facilidade na manipulação e no monitoramento do processo desde a formação do produto até o consumo do substrato envolvendo o controle de diversos parâmetros presentes na fermentação temperatura pH esterilidade e oxigenação uniformidade na cultura de microrganismos submersos menor tempo de fermentação A principal desvantagem a ser destacada consiste no grande volume de resíduos gerados e o problema na separação do produto gerado misturado ao substrato MONTEIRO SILVA 2009 Fermentação em Substrato Sólido FES A FES pode ser definida como um processo de cultivo de microrganismo em um substrato sólido sem a presença de água livre mas com o controle da manutenção de umidade mínima suficiente para a manutenção das atividades metabólicas e crescimento do microrganismo 79 Estudos demonstraram vantagens na utilização de FES no cultivo de fungos filamentosos pois o meio criado se assemelha ao ambiente natural desses seres vivos maior rendimento comparandose a FS menor demanda de energia o uso de reatores menores proporciona economia de espaço manutenção da estabilidade a certas variações de temperatura e pH adaptação a substratos apresentando menor taxa de inibição menor volume de efluente produzido a possibilidade de utilizar resíduos agroindustriais como substrato sólido ricos em fontes de carbono RAIMBAULT1998 Em relação as desvantagens temos a limitações de tipos de microrganismos capazes de crescer em sistemas que apresentam baixa umidade e a dificuldade em monitorar variáveis difíceis de controlar em substrato sólido como a temperatura e controle de gases influenciando negativamente no crescimento microbiano e nos resultados dos metabólitos resultantes no processo Apesar da FES ser indicada para o desenvolvimento de enzimas e outros metabólitos por fungos a necessidade de agitar o leito do biorreator para dissipar o calor gerado no processo acaba causando danos nos filamentos de fungos interferindo no rendimento do processo MONTEIRO SILVA 2009 e NASCIMENTO 2015 No caso da variável temperatura a liberação de calor decorre do crescimento microbiano em meio aeróbio e devido à ausência de água esse calor é difícil de ser removido em virtude da baixa condutividade do substrato sólido Essa problemática aumenta quando temos esse processo em escala industrial A presença de água em um bioprocesso facilita o processo de adsorção de nutrientes por parte dos microrganismos e consequentemente na estabilidade das estruturas e funções biológicas desses agentes no meio Para que ocorra o desenvolvimento dos microrganismos no substrato sólido é fundamental o controle da umidade pois evita se uma possível de desnaturação das proteínas celulares o baixo crescimento microbiano e a minimização na geração de metabólitos esperados no processo FARINAS et al 2014 80 O fator aeração é fundamental na manutenção do equilíbrio no processo de fermentação em substratos sólidos pois mantém as condições aeróbias do meio remove o dióxido de carbono gerado regula a temperatura e nível de umidade Na FES os microrganismos têm acesso livre ao oxigênio presente no ar diferentemente da FS que devido à baixa solubilidade desse gás na água tem a baixa concentração de oxigênio como fator limitante do crescimento RAIMBAULT 1998 As alterações do pH no meio ocorrem devido às atividades metabólicas que ocorrem durante o crescimento microbiano Esse pH pode ser diminuído quando existe a secreção de ácidos ou aumentado quando houver a assimilação de ácidos orgânicos em nutrientes presentes O ajuste desse pH no decorrer do processo é bastante complexo e geralmente ocorre no início da FES Devido à grande heterogeneidade de substratos atualmente a tendência é a utilização de resíduos agroindustriais na composição dos substratos Resíduos de laranja mandioca bagaço de cana polpa de café farelos de cereais dentre outros são grandes fornecedores de carbono e energia que influenciam diretamente no bom crescimento microbiano FARINAS et al 2014 Biorreatores de FES A maior parte dos estudos relacionados à fermentação em substrato sólido publicados nos últimos anos estão voltados para a produção em pequena escala nos laboratórios O aumento da escala de produção enzimática seria o ideal pois diminuiria os custos envolvidos no processo Entretanto a dificuldade para elevar o escalonamento está em encontrar solução manter a umidade ideal do substrato e remover o calor gerado FONSECA 2012 Ao longo do tempo houve avanços que buscaram desenvolver melhorias nos projetos na operação e no escalonamento da FES Os biorreatores são classificados de acordo com o seu volume útil e geometria espacial A seguir apresentamos alguns tipos de biorreatores 81 Biorreatores do tipo bandeja equipamento composto por várias bandejas que recebem o substrato e que são mantidas em temperatura controlada em que ocorre a circulação do ar Apesar de ser considerado um biorreator simples e um dos mais antigos FES diversos estudos foram publicados nos últimos anos destacando experimentos realizados com a utilização de substrato composto por resíduos agrícolas como o farelo de trigo e casca de soja para a avaliação do potencial desse tipo de substrato A desvantagem de utilizar esse equipamento encontrase na quantidade de bandejas utilizadas no processo dificultando a produção em alta escala FARINAS et al2014 Fonte ASTOLFI 2017 Figura 48 Esquema de um biorreator de bandeja Biorreatores do tipo leito empacotado Constituído por colunas onde o substrato está contido em uma base com perfurações e o ar úmido é forçado através leito do substrato Pode apresentar um revestimento no qual circula a água para o resfriamento e controle da temperatura Os problemas encontrados no processo estão relacionados a remoção do calor na ampliação da escala e o crescimento microbiano não uniforme FARINAS et al 2014 Biorreatores do tipo tambor rotativo Os modelos de tambor horizontal podem ser rotativos perfurados ou apresentar pás misturadoras que tem como finalidade agitar o substrato 82 O tambor rotativo apresenta um cilindro que gira para misturar o material fermentado e distribui o ar no interior do biorreator muitas vezes revestido por uma jaqueta para controle da temperatura A agitação do substrato facilita a troca de gases da cultura com o meio O calor é removido pela convecção do ar interno por meio das paredes e o controle da umidade é feito por meio de borrifos de água no substrato No biorreator horizontal rotativo existe a dificuldade no controle de temperatura devido ao aumento de partículas no substrato durante o crescimento do micélio O modelo de biorreator rotativo com pás apresenta uma menor aglomeração de partículas no substrato e maior eficiência na troca de oxigênio A maior desvantagem nesse processo é que o mesmo deve ser realizado com apenas 30 da capacidade máxima do tambor para que a mistura seja eficiente FARINAS et al 2014 e FONSECA 2012 Para escolher o meio fermentativo é importante verificar alguns fatores que propiciem ao microrganismo o melhor ambiente para que o processo seja realizado e obtenha o resultado esperado A fermentação sólida é mais indicada para os fungos pois esse ambiente ao se assemelhar ao habitat natural desses agentes biológicos proporciona uma melhor adaptação e consequentemente um maior crescimento enquanto as leveduras e bactérias tem grande capacidade de absorção de nutrientes em meio líquido Quando se trata de produção enzimática por enzimas em grande escala o tipo de substrato de alto valor pode impactar em um grande aumento no valor final do produto Outro fator a ser considerado é a composição química pois o indutor correto vai ser fundamental para a produtividade da enzima NASCIMENTO2012 Uma outra classificação para os processos fermentativos se refere ao modo de operação ou condução do processo Neste quesito os processos podem ser 83 Descontínua ou Batelada Adicionase a matéria prima e o inóculo escolhido ao fermentador A fermentação ocorre até o esgotamento dos nutrientes O processo é concluído e o produto retirado e o fermentador é esvaziado limpo e esterilizado para iniciar um novo processo Batelada alimentada Corrente de nutrientes é adicionado ao biorreator sem que o efluente e células sejam removidos Posteriormente o processo é interrompido e o produto é extraído Contínuo O acréscimo de nutrientes e a retirada do produto ocorrem de forma simultânea durante o processo funcionando como uma linha ininterrupta de corrente de alimentação e saída de produto eliminando tempo improdutivo e trazendo como resultado maior produtividade Conclusão Os processos fermentativos têm uma grande importância em vários setores de interesse para a sociedade seja na indústria química farmacêutica e na agricultura bem como na indústria de alimentos Podemos concluir que a fermentação é imprescindível na nossa sociedade pois muitos dos alimentos consumidos pelos seres humanos são produzidos desta maneira Além da aplicação de uma grande diversidade de enzimas em várias áreas da atividade industrial tendo uma participação econômica muito importante e significativa para a sociedade REFERÊNCIAS ASTOLFI A L Biorreator bandeja Wikimedia Commons 2017 Disponível em httpscommonswikimediaorgwikiFileBiorreatorBandejajpg Acesso em 25 ago 2020 CRUZ S H Tecnologia das Fermentações Processos Biotecnológicos USP 2016 84 FARINAS C S PIROTA R D B FONSECA R F NETO V B Desenvolvimentos em fermentação em estado sólido para produção de enzimas de interesse agroindustrial 2014 IN NAIME J M MATTOSO L H C SILVA W T L CRUVINEL P E MARTIN NETO L CRESTANA S Conceitos e aplicações da instrumentação para o avanço da agricultura Brasília Embrapa 2014 FONSECA R F Sistema de controle de fluxo temperatura e umidade relativa do ar para processos de fermentação em estado sólido Dissertação de Mestrado São Carlos 2012 GUARITA C Reação química etanol Wikimedia commons 2016 Disponível em httpscommonswikimediaorgwikiFileReaC3A7C3A3oquimicaetanolpn g Acesso em 25 ago 2020 HENRIQUES A F F Análise de um processo fermentativo para desenvolvimento de um produto alimentar Instituto Politécnico de Tomar Dissertação de Mestrado Tomar 2014 JUNQUEIRA LC CARNEIRO J Biologia Celular e Molecular 9 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2013 MADIGAN M T MARTINKO J M DUNLAP P V CLARK D P Microbiologia de Brock Porto Alegre Artmed 2010 MANN J C Competitive inhibition int Wikimedia commons 2007 Disponível em httpsptmwikipediaorgwikiFicheiroCompetitiveinhibitionintsvg Acesso em 25 ago 2020 MALAJOVICH M A Biotecnologia 2011 Rio de Janeiro Edições da Biblioteca Max Feffer do Instituto de Tecnologia ORT 2012 MONTEIRO V N SILVA R N Aplicações Industriais