O ser humano utiliza-se de processos biotecnológicos como fermentação desde aproximadamente 7.000 a.C., na produção de alimentos como pão e cerveja, considerada essencial no desenvolvimento da raça humana. As primeiras tentativas de explicar sua fenomenologia foram baseadas no engenhoso conceito de geração espontânea elaborado por Aristóteles que persistiu por mais de 2.000 anos (BEM-MENAHEM, 2009).
O pensamento racional acerca da existência de micro-organismos envolvidos no processo iniciou-se em 1665 pelas primeiras observações obtidas através de avanços no desenvolvimento de microscópios, sobretudo por Antonie Van Leeuwenhoek e Robert Hooke (GEST, 2004). Porém, foi apenas no século XIX que Louis Pasteur demonstrou de maneira inequívoca a existência de seres
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microscópicos responsáveis pela transformação química e biológica dos materiais frescos (BOURDICHON et al., 2012). Até a primeira guerra mundial, apenas o etanol era produzido em escala comercial, contudo a partir do começo do século XX, tecnologias relacionadas à produção microbiana de biomoléculas como enzimas, antibióticos, metabólitos, polímeros, etc., foram se desenvolvendo consideravelmente (CHOJNACKA, 2009). Atualmente, micro-organismos são utilizados para produção de uma ampla variedade de produtos de interesse comercial tais como pesticidas, fertilizantes, aditivos alimentares, fármacos, combustíveis e, em especial biopolímeros. Estas aplicações permitiram um grande desenvolvimento no mercado global, sendo estimado em 250 bilhões de dólares em 2013 (ÖNER, 2013).
Na natureza, os biopolímeros são componentes do processo de desenvolvimento dos micro-organismos. Apresentam papéis importantes na manutenção da viabilidade celular pelo acúmulo de nutrientes, pela proteção a certos fatores abióticos e no reconhecimento intra- e interespecífico (ÖNER, 2013). A primeira descoberta, isolamento e caracterização química confiável de um polímero bacteriano foi feita em meados do século XIX, quando Louis Pasteur identificou a dextrana como sendo um produto de origem microbiana em vinho (PASTEUR, 1861). Desde então, diversos polímeros de origem microbiana têm sido amplamente estudados, alguns até com aplicações comerciais e produção em escala industrial. A tabela 1.3 apresenta alguns dos polímeros microbianos.
Por serem de origem natural e oriundo de organismos vivos, estes biopolímeros tendem a ser também biodegradáveis, pois apresentam anabolismo e catabolismo naturalmente mediado por suas próprias rotas enzimáticas, tornando-os alternativas interessantes para materiais utilizados em grande escala e/ou em aplicações descartáveis. Ademais, polímeros microbianos são constituídos de moléculas naturais não tóxicas consideradas inerentemente biocompatíveis, qualidade esta que permitiu aplicações destes polímeros como armação ou matriz para engenharia de tecidos, curativos ou para dispositivos de liberação seletiva e controlada de fármacos (TANAKA et al., 2015). Alguns destes polímeros são gradativamente degradados in vivo, tornando-os bem adequados para aplicações de entrega de fármacos e reposição de tecidos.
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TABELA 1.3 - Polímeros produzidos por micro-organismos. Adaptado de REHM, 2010
Classe/Polímero Estrutura Primária Componentes Produtores Aplicações industriais
Poliamidas
Cianoficina Heteropolímero constituído de
dipeptideos Aspartato e arginina
Cianobactéria, Acinetobacter
spp. e Desulfitobacterium spp. Dispersante e amolecedor de água Poli-γ-glutamato Homopolímero Glutamato Bacillusnucleatum spp., Fusobacterium , e Natrialba
aegyptiaca
Substituto de poliacrilato, espessante, umectante e
cosmético Polianidrido
Polifosfato Homopolímero Fosfato Bactéria e Archaea Intensificador de sabor
Poliéster Polihidroxi-
alcanoatos Heteropolímero
(R)-3-
hidroxiácidos Bactéria e Archaea
Bioplástico, biomaterial p/ aplicações médicas Polissacarídeos
Alginato
Heteropolímero β-
(1,4)-ligado Ácido Manurônico e
Ácido Gulorônico Algas, Pseudomonas spp. e Azotobacter spp.