da Biotecnologia Enzimática Revista Processos Químicos 2009 85 NASCIMENTO C S Otimização da Produção de Lipase e Celulase por Fermentação Submersa utilizando a Torta da Polpa e Fungos Isolados do Fruto da Macaúba Acrocomia aculeata Dissertação de Mestrado Belo Horizonte 2015 RAIMBAULT R General and microbiological aspects of solid substrate fermentation Eletronic Journal of Biotechnology V1 p345 1998 STECKELBERG C Caracterização de leveduras de processos de fermentação alcoólica utilizando atributos de composição celular e características cinéticas Tese doutorado Campinas 2001 86 5 BIOTECNOLOGIA APLICADA E MEIO AMBIENTE A biotecnologia ambiental é uma importante área que abrange a utilização e aplicação de uma diversidade de técnicas biológicas importantes e necessárias para enfrentar os desafios cada vez maiores da degradação ambiental visando o uso do meio ambiente de forma sustentável por meio da atuação nas áreas de prevenção monitoramento e restauração Considerada uma ciência multidisciplinar envolvendo aspectos legislativos normativos tecnológicos científicos sociais e econômicos a biotecnologia ambiental é caracterizada por ser um sistema de conhecimento científico e de engenharia que tem como objetivo desenvolver e aplicar técnicas e processos biológicos relacionados a tecnologias limpas e desenvolvimento sustentável como a produção de materiais biodegradáveis a resolução mitigação eou prevenção de problemas de contaminação ambiental e a produção de combustíveis menos poluentes alternativos aos derivados de petróleo como os biocombustíveis Nesse bloco nós vamos abordar três importantes aplicações da biotecnologia ambiental Elas são a biotecnologia aplicada a biorremediação a produção de materiais biodegradáveis e a bioenergia 51 Biotecnologia aplicada a Biorremediação Com a rápida expansão do desenvolvimento tecnológico e industrial ocorreu nas últimas décadas o surgimento de uma grande variedade de substâncias químicas sintetizadas pelo homem para serem utilizadas nos mais diversos processos industriais Pelo uso intenso de produtos químicos e disposição final inadequada estimase que as atividades antrópicas contribuem anualmente com o descarte aproximado de 25 bilhões de toneladas de substâncias químicas liberadas no meio ambiente 87 Muitas dessas substâncias presentes no meio são consideradas xenobióticas pois são moléculas químicas estranhas ao ambiente natural sendo a maioria compostos de origem sintética aplicadas principalmente na indústria química e de materiais como os corantes agrotóxicos plásticos polímeros fármacos dentre outros podendo permanecer no ambiente em concentrações tóxicas GAYLARDE et al 2005 e MALAJOVICH 2011 Com isso o solo águas superficiais e subterrâneas são o alvo constante das contaminações antrópicas por meio da composição e concentração de compostos químicos como os hidrocarbonetos e os metais pesados colocando em risco à saúde das pessoas e o equilíbrio dos ecossistemas LINS et al 2016 Esses contaminantes denominados de xenobióticos são classificados em Biodegradáveis passíveis de serem transformados totalmente em moléculas mais simples e sem nenhum poder de toxicidade Persistentes não degradáveis de acordo com a condição ambiental Recalcitrantes resistentes a degradação na maioria dos ambientes Uma alternativa ecologicamente adequada para a remediação de áreas contaminadas é a biorremediação que consiste em uma técnica baseada na remoção ou degradação bioquímica dos contaminantes por meio de atividades de plantas microrganismos bactérias fungos presentes ou adicionados ao local de contaminação Segundo a Agência de Proteção Ambiental Americana USEPA a biorremediação pode ser definida como o processo de tratamento que utiliza a ocorrência natural de micro organismos para degradar substâncias toxicamente perigosas transformandoas em substâncias inócuas PEREIRA E FREITAS 2012 Geralmente as técnicas químicas envolvem a ação dos microrganismos em promover a degradação da molécula recalcitrante tendo como objetivo principal realizar a mineralização do contaminante por meio da sua transformação em produtos que apresentem baixa ou nenhuma toxicidade como a água e o dióxido de carbono ANDRADE et al 2010 88 As tecnologias de biorremediação podem ser classificadas em In situ ou Ex situ Podemos mencionar como exemplos os solos contaminados por hidrocarbonetos onde o tratamento ocorre no local In situ caso seja removido para tratamento em local externo Ex situ Off site ou após a escavação o solo é descontaminado no próprio local Ex situ On site Geralmente no processo de biorremediação utilizamse da ocorrência de microrganismos nativos encontrados no próprio ambiente impactado denominados autóctones da introdução de novos organismos idênticos à população nativa existente no local ou a inserção de microrganismos geneticamente modificados que apresentam a capacidade de degradar a substância recalcitrante sendo transformados em compostos menos perigosos ao meio ambiente ou tornando as moléculas mais fáceis de serem degradadas GAYLARDE etal 2005 e SILVA 2012 Diversos fatores ambientais influenciam a atividade microbiana interferindo diretamente na eficiência do processo de biorremediação Dentre esses fatores podemos citar A quantidade e tipos de microrganismos que tenham condições de metabolizar o contaminante químico Em muitas situações a biodegradação completa de um determinado xenobiótico necessita da ação conjunta de um grupo de microrganismos portadores de enzimas específicas que atuam individualmente em cada etapa do processo de degradação pois na maioria das vezes nenhum microrganismo vai apresentar todas as enzimas necessárias para a metabolização completa de um composto químico recalcitrante Outro fator biológico que pode contribuir em uma maior eficiência no processo de biorremediação do solo consiste na troca de plasmídeos segmentos de DNA bacteriano entre grupos de bactérias da mesma espécie ou de espécies diferentes Essa troca de genes proporciona o aumento da variabilidade genética no meio podendo influenciar a disseminação e o aumento potencial de diversos tipos de enzimas importantes no processo catabólico das moléculas recalcitrantes GAYLARDE etal 2005 89 O solo é considerado um parâmetro físico que influencia na degradabilidade de um composto químico podendo limitar a ação dos microrganismos caso as condições da matriz onde se encontra o contaminante não forem favoráveis às atividades desenvolvidas por esses seres vivos Em certos casos o solo por meio da propriedade de atração de cargas opostas promove a adsorção de moléculas do poluente diminuindo consideravelmente a biodisponibilidade do poluente As relações existentes entre a temperatura e a atividade microbiana são determinantes no processo de biorremediação Apesar de a maioria dos processos de biodegradação ocorrerem em uma faixa ampla de temperatura 25C 35C nas regiões de ocorrência de temperaturas mais baixas a atividade metabólica do microrganismo diminui consideravelmente diminuindo ou até mesmo interrompendo a degradação da substância química Muitos fatores químicos também influenciam no aumento ou redução da taxa de degradação do poluente A composição química do solo os nutrientes o teor de umidade a quantidade de oxigênio presente e o PH por meio dos efeitos dos íons H na permeabilidade celular e na atividade enzimática determinam a velocidade da atividade microbiana Em certas situações a baixa atividade de biodegradação de um determinado contaminante ocorre pela inexistência ou população reduzida de microrganismos que apresentam enzimas capazes de degradar o composto químico ou a população microbiana existente é ideal mas direcionam o seu metabolismo para degradar substâncias que apresentam estrutura química simples deixando de atuar em contaminantes que apresentam moléculas recalcitrantes GAYLARDE 2005 JACQUES et al 2007 ANDRADE et al2010 Os estudos realizados indicam que as condições climáticas do Brasil e outros fatores como a disponibilidade de nutrientes o teor de umidade do solo a quantidade de oxigênio dentre outras condições ambientais converge para a aplicação das técnicas de biorremediação de contaminantes presentes no solo A tabela 51 apresenta as principais vantagens e limitações relacionadas a biorremediação de solo 90 Tabela 51 Vantagens e limitações da biorremediação de solos Fonte ANDRADE etal 2010 A biorremediação é considerada uma tecnologia emergente complexa havendo a necessidade de cumprir etapas de reconhecimento e avaliação do sítio contaminado caracterização do tipo de contaminante e os seus respectivos riscos ao ecossistema saúde humana e legislação vigente A Figura 51 apresenta um esquema geral das etapas de implementação de um processo de biorremediação 91 Fonte Adaptado de GAYLARDE et al 2005 Figura 51 Esquema geral das etapas para definição e implementação de um processo de biorremediação Na escolha de um processo de biorremediação além do conhecimento dos fatores que podem influenciar no resultado da biorremediação como o teor da umidade as variações de temperatura o tipo de solo a concentração de oxigênio e matéria orgânica presente também é fundamental saber quais os tipos de contaminantes estão presentes a respectiva extensão da área contaminada os riscos e os custos envolvidos Desta maneira será possível escolher a técnica mais adequada para a situação apresentada As principais metodologias aplicadas em processos de biorremediação de áreas contaminadas são Biorremediação passiva ou intrínseca Consiste no monitoramento da capacidade de ação dos microrganismos nativos degradarem o contaminante presente no local havendo a descontaminação do ambiente Por não existir qualquer intervenção relacionada ao acréscimo de nutrientes ou qualquer adequação do meio esse processo é considerado muito lento podendo exigir a utilização de outras técnicas ou a necessidade de um período longo de monitoramento da área MORAIS FILHO CORIOLANO 2016 92 Além da ação dos microrganismos nativos o solo contaminado sofre os processos naturais de intemperismo como a lixiviação que promove o deslocamento ou arraste vertical de materiais presentes no solo para as camadas mais profundas e a volatilização do próprio contaminante reduzindo a concentração do agente poluidor Atenuação Natural Acelerada ANA ou Bioestimulação A técnica denominada atenuação natural de biorremediação insitu consiste em estimular o crescimento da população microbiana nativa por meio da introdução de nutrientes seja na forma de fertilizantes orgânicos eou inorgânicos na área contaminada regulação de pH temperatura e aeração favorecendo o aumento da população de microrganismos e consequentemente a aceleração do processo de degradação do contaminante A vantagem de aplicar essa técnica é apresentar custo inferior comparado às demais técnicas de biorremediação Bioaumento A bioaumentação é uma técnica utilizada tanto in situ quanto ex situ caracterizada pela adição de microrganismos biodegradadores exógenos alóctones bactérias e em alguns casos fungos aumentando a microbiota presente na área contaminada Além dos microrganismos exógenos muitos dos produtos utilizados apresentam em sua composição micronutrientes enzimas de ação externa e surfactantes que estimulam a ação das bactérias sobre os compostos químicos Esse processo é indicado para ser implementado em regiões que apresentam baixa taxa de biodegradação e tem como finalidade acelerar a degradação do composto poluente e reduzir o tempo de adaptação que antecede o processo de degradação realizada pelos microrganismos autóctones ANDRADE 2010 e HOELSCHER et al 2019 Bioventilação A bioventilação se baseia no estímulo da degradação in situ de qualquer composto degradável na presença de oxigênio pelos microrganismos existentes no solo contaminado Essa técnica consiste no fornecimento de oxigênio ao solo aumentando o fluxo de ar e favorecendo a ação desses microrganismos consequentemente acelerando o processo 93 Essa técnica é indicada na restauração de solos contaminados por hidrocarbonetos derivados do petróleo solventes não clorados e alguns grupos de pesticidas Algumas limitações para a adoção do bioventing está relacionada a baixa permeabilidade do solo a existência de zonas saturadas proximidade da região contaminada com a superfície do lençol freático reduzem ou inviabilizam a eficiência dessa técnica HOELSCHER et al 2019 Biosparging Essa técnica de biorremediação in situ consiste em estimular por meio de injeção de ar e nutrientes na zona saturada os microrganismos autóctones responsáveis pela biodegradação dos compostos orgânicos Landfarming O processo de biorremediação denominado ladfarming traduzido do inglês lavoura da terra consiste em misturar o material contaminado lodo ou sedimento com os primeiros 30 cm de solo não contaminado de uma terra extensa onde os microrganismos heterotróficos presentes no solo são estimulados com operações de aração adição de nutrientes e controle de umidade para promover a redução da concentração do contaminante O landfarming pode ser considerado também um sistema de tratamento de resíduos sendo uma técnica bastante utilizada pelas refinarias e indústrias petroquímicas para o tratamento dos seus resíduos Nesses casos deve ser destinada uma área exclusiva para receber o material oleoso contaminante que deve ser espalhado sobre a superfície do solo originando uma camada denominada reativa onde haverá a atividade microbiana para a degradação dos constituintes do resíduo a ser tratado O landfarming apresenta algumas vantagens como a facilidade na operação e no baixo custo por unidade de volume de resíduo tratado Os problemas encontrados que podem limitar o uso da técnica são 94 Erros na operação do processo Fatores ambientais desfavoráveis que influenciam na degradação Os contaminantes não localizados na superfície do solo não podem ser tratados no local Alguns contaminantes presentes nos resíduos dos hidrocarbonetos não são totalmente degradados no processo Alta concentração de metais inibem a atividade microbiana de degradação O tratamento ex situ exige uma grande área para tratamento Os contaminantes voláteis emitidos na atmosfera tais como solventes devem sofrer prétratamento JACQUES et al 2007 e HOELSCHER et al 2019 Biopilhas A técnica ex situ de tratamento do solo por biopilhas envolve a disposição do material contaminado em pilhas de forma a favorecer a ação dos microrganismos na biodegradação do material contendo poluentes Anterior ao processo de biopilhas o solo a ser descontaminado deve passar por testes físicoquímicos e de ensaios biológicos para verificar a viabilidade de realizar o tratamento por meio da análise do material tendo como objetivo avaliar o tipo e concentração dos poluentes presença de inibidores da biodegradação composição do material e os teores ideais umidade temperatura oxigênio e nutrientes para que sejam obtidos os resultados esperados pós tratamento ANDRADE et al 2010 e HOELSCHER et al 2019 Após essa análise o solo é colocado em camadas pilhas onde ocorre o monitoramento e controle de fatores que estimulam a atividade microbiana como a aeração quantidade de nutrientes e umidade do solo As biopilhas devem ser instaladas em uma base impermeável para que o material contaminante não migre para subsuperfície do solo e cobertas por membranas impermeáveis para evitar a dispersão de contaminantes voláteis para a atmosfera e proteger o solo das intempéries ANDRADE et al 2010 95 As biopilhas podem ser classificadas em estáticas ou dinâmicas No tratamento de solo com biopilhas instalase um sistema de aeração constituído por uma rede de tubos conectados a uma bomba de vácuo Já nas biopilhas dinâmicas o processo de aeração envolve o revolvimento das pilhas com a utilização de maquinário HOELSCHER et al 2019 A principal vantagem relacionada ao uso dessa técnica está no controle das condições físicas biológicas e químicas da matriz de solo contaminada favorecendo uma maior eficiência e celeridade no processo Por se tratar de um processo ex situ as desvantagens da utilização de biopilhas estão Nos custos e riscos envolvidos na escavação No armazenamento transporte e redisposição do solo contaminado No contato com materiais particulados contaminados por meio da possibilidade de inalação de vapores Na propagação da contaminação para outros meios ANDRADE et al 2010 HOELSCHER et al 2019 Biorreatores Os biorreatores são muito utilizados como processo de biorremediação em solos que apresentam altas concentrações de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos HAPs Nessa técnica o solo é acondicionado no interior de um tanque que sofre a agitação mecânica com o objetivo de aumentar a aeração e homogeneização na distribuição do contaminante disponibilizado para a população de microrganismos responsáveis pela degradação do poluente Para otimizar o crescimento microbiano deve existir o monitoramento dos fatores que influenciam na degradação do contaminante como a quantidade ideal de nutrientes o nível de aeração controle do pH e a temperatura ótima que tornam o processo mais eficiente Após a redução da concentração dos contaminantes a suspensão é desidratada e a água pode ser reutilizada no biorreator 96 A vantagem de utilizar biorreatores consiste na rapidez do tratamento e a possibilidade de obtenção de uma alta taxa de biodegradação Os fatores que podem inviabilizar a escolha dessa técnica estão relacionados ao alto custo do tratamento e a quantidade de solo a ser tratado é limitada pelo tamanho dos biorreatores PEREIRA FREITAS2012 HOELSCHER et al 2019 52 Biotecnologia aplicada a produção de materiais biodegradáveis A produção em larga escala dos materiais sintéticos à base de plástico começou por volta dos anos 50 Devido as propriedades físicas e químicas dos plásticos desses polímeros conferirem inúmeras vantagens em relação a outros materiais como resistência à corrosão apresentar isolamento térmico e elétrico ser facilmente moldado excelente impermeabilidade à água flexibilidade suficiente para permitir deformação sob pressão e boa resistência química à temperatura ambiente e ser um produto de baixo custo a sociedade moderna tornouse dependente da utilização de materiais plásticos para produzir embalagens e os mais variados produtos descartáveis Durante muito tempo além das dificuldades de reciclagem do plástico não foi dada a atenção necessária aos impactos ambientais causados pelo descarte inadequado desse material que se acumula e contamina o solo mananciais e oceanos podendo se fragmentar em pequenas partículas plásticas os chamados microplásticos que acabam participando dos níveis tróficos das cadeias alimentares comprometendo a alimentação e sobrevivência desses animais Estimase que até 2050 existirão pelo menos mais 12 mil milhões de toneladas de plástico no meio ambiente O aquecimento do mercado consumidor o aumento nos custos das matérias primas extraídas do petróleo e a possibilidade de esgotamento de suas reservas associada a pressão ambiental levou o setor de plásticos a investir em diversos estudos relacionados ao desenvolvimento de produtos originados de fontes renováveis que substituíssem os derivados de petróleo envolvendo diversas famílias de bioplásticos polímeros renováveis base verde como as poliaminas policaprolactonas polilactato e polihidroxialcanoatos PHAs podemos citar a produção de plásticos recicláveis a partir do etanol da canadeaçúcar e polímeros biodegradáveis 97 Dentre os tipos de plásticos degradáveis destacamos Plástico Biodegradável Material decomposto pela ação de enzimática de microrganismos em curto período convertendo a matéria em dióxido de carbono metano água compostos inorgânicos e biomassa A biodegradação pode ocorrer tanto na presença de oxigênio aeróbia quanto na ausência dele anaeróbia Estes processos são representados pelas seguintes reações Biodegradação Aeróbica CPOLÍMERO O2 CO2 H2O CRESÍDUO CBIOMASSA Biodegradação Anaeróbica CPOLÍMERO CO2 CH4 H2O CRESÍDUO CBIOMASSA Plástico semibiodegradável Apresentam amido agregado a uma poliolefina e quando descartado as bactérias decompõem apenas a porção orgânica Plástico fotodegradável Material degradado pela ação da luz natural altera a estrutura do polímero facilita a ação dos microrganismos Plástico oxidegradável O plástico se degrada por meio de um aditivo aplicado em sua composição potencializando a ação da temperatura radiação ultravioleta e oxigênio causando o efeito de oxidação e fragmentação do material LOPES 2013 Os polímeros biodegradáveis podem ser originados a partir de fontes naturais renováveis como a canadeaçúcar batata milho celulose ou serem sintetizados por bactérias por pequenas moléculas como o ácido butírico ou o ácido valérico dando origem ao polihidroxibutirato PHB e ao polihidroxibutiratocovalerato PHBHV ou serem derivados de fonte animal como a quitina BRITO et al 2011 98 Com isso o desenvolvimento de novos polímeros derivados de fontes renováveis tem assumido uma posição de destaque tanto pelas questões ambientais como a possibilidade de oferecem a possibilidade de desenvolvimento de produtos inovadores O avanço da biotecnologia fornece novas rotas para os biopolímeros por meio de processos fermentativos por microrganismos como