Biomaterial para engenharia de tecido e entrega controlada
de fármacos
Curdlana Homopolímero (1,3)-ligado β- Glicose Agrobacterium spp. e Cellulomonas spp. spp., Rhizobium espessante, estabilizante ou Aditivo de comida como gelificador
Ácido Hialurônico Heteropolímero (1,4)-ligado β- Ác. Glucorônico e N-acetil Glucosamina
Streptococcus spp. e Pasteurella
multocida
Cosméticos, reparo de tecidos humanos e entrega de
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Quando se faz a comparação entre polímeros microbianos e polímeros não renováveis baseados em petróleo, o custo de produção se torna um parâmetro crucial. Os custos de produção podem ser atrelados ao valor da matéria-prima, ao rendimento do polímero relativo à quantidade de fonte de carbono fornecida, assim como as etapas subsequentes do processamento como diversos processos de separação de biomassa e purificação do polímero, que são delineadas pela aplicação final do produto (RHEM, 2010). Entretanto, biopolímeros derivados de recursos naturais apresentam vantagens competitivas devido a sua produção sustentável usando recursos renováveis, sua biodegradabilidade, e muitas vezes, a sua biocompatibilidade.
Dentre algumas soluções para aumentar a viabilidade do processo e produção de biopolímeros, uma das mais promissoras é a redução do custo da matéria prima, com o uso de uma ampla diversidade de materiais considerados resíduo ou subproduto de processos já estabelecidos, que podem ser elencados a condição de matéria-prima renovável para a produção destes produtos finais se inserido dentro do processo. A grande maioria destes subprodutos é derivada diretamente da agricultura ou de processos industriais resultantes do beneficiamento destes produtos agrícolas (SOLAIMAN et al. 2006).
Outro ponto a ser considerado é a utilização de organismos que possuam alta eficiência na conversão destes substratos em produtos de interesse biotecnológico. É comum encontrar a produção de um ou mais tipos de biopolímeros em qualquer espécie bacteriana estudada, porém apenas alguns poucos organismos apresentam uma capacidade metabólica para produção em volume economicamente viável. Sabe-se que as bactérias são os seres com mais ampla distribuição geográfica e populacional, sendo onipresentes em nosso planeta e virtualmente encontradas em todos os ambientes. Num trabalho publicado por WHITMAN et al. (2015), os autores descrevem que existem cerca de 12.000 espécies bacterianas identificadas. Contudo, SCHOLSS e HANDELSMAN (2004) estimam que o número de espécies existentes possa ser superior a um milhão, o que indica que uma grande quantidade de micro-organismos ainda estão fora do alcance de exploração biotecnológica.
Esta grande diversidade de procariotos pode ser muito bem constatada tanto qualitativa quanto quantitativamente quando se avalia as comunidades
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microbianas presentes nos mais variados ambientes. A este coletivo de micro- organismos relacionados a um local dá-se o nome de microbioma (DILLON e DILLON, 2004). Pode-se observar uma grande variação no microbioma entre os diferentes locais em praticamente todo local, como ilustra a Figura 1.7.
FIGURA 1.7 - Comunidades microbianas relacionadas a diversos ambientes (LEY et
al., 2006).
A pequena porcentagem de bactérias descritas e a riqueza encontrada nos mais diversos ambientes incentivam a exploração de novos locais, que podem nos levar ao isolamento de cepas de espécies conhecidas com excelente potencial, bem como novas espécies de organismos que inclusive sejam capazes de produzir novos materiais. Um ambiente que apresenta uma grande diversidade, bem como uma infinidade de indivíduos para serem avaliados, são os micro-organismos associados a animais superiores, tais como bactérias associadas ao trato digestivo de insetos.
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