no caso do Polihidroxialcanoatos PHA ou por polimerização química de substratos produzidos pelo menos parcialmente por fermentação de bactérias como o poliácido láctico PLA BASTOS 2007 A figura 52 representa alguns polímeros biodegradáveis classificados acordos com sua fonte de obtenção Fonte Adaptado de Avérous e Boquillon 2004 apud Calegari Oliveira 2016 Figura 52 Classificação de alguns polímeros biodegradáveis de acordo com sua fonte de obtenção Polímeros do Amido O amido é um polissacarídeo presente nos vegetais como material orgânico responsável pelo metabolismo energético sendo considerado o polissacarídeo mais versátil para o uso em polímeros podendo ser transformado em produtos químicos como o etanol e ácidos orgânicos e utilizado na produção de biopolímeros por meio de processos de fermentação ou hidrólise Nas aplicações industriais o amido geralmente é retirado de sementes de cereais raízes e tubérculos e raízes BRITO et al 2011 99 O amido termoplástico TPS é um material amorfo ou semicristalino composto pelo amido plastificado por uma mistura de plastificantes Apesar do baixo custo de produção uma desvantagem do amido termoplástico está relacionada a sua fragilidade devido a sensibilidade à umidade principalmente após o envelhecimento do produto Para sua viabilidade comercial o amido é misturado a outros polímeros para alterar suas propriedades e diminuir a sua sensibilidade a água O amido tem sido aplicado na confecção de espumas sacolas produtos de higiene pessoal e itens moldados Ácido Poliláctico ou Polilactato PLA O poliácido láctico ou PLA chamado também de PDLA PLLA é um polímero sintético composto por moléculas de ácido lático C3H6O3 termoplástico semicristalino biocompatível e biodegradável utilizado em diversos tipos de embalagens como por exemplo sacolas plásticas de mercado talheres copos bandejas pratos vidros tampas garrafas tubetes fibras têxteis filmes para a agricultura embalagens termoformadas interiores de automóveis tapetes carpetes tecidos para roupa material para implantes cirúrgicos pinos placas parafusos fibras de sutura dentre outros produtos As propriedades mecânicas do PLA podem ser comparáveis aos polímeros derivados do petróleo apresentando capacidade de moldagem elasticidade rigidez transparência e comportamento termoplástico apresentando similaridade ao polietileno tereftalato PET BRITO et al 2011 O PLA se degrada tanto em condições aeróbias como em condições anaeróbicas de compostagem e em poucas semanas quando expostos à altas temperaturas e elevada umidade sofre degradação por hidrólise seguida pela ação bacteriana 100 Poliidroxialcanoatos PHAs Polímeros Polihidroxialcanoato PHA é o termo dado à família de poliésteres naturais que possuem como fonte uma variedade de microrganismos que os acumulam sob a forma de grânulos intracelulares como reserva energética Os PHAs apresentam um material muito flexível e atóxico termoplástico com alto grau de polimerização cristalinos opticamente ativos e insolúveis em águas semelhante aos plásticos de origem petroquímica além de serem biodegradáveis Os PHAs podem ser produzidos de diferentes métodos como produção química produção biotecnológica como culturas recombinantes culturas com vários tipos de bactérias culturas portadoras de mutação combinação de produção biotecnológica e química isolamento de fontes naturais A Figura 51 representa um esquema fechado da produção de PHA A canadeaçúcar por meio do processo químico da fotossíntese sintetiza o composto orgânico carboidrato como matéria prima para a produção de PHA A bactéria específica acumuladora de PHA utiliza o carboidrato como fonte de açúcar para a transformação em polímero e posterior transformação em produto plástico ALVES 2016 O tipo de PHA produzido é determinado pelo material usado pela bactéria como fonte de carbono suas vias metabólicas e o tipo de enzima de síntese que ela apresenta é chamada de PHA sintase Essa enzima é considerada a responsável pelo processo de união dos monômeros formando o polímero que é acumulado pela bactéria 101 Fonte Adaptado de GARCIA 2006 Figura 53 Ciclo fechado para a produção e degradação de PHA Atualmente existem diversos estudos sobre os poliidroxialcanoatos principalmente no setor de embalagens e aplicações na área da medicina Apesar do PHA apresentar um mercado potencial podendo incluir uma grande diversidade de embalagens itens de uso descartáveis utilidades domésticas eletrodomésticos adesivos tintas entre outros o grande problema está relacionado ao custo elevado de produção quando comparado aos polímeros de origem petroquímica BRITO et al 2011 Poliésteres AlifáticosAromáticos O policaprolactona PCL é um polímero sintético com propriedades de origem petroquímica solúvel em diversos tipos de solventes e biodegradável Aplicado na produção de biomateriais devido a apresentação de propriedades como baixa toxicidade e alta capacidade de degradação possibilitando a atualização desse material como matrizes transportadoras de substâncias como os fármacos e amplamente utilizado como plastificante sólido de policloreto de vinila PVC ou para aplicações de poliuretano MANCIPE et al 2019 102 53 Bioenergia As fontes de energia são classificadas em não renováveis constituídas pelas fontes fósseis e nucleares e as renováveis que podem ser repostas rapidamente pela natureza A Figura 52 representa a classificação dessas fontes e as respectivas energias geradas Fonte Adaptado de Goldemberg e Lucon 2007 Figura 54 Fontes de geração de energia Nos últimos anos as energias renováveis estão aumentando a sua participação na elaboração das políticas de adoção das matrizes energéticas de diversos países No caso do Brasil o Balanço Energético Nacional BEN de 2016 demonstrou que o país mantém sua participação de energias renováveis na matriz energética entre as mais altas do mundo 103 Bioenergia é a energia química contida ou derivada da biomassa de origem animal vegetal ou de resíduos derivados de plantas sendo considerada como fonte constituída de matéria orgânica capaz de ter aproveitamento energético FGV ENERGIA 2019 O processo químico de fotossíntese transforma a energia solar e CO2 em biomassa que quando submetida ao processo de conversão libera energia em forma de calor combustível e eletricidade devolvendo para a atmosfera após sua utilização o dióxido de carbono estabelecendo um ciclo sustentável A bioenergia pode ser classificada em Tradicional Consiste na combustão de biomassa em formas como resíduos de animais madeiras e carvão Moderna Incluem o uso de bagaço e outros vegetais para a produção de biocombustíveis líquidos biorrefinarias biogás a partir da digestão anaeróbica de resíduos e o uso de pellets de madeira para aquecimento As principais matérias utilizadas para a conversão da biomassa são a madeira amido açúcar plantas oleaginosas palma soja colza Além disso são realizados estudos sobre o uso de outras matériasprimas como gramíneas e matéria orgânica que possuem lignina e celulose originados do setor agrícola O aproveitamento da energia contida na biomassa tem um papel significativo para aumentar fornecimento de energia e trazer benefícios como a diminuição da dependência energética relacionada ao petróleo e a redução dos impactos ambientais principalmente em países que apresentam grande densidade populacional e demanda energética crescente como China Brasil e Índia A biomassa é classificada em três categorias Elas são os vegetais não lenhosos os vegetais lenhosos e os resíduos orgânicos Vem ganhando destaque os resíduos orgânicos devido ao alcance de dois objetivos importante Diversos processos produtivos geram rejeitos orgânicos que podem ser aproveitados como insumos para a produção energética e a eliminação do resíduo orgânico e a sua utilização aumentam a produção de energias alternativas renováveis contribuindo para o suprimento da demanda crescente por energia nas próximas décadas e promovendo ganhos ambientais BIERNASKI2019 104 O Brasil é considerado em função de sua grande disponibilidade de biomassa um país com um dos maiores potenciais para a produção de bioenergia A Lei 1357617 que dispõe sobre a Política Nacional de Biocombustíveis RenovaBio destaca a importância da agregação de valor à biomassa brasileira como na preservação ambiental para a promoção do desenvolvimento inclusão econômica e social do país BRASIL 2017 Existem alguns questionamentos relacionados aos impactos ambientais causados pelo uso da biomassa devido a liberação de material particulado na atmosfera porém segundo o Plano Nacional de Energia 2030 que tem como objetivo o planejamento de longo prazo do setor energético do país orientando tendências e balizando as alternativas de expansão desse segmento nas próximas décadas a conversão da biomassa associada à eficiência energética e tecnológica representa baixo impacto ambiental pois considerase que a biomassa vegetal captura o dióxido de carbono durante a sua fase de desenvolvimento antes de se tornar insumo para a geração de energia totalizando durante todo o seu ciclo de vida baixas emissões de carbono BIERNASKI2019 O aproveitamento bioenergético no setor elétrico no Brasil é realizado principalmente por meio do uso de biomassa proveniente da lenha bagaço de cana e lixivia Somente em 2017 a geração de bioeletricidade a partir do bagaço de cana contribuiu com 113 da demanda final de energia Para o aproveitamento dessa matéria orgânica outras rotas importantes também são utilizadas embora em pequena escala como a utilização resíduos domésticos industriais e agropecuários Quando temos a participação total da bioenergia sustentável canadeaçúcar biodiesel e biogás esse índice sobe para 182 ao considerarmos outras fontes bioenergéticas sem termos a garantia do processo sustentável casca de arroz lixívia óleos vegetais o percentual de participação atinge 216 FGV ENERGIA 2019 Em relação a agricultura de energia o Brasil apresenta algumas vantagens para liderar o mercado bioenergético no mundo pois apresenta a possibilidade de incorporação de novas áreas anteriormente destinadas a produção agrícola sem competir com o fornecimento de alimentos a utilização de áreas degradadas por pastagens para plantio de canadeaçúcar e outras culturas favorecendo a produção de álcool e outras proteínas vegetais contribuindo para a fertilidade do solo e a possibilidade de ter uma variedade de cultivos ao longo do ano GOLDEMBERG et al 2008 105 As plantas fibrosas são as mais indicadas como produtoras de biomassa para atender as necessidades energéticas do Brasil pois apresenta as seguintes vantagens Alta taxa fotossintética Boa produção de biomassa sem requerer grandes concentrações de nutrientes e água Crescimento contínuo e possibilidade de colheita durante grande parte do ano Possibilidade de produção em grande escala Exploração sustentável com menor manejo do solo uso de fertilizantes e insumos Eficiente transformação em formas utilizáveis de energia MATSUOKA et al 2012 Diversos produtos são gerados a partir da biomassa Dentre eles podemos citar Biocombustíveis líquidos Bioetanol O etanol ou o álcool etílico é uma substância com fórmula molecular C2H5OH produzido desde eras remotas pelo processo de fermentação dos açúcares encontrados em cereais beterraba e cana Atualmente na fabricação do bioetanol utilizase a biomassa lignocelulósica proveniente de resíduos orgânicos como o sabugo e a palha do milho o bagaço as pontas e as palhas da canadeaçúcar e o conceito de biorrefinarias que surgem como um novo caminho para ampliação da produção do etanol no país BASTOS 2007 O Brasil e os EUA são considerados os maiores produtores e usuários de bioetanol como combustível para transporte Estudos sobre o ciclo de vida do combustível etanol indicam a possibilidade de redução de 76 dos gases de efeito estufa para o etanol produzido a partir da cana de açúcar Com a evolução de novas tecnologias os processos se tornam mais eficientes na utilização da biomassa e na formação de coprodutos comercializáveis e produtos químicos contribuindo para a redução de custos 106 Diferentes rotas tecnológicas figura 45 podem ser aplicadas no processo de produção do etanol utilizandose biomassa açucarada canadeaçúcar e beterraba biomassa amilácea milho trigo e mandioca e biomassa celulósica A produção de etanol a partir da cana consiste na recepção da matéria prima no preparo e moagem e no tratamento e fermentação do caldo da cana de forma direta ou de misturas de caldo e melaço provenientes da produção do açúcar Na rota celulósica utilizase um polissacarídeo de estrutura lignocelulósica composto por celulose hemicelulose e a lignina material estrutural do vegetal não transformado em etanol A produção do etanol a partir dessa biomassa envolve processos de hidrólise ácida processo químico ou enzimática processo biotecnológico para a obtenção dos açúcares e posteriormente a fermentação BASTOS 2007 Fonte BNDES CGEE 2008 Figura 55 Diferentes rotas tecnológicas para a produção do etanol 107 Biodiesel O biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis que pode ser obtido a partir de matérias primas a partir de gordura de origem animal e espécies de vegetais como a soja mamona colza canola amendoim pinhãomanso palma dendê girassol e óleos utilizados em frituras A Lei 1109705 que introduziu o biodiesel na matriz energética brasileira define esse biocombustível como Biodiesel biocombustível derivado de biomassa renovável para uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou conforme regulamento para geração de outro tipo de energia que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil A utilização do biodiesel apresenta uma série de vantagens pois esse biocombustível é produzido a partir de fontes renováveis utilizado para a geração de energia e transportes em substituição ao óleo diesel contribuindo consequentemente para a mitigação dos impactos originados pelos gases do efeito estufa provenientes na maioria das vezes pela queima dos combustíveis fósseis além da geração de empregos em toda a cadeia produtiva dos biocombustíveis SEBRAE 2008 A composição do óleo vegetal consiste em uma molécula de glicerol ligada a três de ácido graxo denominada de triglicérides e ácidos graxos livres O processo químico mais utilizado no Brasil para produção do biodiesel é a transesterificação alcalina onde os triglicerídeos presentes no óleo são transformados em moléculas menores de ésteres de ácido graxo biodiesel a partir de um agente transesterificante álcool primário e um catalisador base ou ácido A reação química de transesterificação ocorre em um reator com agitação não enérgica em uma temperatura ambiente ou até 70 C para que o álcool não seja evaporado A temperatura ideal para a obtenção de um melhor rendimento no processo está fixada em 45 C 108 É adicionado ao óleo previamente aquecido uma mistura contendo o álcool e o catalisador A reação se dá por completa quando a solução voltar a coloração original após o escurecimento da mistura O tempo necessário para realizar o processo depende da matéria prima álcool e tipo de catalisador utilizados Para a separação dos produtos originados é feita a decantação onde a fase superior corresponde ao biodiesel e a fase inferior ao subproduto glicerina o resíduo do catalisador e parte do álcool que não reagiu água sabão e traços de glicerídeos e ésteres BARROS JARDINE 2008 A tecnologia empregada na produção do biodiesel envolve muitos conceitos de engenharia química como as reações químicas operações unitárias e o controle de processos Bioeletricidade A bioeletricidade é uma energia limpa e renovável gerada a partir da combustão da biomassa No Brasil grande parte da produção de bioeletricidade é proveniente dos resíduos de canadeaçúcar onde para cada tonelada da cana moída para a fabricação do etanol e açúcar são gerados 450 kg de resíduos bagaço palha e pontas com elevado teor de fibras muitas vezes promovendo a autossuficiência energética da usina sucroalcooleiras e o excedente vendido para o sistema elétrico nacional Em 2010 a produção de bioeletricidade no Brasil foi equivalente à energia necessária para atender 20 milhões de pessoas ÚNICA 2011 O processo da produção de bioeletricidade apresenta as seguintes etapas O bagaço e a palha poder calorífero quase duas vezes superior ao bagaço da cana são enviados para a alimentação das caldeiras na usina Ocorre a geração de vapor pela caldeira e três formas de energia são produzidas 109 Energia térmica utilizada no processo de produção do etanol e açúcar A energia mecânica para movimentar o maquinário e equipamento de extração e preparação do caldo As turbinas de geração transformando em energia elétrica ÚNICA 2011 Biogás O biogás é o gás produzido a partir da decomposição de matéria orgânica por microrganismos As principais fontes de produção de biogás são a biomassa agrícola restos de cultura e resíduos orgânicos materiais de aterro sanitário e estrume de animais Estimase que anualmente a biodegradação natural da matéria orgânica em meio anaeróbico libera entre 590 800 milhões de toneladas de metano na atmosfera A produção de biogás é considerada como um processo de baixa emissão de carbono e mitigador da poluição causada caso a totalidade de resíduos orgânicos não fossem aproveitados para a geração de energia e liberassem no meio ambiente as altas concentrações de carbono presentes no gás metano Além disso a própria energia elétrica gerada pelo próprio biogás nas regiões de agropecuária pode ser utilizada pelos moradores locais diminuindo os custos comparandose com a energia pública fornecida O principal método de produção de biogás consiste na participação de comunidades de bactérias para realizar o processo de degradação das cadeias bioquímicas que constituem a biomassa para que seja liberado o gás metano Em digestores anaeróbicos no processo de hidrólise ocorre a liberação de enzimas extracelulares responsáveis pelo início da degradação dos compostos orgânicos presentes no substrato seguido do processo de fermentação onde os produtos gerados da hidrólise são convertidos em ácido acético hidrogênio e dióxido de carbono Bactérias participantes das reações consomem o oxigênio residual no digestor proporcionando a ação de bactérias anaeróbicas que controlam a produção de metano dos produtos da acidogênese MILANEZ 2018 110 Nas plantas industriais a matéria orgânica é degradada pelos microrganismos em um reator controlado gerando um biogás com 50 70 de metano Esse processo pode sofrer alterações tendo como objetivo elevar a concentração de metano e aproximar esse gás do gás natural derivado do petróleo havendo portanto a necessidade de adoção de métodos de absorção adsorção filtração por membrana e separação criogênica que levam a melhoria do produto gerado Na figura 56 está exemplificado processo de fabricação do biogás MILANEZ 2018 Fonte RABONI URBINI 2014 Figura 56 Processo de fabricação do biogás O potencial do biogás não está limitado à geração de energia renovável mas também no fornecimento de gás para veículos destinados por exemplo ao transporte coletivo e nas operações agropecuária substituindo gradativamente o uso do diesel e contribuindo para a redução de CO2 na atmosfera 111 Conclusão O sistema energético mundial é fortemente dependente dos combustíveis fósseis levando a exaustão gradativa das reservas de recursos minerais existentes e contribuindo para as alterações climáticas ocasionadas pelo aquecimento global No Brasil para que se construa uma sociedade baseada em um desenvolvimento sustentável é fundamental a substituição de produtos por outros com maior aceitabilidade ambiental o aumento da participação do uso de energias renováveis em todas as suas variantes biomassa sólida biogás e biocombustíveis e para todos os seus usos transporte calor e eletricidade promovendo um equilíbrio entre a conservação e exploração dos recursos naturais e um melhor aproveitamento e tratamento dos resíduos gerados REFERÊNCIAS ALVES M I Produção do bioplástico Poli3hidroxibutirato P3hB por Bacillus megaterium CN3 suplementado com lipídeos Dissertação de Mestrado Pelotas 2016 ANDRADE J A AUGUSTO F JARDIM I C S F F Biorremediação de solos contaminados por petróleo e seus derivados Eclet Quím vol35 no3 São Paulo 2010 BARROS T D JARDINE J G Transesterificação Agência Embrapa 2008 BASTOS V D Etanol Alcoolquímica e Biorrefinarias BNDES Setorial Rio de Janeiro n 25 p 538 2007 BIERNASKI I Determinação de variáveis relevantes para a proposição de políticas públicas em bioenergia 2019 BNDES CGEE Org Bioetanol de cana de açúcar energia para o desenvolvimento sustentável Rio de Janeiro Bndes 2008 316 p DC 2007 Disponível em httpwwwceiorgpdf5774pdf Acesso em 25 ago 2020 112 BRASIL Lei nº 13576 de 26 de dezembro de 2017 Institui a Política Nacional de Biocombustíveis RenovaBio Diário Oficial da União Brasília 2017 BRITO G F AGRAAL P ARAÚJO E M MELO T J A Biopolímeros Polímeros Biodegradáveis e Polímeros Verdes Revista Eletrônica de Materiais e Processos v6 127139 2011 CALEGARI E P OLIVEIRA B F Compósitos a partir de materiais de fontes renováveis como alternativa para o desenvolvimento de produtos UFRGS 2016 Disponível em httpswwwlumeufrgsbrbitstreamhandle10183142321000992228pdfsequen ce1 Acesso em 25 ago 2020 FGV ENERGIA O Papel da Bioenergia na Expansão do Setor Energético Boletim Energético 2019 GAYLARDE CC BELLINASO ML MANFIO G P Biorremediação aspectos biológicos e técnicos da biorremediação de xenobióticos Biotecnologia Ciência e Desenvolvimento n 34 2005 GOLDEMBERG J LUCON O Energias renováveis um futuro sustentável Revista USP n 72 p 615 1 fev 2007 GOLDEMBERG J NIGRO F E B COELHO S T Bioenergia no estado de São Paulo situação atual perspectivas barreiras e propostas São Paulo Imprensa Oficial do Estado de São Paulo 2008 HOELSCHER G L BARTZEN B T ZANACHI L D MATTEI E GONÇALVES JR A C Journal of Agronomic Sciences Umuarama v7 n especial p7586 2018 JACQUES R J S BENTO F M ANTONIO Z I CAMARGO F A O Biorremediação de solos contaminados com hidrocarbonetos aromáticos policíclicos Cienc Rural vol37 no 4 Santa Maria 2007 LINS F A F RIZZO A C CUNHA C D LIMA F M Tecnologias para a sustentabilidade ambiental Centro de Tecnologia Mineral CETEM 2016 LOPES M S G Produção de plásticos biodegradáveis utilizando hidrolisado hemicelulósico de bagaço de canadeaçúcar Tese de Doutorado São Paulo 2010 113 MALAJOVICH M A Biotecnologia 2011 Rio de Janeiro Edições da Biblioteca Max Feffer do Instituto de Tecnologia ORT 2012 MANCIPE J M A DIAS M L THIRÉ R M S Avaliação morfológica de fibras eletrofiadas de policaprolactona em função do tipo de solvente Matéria Rio J vol24 no3 Rio de Janeiro 2019 MATSUOKA S BRESSIANI J A MACCHERONI W FOUTO I Bioenergia da cana In SANTOS F BORÉM A CALDAS C Canadeaçúcar bioenergia açúcar e álcool 2 ed Viçosa UFV 2012 MILANEZ A Y GUIMARÃES D D MAIA G B S SOUZA J A P LEMOS M L F Biogás de resíduos agroindustriais panoramas e perspectivas BNDES Setorial 2018 MORAIS FILHO M C CORIOLANO A C F Biorremediação uma alternativa na utilização em áreas degradadas pela indústria petrolífera HOLOS Ano 32 Vol 7 2016 PEREIRA AR FREITAS DAF Uso de microrganismos para a biorremediação de ambientes impactados Rev Elet em Gestão Educação e Tecnologia Ambiental v 6 nº 6 p 975 1006 Lavras 2012 RABONI M URBINI G Production and use of biogas in Europe a survey of current status and perspectives Revista Ambiente agua y 9 n 2 2014 SEBRAE Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas Biodiesel Brasília 2008 SILVA T A C Biorremediação de solos contaminados por petróleo Graduação Tecnológica em Biotecnologia Fundação Centro Universitário Estadual da Zona Oeste Rio de Janeiro 2012 UNICA A energia verde e inteligente do Brasil Cartilha de Bioeletricidade São Paulo 2010 114 6 MICROBIOLOGIA INDUSTRIAL E BIOTECNOLOGIA APLICADA NA AGRICULTURA Introdução O crescimento populacional a exploração dos recursos naturais e a adoção de um modelo não sustentável de consumo pela sociedade moderna Todos estes fatores contribuíram para a degradação ambiental afetando diretamente a saúde humana o equilíbrio dos ecossistemas e a qualidade dos recursos naturais Nas últimas décadas a questão ambiental vem ganhando espaço marcado pela pressão da sociedade civil organizada em promover ações que protejam o meio ambiente por meio do uso sustentável e racional dos recursos naturais Essas mudanças contribuíram para o avanço de pesquisas na área da biotecnologia por meio do desenvolvimento de novas ferramentas de engenharia genética com o objetivo de obter uma melhor eficiência na produtividade reduzir os custos do processo e ao mesmo tempo ter o compromisso socioambiental Nesse bloco vamos estudar a utilização de microrganismos vivos em processos industriais com o objetivo de sintetizar metabólitos em larga escala para a obtenção de produtos e processos de interesse comercial ambiental e social a síntese de produtos ligados à área da saúde como a produção de antibióticos e vitaminas a evolução das ferramentas biotecnológicas aplicadas no setor agrícola para a obtenção de alimentos modificados geneticamente no combate as pragas e na melhoria dos processos garantido um alimento de melhor qualidade preocupandose com níveis adequados de segurança alimentar e ambiental 61 Crescimento Microbiano e seus Metabólitos A Microbiologia Industrial se utiliza de microrganismos cultivados em larga escala dedicados a síntese de produtos comerciais ou para a realização de importantes transformações químicas Teve a sua origem a partir de processos de fermentação alcoólica para a produção de vinho e cerveja sendo posteriormente na síntese de fármacos aditivos alimentares enzimas e produtos químicos como o próprio etanol MADIGAN 2010 115 Os produtos da microbiologia industrial podem corresponder ao próprio agente microbiano por exemplo as leveduras cultivadas para fins alimentícios além das substâncias produzidas pelas células Na microbiologia o crescimento é caracterizado como um aumento no número de células Cada célula microbiana apresenta um tempo de vida e para que a espécie seja mantida é necessário o crescimento contínuo de sua população A curva de crescimento microbiano quando ocorre em um sistema fechado em uma condição denominada cultura batelada apresenta as seguintes fases Fase Lag Quando uma população de bactérias for inoculada em um meio nutriente líquido o crescimento vai ocorrer somente após um período de adaptação podendo ser breve ou longo pois vai depender do histórico do inóculo e dos fatores ambientais envolvidos Fase Exponencial Fase em que ocorre um tempo de geração constante no número de organismos presentes na cultura Esse período varia de acordo com as condições ambientais do meio e pelas características genéticas do inóculo Geralmente a limitação do crescimento exponencial ocorre pelo consumo dos nutrientes presentes na cultura ou pelo acúmulo de substâncias tóxicas excretadas pelos agentes microbianos Fase Estacionária Corresponde a taxa zero de crescimento da cultura microbiana Nessa fase podem prosseguir o metabolismo energético processos biossintéticos e divisão celular mas não há o aumento da população microbiana havendo um equilíbrio entre a taxa de crescimento e a taxa de morte 116 Fase de Morte Quando uma população atinge a fase estacionária as células poderão permanecer vivas por um determinado período seguido posteriormente pela fase de morte e em muitas situações a lise celular Os principais representantes de seres vivos utilizados na microbiologia industrial são os fungos leveduras e bolores e determinados grupos de bactérias Com o avanço da biotecnologia novas técnicas foram aplicadas para a seleção de linhagens de microrganismos capazes de sintetizarem o produto em alta escala viabilizando economicamente o processo Os microrganismos utilizados nos processos industriais devem apresentar certas características como a capacidade de crescer e produzir o metabólito de interesse em escala industrial produzir esporos ou célula especial reprodutiva que possam ser inseridos em grandes fermentadores industriais apresentar um tempo de geração curto sintetizando o volume do produto desejado em um curto período capacidade de crescer em meio de cultura líquido sintetizar o metabólito esperado a um custo baixo não pode ser patogênico evitando a possível contaminação do produto e do meio externo ao fermentador e apresentar fácil manipulação do seu genoma para possibilitar a seleção de linhagens que favoreçam um produto de melhor qualidade e com um maior rendimento MADIGAN 2010 Na microbiologia industrial existem dois tipos de metabólitos de interesse Metabólitos primários Os metabólitos primários são produzidos durante a fase exponencial de crescimento microbiano O álcool etílico produzido por meio de processos de fermentação de leveduras e bactérias é considerado um típico produto proveniente do metabólito primário pois é originado simultaneamente ao crescimento microbiano 117 Metabólitos secundários Os metabólitos secundários são compostos extracelulares secretados no meio de cultura e os seus produtos são sintetizados próximo à fase final do crescimento microbiano e têm sido isolados e caracterizados principalmente para fins industriais Os fungos filamentosos são agentes biológicos que apresentam uma produção superior de biossíntese de grandes quantidades de metabólitos secundários comparados a outras classes de microrganismos O primeiro registro da produção de um metabólito fúngico importante foi a penicilina produzida pelo fungo pertencente ao gênero Penicillium e descoberto em 1928 pelo pesquisador inglês Alexander Fleming sendo posteriormente o primeiro antibiótico produzido em escala industrial SPECIAN 2014 Os metabólitos secundários apresentam as seguintes características A sua síntese é influenciada por condições ambientais parâmetros de fermentação como tempo temperatura pH e nutrientes e está intimamente dependente das condições de cultivo Geralmente são produzidos em grande escala São sintetizados durante o processo de esporulação por fungos e bactérias produtoras de esporos Em muitas situações são sintetizados diversos produtos químicos distintos mas que foram originados a partir de metabólitos estreitamente relacionados Geralmente os metabólitos secundários são constituídos por moléculas complexas que necessitam de uma série de reações químicas mediadas por enzimas para que possam ser sintetizados Podemos citar como exemplo a síntese do antibiótico tetraciclina que para serem produzidos 72 tipos de enzimas participam do processo Apesar dessas reações ocorrerem durante o metabolismo secundário os compostos iniciais que originam essas vias biossintéticas decorrem do metabolismo primário MADIGAN 2010 118 Alguns processos biotecnológicos exigem grandes investimentos portanto são vendidos a um preço elevado devido ao alto valor agregado por apresentar mão de obra qualificada e um nível avançado de tecnologia envolvida Nessa categoria podemos incluir os produtos da indústria farmacêutica do setor agrícola as enzimas os aminoácidos e as vitaminas Outra via biotecnológica que sintetizam produtos em grande escala mas que envolvem processos que necessitam de menores investimentos apresentam um valor agregado intermediário portanto um menor preço de mercado temos alguns tipos de solventes polímeros e ácidos orgânicos Nos dias atuais com o avanço tecnológico e a participação de grandes empresas no mercado da biotecnologia industrial alguns metabólitos merecem destaque na diversidade de pesquisas e no surgimento de novos produtos como os bioplásticos os biocombustíveis e as enzimas MALAJOVICH 2012 Como alguns dos principais metabólitos primários e secundários de grande interesse comercial podemos citar álcoois e Solventes Ácidos Orgânicos Aminoácidos Polissacarídeos Vitaminas Nucleotídeos e Nucleosídeos 62 Produtos Para Indústrias Ligadas à Saúde O interesse da microbiologia industrial está na aplicação de conhecimentos científicos básicos para o uso de agentes microbianos para a obtenção de produtos e processos de interesse comercial ambiental e social Dentre a diversidade de produtos de origem microbiológica fabricados comercialmente destacamos Antibióticos Os antibióticos são compostos naturais sintéticos ou semisintéticos sendo considerados metabólitos secundários típicos Os antibióticos naturais são produzidos pelos fungos e bactérias junto a outros compostos durante a fermentação 119 A produção biotecnológica de antibióticos consiste em processos fermentativos de alguns microrganismos como Penicillium spp e Streptomyces spp No caso da produção dos antibióticos semisintéticos como a penicilina G de maior valor industrial ocorrem os processos de fermentação e posteriormente purificação e alterações originadas por reações de química orgânica Apenas no século XIX descobriuse a possibilidade de alguns grupos de microrganismos serem responsáveis por doenças infecciosas O pesquisador francês Louis Pasteur ao realizar experimentos com bactérias participantes de processos fermentativos constatou uma ampla distribuição desses microrganismos no meio ambiente e desta forma contribuiu para o desenvolvimento de vacinas contra as doenças antraz cólera aviária e raiva Posteriormente na segunda metade do século XIX o médico alemão Robert Kock identificou microrganismos responsáveis por diversas doenças como tuberculose cólera e febre tifóide o que fizeram elaborar os postulados de Kock associando um microrganismo específico a uma doença específica OLIVEIRA et al 2016 Nesse mesmo período começava o desenvolvimento de pesquisas que estudavam agentes químicos que apresentassem atividade antibiótica No início do século XX o biólogo bacteriologista alemão Paul Ehrlich ao pesquisar a possibilidade de determinadas substâncias químicas serem utilizadas no combate a infecções desenvolveu o primeiro antibiótico de origem sintética derivado do arsênico no tratamento da sífilis O grande avanço no tratamento das infecções bacterianas ocorreu com a descoberta do bacteriologista Alexander Fleming ao observar uma cultura de estafilococos contaminados por um fungo Penicilium notatum identificou uma substância produzida pelo fungo que impedia o crescimento bacteriano Essa substância extraída do fungo denominada penicilina quando aplicada em animais demonstrou sua eficácia no combate a infecções bacterianas sendo introduzida como terapêutico somente nos anos 40 e após o processo de industrialização desse medicamento iniciouse um rápido crescimento na descoberta de novos antibióticos OLIVEIRA et al 2016 e MAJALOVICH 2016 120 Os avanços da biotecnologia contribuíram para o surgimento de novos antibióticos eficientes no combate as infecções causadas por agentes microbianos cada vez mais resistentes devido as rotas diversas de síntese e biossíntese dos antibióticos produzidos desde a primeira metade do século XX como a penicilina já citada a estreptomicina tetraciclina eritromicina dentre outros PEREIRA OLIVEIRA 2016 As matérias primas ideais para a produção de antibióticos são aquelas que oferecem um meio de cultura favorável para o crescimento do microrganismo responsável pela produção do antibiótico Os resíduos derivados da indústria agrícola como a água de milho arroz ou trigo e meios contendo glicose ou melaço são ricos em fontes de carbono e muito utilizados para a produção da penicilina Para a produção comercial do antibiótico utilizase fermentadores industriais de larga escala O processo utilizado é a fermentação submersa em que o agente microbiano produtor se desenvolve em meio líquido de cultura rico em nutrientes favorecendo a produção de metabólitos de forma rápida e obtendo uma maior produtividade LIMA et al 2001 A produção da penicilina G é realizada em fermentadores de 40000 200000 litros e consiste em um processo aeróbio com absorção de oxigênio A temperatura ótima para produção se encontra entre 2527⁰C e o pH do meio deve ser constante de 65 onde a fermentação leva cerca de 120 a 160 horas O processo se inicia com a utilização do inóculo de esporos em concentrações ideais para que ocorra a formação de pellets agregados de células que passam por etapas de crescimento até alcançar a etapa de produção onde o meio de cultura é alimentado com a quantidade ideal de nutrientes Por se tratar de um metabólito secundário durante a fase de crescimento pequenas quantidades de antibiótico são produzidas porém quando a fonte de carbono se aproxima da exaustão iniciase a produção da penicilina MADIGAN 2010 e LIMA et al 2001 Ao término da fermentação é necessário purificar o produto separando de forma eficiente o antibiótico excretado no meio de cultura e retirar a porção do antibiótico aderido ao micélio hifas celulares dos fungos por meio de adsorção troca iônica ou precipitação química para que se tenha a obtenção de um produto cristalino e de alta pureza MADIGAN 2010 e PEREIRA OLIVEIRA 2016 121 Aminoácidos Os aminoácidos consistem em uma categoria de composto orgânico bastante heterogêneo que possibilitam a manutenção da vida pois compõem a estrutura química das proteínas e possuem grande potencial para aplicações biotecnológicas Os aminoácidos apresentam uma estrutura geral que consiste em um grupo amina NH2 um grupo carboxílico COOH e uma cadeia lateral ou grupo R de dimensão e características variáveis ligados a um carbono saturado Na natureza existem 21 aminoácidos diferentes e eles se diferem entre si pelo radical R que varia de um tipo de aminoácido para outro Fonte Elaborado pelo autor Figura 61 Fórmula estrutural geral de um aminoácido Os aminoácidos são classificados em Essenciais São aqueles que não são sintetizados pelo organismo isoleucina leucina valina fenilalanina metionina treonina triptofano lisina e histidina Não Essenciais São aqueles que são sintetizados pelo organismo alanina ácido aspártico asparagina ácido glutâmico serina Semiessenciais ou precursores Sintetizados a partir de outros precursores presentes na dieta arginina glutaminaglutamato cisteína aspartato glutamina ácido glutâmico amônia glicina serina colina prolina glutamato tirosina fenilalanina 122 Esse composto orgânico pode ser produzido industrialmente por hidrólise de proteínas por síntese química ou por métodos biotecnológicos que incluem a catálise enzimática a semifermentação e a fermentação Alguns grupos de microrganismos são utilizados em pesquisas para a produção comercial de aminoácidos como bactérias E coli Brevibacterium flavum e espécies pertencentes aos gêneros Corynebacterium e Bacillus MADIGAN 2010 e MORAES 2014 Os aminoácidos são utilizados amplamente na indústria química como matéria prima na indústria alimentícia como os aditivos alimentares e no enriquecimento de ração animal na indústria farmacêutica como suplementos nutricionais e na produção de cosméticos Dentre os diversos tipos de aminoácidos utilizados na indústria alimentícia podemos citar como exemplo O ácido glutâmico para realçar o sabor dos alimentos O ácido aspártico e fenilalanina são dois importantes aminoácidos componentes do adoçante artificial aspartame e presentes em alimentos considerados de baixa caloria e livres de açúcar Os aminoácidos Lalanina são adicionados em sucos de frutas para melhorar o sabor e a Lcisteína tem ação antioxidante nos sucos de frutas e melhora a qualidade do pão durante a cocção A combinação entre os aminoácidos triptofano com a Lhistidina apresentam ação antioxidante evitando por exemplo a rancificação do leite em pó MADIGAN 2010 MORAES 2014 Vitaminas As vitaminas são constituídas por um grupo de moléculas orgânicas de diferentes classes químicas utilizadas como suplementos alimentares e ração animal sendo essenciais para a manutenção do metabolismo dos seres vivos Muitas vitaminas são produzidas em escala industrial por síntese química ou fermentação por meio da utilização de microrganismos 123 Dentre as vitaminas mais importantes obtidas exclusivamente por via biotecnológica temos Vitamina B2 riboflavina A riboflavina é uma vitamina de coloração amarelada produzida por síntese química ou fermentação Atualmente são utilizados na síntese dessa vitamina o fungo Ashbya gossypii e a bactéria Bacillus subtilis selecionados por meio de técnicas de engenharia genética para a obtenção de melhores linhagens e consequentemente otimização do processo A produção dessa vitamina é destinada para a produção de ração alimentos e produtos farmacêuticos MADIGAN 2010 e FELIPE BICAS 2016 Vitamina B12 cobalamina É produzida exclusivamente pelo processo de fermentação realizada por linhagens de microrganismos bacterianos selecionados da espécie Pseudomonas denitrificans e Propionibacterium freudernreichii Para obter grandes quantidades dessa vitamina utilizase no meio de cultura melaço de beterraba que contém a betaína substância estimuladora do processo e pequena quantidade de sais de cobalto A deficiência de vitamina B12 no ser humano promove a baixa produção de hemácias e distúrbios no sistema nervoso central Nos animais a obtenção da B12 ocorre via alimentação ou pela absorção dessa vitamina produzida por bactérias presentes na flora intestinal FELIPE BICAS 2016 63 Biotecnologia e Novos Alimentos Ao longo da história a biotecnologia revolucionou a agropecuária com tecnologias que permitiram identificar e selecionar genes responsáveis pela codificação de características benéficas contribuindo para o melhoramento genético vegetal e animal no desenvolvimento de produtos veterinários defensivos agrícolas e fertilizantes organominerais 124 Atualmente a pressão mundial relacionada à segurança alimentar e proteção ambiental cresce cada vez mais pois estimase que em 2050 a população mundial atingirá a marca de 9 bilhões de habitantes Nesse contexto novas ferramentas de biotecnologia aplicadas na área da agricultura têm contribuído na melhora dos níveis de segurança alimentar na criação de alimentos modificados geneticamente e na adoção de práticas agrícolas sustentáveis diminuindo a pressão sobre os recursos naturais DIA et al 2019 Dentre os estudos e biotecnologias aplicadas no setor agrícola que vêm ganhando importância nos últimos anos podemos citar Organismos Geneticamente Modificados OGMs As denominadas novas biotecnologias associadas à tecnologia de DNA recombinante permitiram a alteração de segmentos de genoma de qualquer organismo para favorecer a aquisição de características desejáveis dando origem aos Organismos Geneticamente Modificados OGMs A transgenia que permite a transmissão e expressão dos genes entre espécies diferentes tem gerado grande impacto nas pesquisas agropecuárias contribuindo para a obtenção de novas características agronômicas e nutricionais desejáveis nos cultivos de plantas e na criação de animais no aumento da eficiência produtiva e na maior resistência a pragas doenças e estresse ambiental CARRER 2010 et al GUIMARÃES PEREIRA 2019 Na área da biotecnologia houve um grande avanço em pesquisas que envolvem alterações no genoma da planta para a criação de vegetais resistentes a pragas temperaturas extremas e no aumento da capacidade de retenção de CO2 resultando em uma melhor eficiência do processo fotossintético Atualmente os estudos se concentram em conhecer com maior profundidade a ação de genes específicos e na produção de alterações genéticas em plantas com maior segurança e precisão 125 Além das plantas geneticamente modificadas houve a aplicação dessa tecnologia de alteração gênica em microrganismos que promovem relações simbióticas e em promotores de crescimento de plantas No caso dos organismos simbiontes como os rizóbios a finalidade principal da alteração dos genes está relacionada ao aumento da produtividade da cultura que se beneficia dessa relação ecológica simbiótica com o microrganismo absorvendo uma maior quantidade de nutrientes e aumentando a sua competitividade no meio ANDRADE NOGUEIRA 2005 A introdução desses OGMs plantas e microrganismos no meio ambiente embora tragam uma diversidade de benefícios para o setor agrícola podem ter efeitos adversos promovendo alterações na biota do solo e nos ciclos biogeoquímicos comprometendo os serviços ecossistêmicos O cultivo de plantas OGMs podem apresentar os seguintes riscos potenciais ao equilíbrio ambiental a O fluxo gênico para espécies selvagens pode se beneficiar de vantagens oferecidas pelo OGMs favorecendo o aumento das populações de erva daninhas b A população de organismos não alvo como a biota do solo e os insetos inimigos naturais presentes na cultura podem ser prejudicados pela introdução da planta ou microrganismo geneticamente modificado no solo colocando em risco a biodiversidade local c A introdução de novos genes no meio pode levar a extinção de população de espécies de plantas selvagens e no surgimento de novas cepas resistentes não controlados pelo homem BENEDITO FIGUEIRA 2005 A Lei de Biossegurança 1110505 determina normas de segurança e mecanismos de fiscalização de atividades que envolvam OGMs obrigando que qualquer organismo modificado geneticamente seja submetido a criteriosa avaliação feita pela Comissão Técnica Nacional de Biossegurança CTNBio instância colegiada responsável pelos critérios de avaliação dos OGM 126 Dentre as principais atribuições da CTNBio está propor a Política Nacional de Biossegurança estabelecendo normas técnicas de segurança e pareceres técnicos referentes à proteção da saúde humana dos organismos vivos e do meio ambiente para atividades que envolvam a construção experimentação cultivo manipulação transporte comercialização consumo armazenamento liberação e descarte de OGM e derivados CAPALBO 2016 Para disponibilizar produtos seguros obtidos pela biotecnologia à sociedade o manuseio de OGMs exige uma avaliação de biossegurança dos produtos gerados devido às incertezas sobre os impactos e efeitos desses transgênicos sobre a saúde do homem animais e meio ambiente Marcadores Moleculares O marcador molecular é definido como uma sequência de DNA que é diferente entre os organismos estudados essa diferença é chamada de poliformismo A utilização dessa ferramenta genômica se mostra de grande utilidade sobretudo em programas de melhoramento genético por meio da construção de genótipos que seriam dificilmente produzidos apenas com a seleção fenotípica na associação com genes de resistência contra pragas e agentes patogênicos na identificação de novos princípios ativos ou plantas que apresentam proteínas de uso na indústria de alimentos fármacos e cosméticos Edição de Genomas Nos dias atuais novas técnicas de manipulação genética denominadas Tecnologias de Melhoramento NTM estão em ascensão As técnicas de chamadas de nucleases TALENs transcription activatorlike effector nucleases mutagênese dirigida por oligonucleotídeos e CRISPR são exemplos de técnicas que envolvem a edição de genoma por meio da quebra do DNA e posterior reparação com as devidas alterações realizadas sem inserir no material genético genes de outras espécies Por exemplo utilizar essa nova tecnologia na criação de um vegetal com uma nova variação gênica sem possuir algum segmento genômico de outra espécie e que apresente qualidades superiores idênticos aos vegetais que lhes originaram DIAS et al 2019 127 Essas novas ferramentas biotecnológicas possuem a capacidade de delimitar sequências específicas de nucleotídeos da molécula de DNA eliminando genes fracos e inserindo características novas Atualmente a CRISPR consiste na tecnologia mais moderna pois ao utilizar sequência de RNA para guiar uma nucleasse Cas9 até o ponto específico da molécula de DNA que será alterada tem mostrado uma maior precisão e bons resultados para a edição de genes NEPOMUCENO 2017 FIGUEIREDO 2015 Controle biológico de pragas O RNA de interferência RNAi é uma nova técnica de engenharia genética que está sendo desenvolvida e pode ser aplicada no combate a pragas e no melhoramento genético das plantas O estudo se concentra na pulverização de uma solução contendo RNA em uma plantação de batatas As moléculas de RNA penetram no inseto praga denominado besourodabatata e se associam ao RNAm para desativar a expressão de um determinado gene responsável pela produção uma proteína sem a qual o inseto não sobrevive A principal vantagem apontada pela empresa norte americana Monsanto responsável pela pesquisa seria o desligamento da expressão gênica do organismo alvo praga não interferindo no genoma da planta encurtando o processo de aprovação da técnica e consequentemente reduzindo os custos do produto a ser comercializado Especialistas contrários a essa técnica acreditam que o RNA específico utilizado para inibir a ação gênica do besouro pode apresentar semelhança com RNAm do besouro e atingir outros insetos não pragas como os polinizadores Para garantir a aplicação dessa técnica com a segurança devida será necessário conhecer o genoma das espécies dos outros insetos importantes para o equilíbrio ecológico YANAGUI 2016 Outra biotecnologia desenvolvida para o combate de determinados insetospraga são as plantas Bt Pesquisadores identificaram a presença da bactéria Bacillus thuringiensis Bt que apresenta genes capazes de produzirem um tipo de proteína tóxica Cry para alguns tipos de insetos Isolaram o segmento de nucleotídeos produtores dessa proteína no DNA de plantas como a soja milho e algodão para que elas desenvolvessem resistência aos insetospraga Ao ingerirem a folha da planta geneticamente modificada e portadora do gene responsável pela produção da proteína a proteína se liga ao receptor de membrana das células intestinais do inseto provocando a sua morte 128 Muitas vantagens são obtidas na utilização dessa técnica como por exemplo A redução na aplicação de agrotóxicos O aumento na produtividade da lavoura Um melhor desenvolvimento da planta e qualidade da safra Uma menor exposição do agricultor aos defensivos agrícolas Uma redução do custo de produção Um ganho ambiental devido à menor aplicação de produtos químicos e a não emissão de CO2 na aplicação do herbicida Conclusão Tradicionalmente a aplicação da biotecnologia na indústria de alimentos resumiase a produção de pães queijos aditivos álcool e iogurte Com a evolução nas pesquisas e avanços nos processos biotecnológicos os microrganismos têm sido amplamente úteis para a humanidade e atualmente representam uma tecnologia promissora em diversos ramos da biotecnologia sendo utilizados nos mais diversos processos microbiológicos industriais nas áreas da saúde alimentar têxtil e de tratamento de resíduos Na agricultura a criação de novas ferramentas na área da biotecnologia revolucionou o setor no país na seleção de genes que expressam características genéticas benéficas no combate as pragas e no aumento da produtividade contribuindo para o desenvolvimento de uma agricultura sustentável e na preservação dos recursos naturais REFERÊNCIAS ANDRADE G NOGUEIRA MA Organismos geneticamente modificados e grupos funcionais de microrganismos dos solos Biotecnologia Ciência e Desenvolvimento n 34 2005 129 BENEDITO V A FIGUEIRA A V O Efeitos Potenciais da introdução de plantas transgênicas Biotecnologia Ciência e Desenvolvimento n 34 2005 CAPALBO D M F JONSSON C M MENDES R PENTEADO A L PRADO S S DUARTE R C M Manual de biossegurança da Embrapa Meio Ambiente boas práticas na manipulação e condução de experimentos com organismos geneticamente modificados OGM Jaguariúna Embrapa Meio Ambiente 2016 CARRER H BARBOSA A L RAMIRO D A Biotecnologia na agricultura Estud Av vol24 n70 São Paulo 2010 DIAS G SILVA M CARNEIRO P Engenharia genética de precisão status atual e perspectivas regulatórias para as novas ferramentas de melhoramento genético Céleres Your Agribusiness Intelligence 2019 FELIPE L O BICAS J L O mercado de bioaditivos para a indústria de alimentos Revista Processos Químicos p2538 2016 GUIMARÃES D D PEREIRA J P O Agropecuária Panorama Setorial 20152018 BNDES 2019 GUIMARÃES D O MOMESSO L S PUPO M T Antibióticos importância terapêutica e perspectivas para a descoberta e desenvolvimento de novos agentes Quím Nova vol33 n3 São Paulo 2010 MADIGAN M T MARTINKO J M DUNLAP P V CLARK D P Microbiologia de Brock Porto Alegre Artmed 2010 MALAJOVICH M A Biotecnologia 2011 Rio de Janeiro Edições da Biblioteca Max Feffer do Instituto de Tecnologia ORT 2012 MORAES L P Produção do ácido ɣpoliglutâmico a partir dos subprodutos como o glicerol e o melaço e estudo posterior de sua hidrólise Tese de Doutorado Universidade Estadual de Campinas Campinas 2014 130 NEPOMUCENO A Próxima fronteira tecnológica da agricultura CIB Conselho de Informações em Biotecnologia 2017 PEREIRA EL OLIVEIRA AFA A produção de antibióticos por processos fermentativos aeróbios Revista da Universidade Vale do Rio Verde Três Corações v 14 n 2 p 10581078 2016 SPECIAN V ORLANDELLI R C FELBER A C AZEVEDO PAMPHILEA J A Metabólitos Secundários de Interesse Farmacêutico Produzidos por Fungos Endofíticos UNOPAR Cient Ciênc Biol Saúde 16434551 2014 VASCONCELOS M J V FIGUEIREDO J E F Tecnologia CRISPRCas para Edição Genômica Documentos 197 Embrapa Sorgo e Milho 2015 YANAGUI K Novas Tecnologias novos desafios Notícias do Brasil Biotecnologia Cienc Cult Vol68 n3 São Paulo 2016