Obtenção e identificação de grânulos de polihidroxialcanoatos (PHA) presentes em biomassa de um reator descontínuo sequencial (SBR) com tratamento de águas residuais

As implicações ambientais dos plásticos convencionais, produzidos através de combustíveis fósseis, não permitem a sua utilização de forma sustentável pela sociedade devido aos seus problemas de degradabilidade e à sua dependência de matérias-primas não renováveis. Surgem então os polihidroxialcanoatos (PHA) como uma alternativa ambientalmente sustentável, já que conseguem reproduzir grande parte das aplicações dos plásticos ditos normais, tendo as grandes vantagens de serem biodegradáveis e produzidos a partir de uma fonte de carbono renovável. Mais recentemente, de forma a tornar a produção do PHA mais sustentável, tem-se desenvolvido o conceito de associar a produção destes polímeros ao tratamento de efluentes líquidos através do processo de lamas ativadas. Apesar destas vantagens todo o processo que envolve a produção do PHA é ainda dispendioso. Esta dissertação insere-se na estratégia de tentar minorar esses custos. Uma das formas de o fazer será na otimização de técnicas de quantificação do PHA em culturas mistas. Neste trabalho o principal objetivo reside na avaliação da capacidade da metodologia de análise de imagem, acoplada a microscopia de fluorescência, como método de quantificação de PHA. Pretende-se também explorar a produção de PHA a partir da simulação de um sistema de tratamento de águas residuais implementado num reator descontínuo sequencial (SBR) em regimes cíclicos de feast/famine, aliando assim a função de tratamento de efluentes líquidos com a produção de um produto de valor acrescentado como é o PHA. Deste modo, foi montada uma instalação com um sistema de lamas ativadas num SBR cujo principal objetivo era produzir PHA. Este objetivo de produzir PHA através do regime de alimentação dinâmica aeróbia com uma alimentação com acetato como fonte de carbono, e sem controlo do pH foi conseguido, atingindo-se um máximo de concentração mássica de 0,37 mg PHA/mg SST e de concentração volumétrica de 1785 mg PHA/L. Em relação à capacidade de tratamento, comprovou-se a adequabilidade do sistema utilizado para a remoção da carga orgânica devido a uma elevada captação de nutrientes do afluente pela biomassa. Foram encontradas algumas limitações na metodologia de análise de imagem ao nível da transformação da bidimensionalidade da área projetada dos grânulos de PHA nas imagens para a sua tridimensionalidade real, na gama de concentração de PHA na qual a metodologia é válida e na amostragem relativamente curta. Contudo, foi possível comprovar a potencialidade deste método obtendo-se um R2 de 0,80 para o modelo de previsão da concentração mássica de PHA. Deste modo, pode-se concluir que esta é uma metodologia promissora para quantificar PHA em amostras de licor misto.

Optimização da produção biológica de polihidroxialcanoatos por aplicação de processos de separação com membranas

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Biovalorização de soro de queijo por processos anaeróbios/aeróbios

Este trabalho abordou a valorização de um subproduto da indústria de lacticínios (soro de queijo) através da alteração do funcionamento de processos habitualmente utilizados no contexto do tratamento biológico. Foi avaliada a fermentação acidogénica deste subproduto para maximizar a conversão do seu elevado teor de matéria orgânica em ácidos orgânicos voláteis (AOV) que actualmente são produtos com elevada procura, nomeadamente para produção de polihidroxialcanoatos (PHA). Em ensaios descontínuos e semi-contínuos foi caracterizada a produção e composição de AOV a partir de soro de queijo variando a razão food-to-microorganism (F/M) e a concentração de alcalinidade. Recorrendo à modelação dos resultados através de superfícies de resposta, demonstrou-se que condições de F/M = 4 gCQO g-1SSV combinadas com uma adição elevada de alcalinidade (8 g L-1 expresso como CaCO3) resultaram na conversão de 72% da CQO alimentada em AOV. O acetato e o butirato foram os AOV predominantes (60%), mas elevadas razões F/M combinadas com elevadas alcalinidades promoveram o alongamento da cadeia carboxílica, tendo sido produzidos AOV de maior massa molecular (iso-valerato e n-caproato). O processo de fermentação acidogénica foi posteriormente desenvolvido em modo contínuo num reactor MBBR acidogénico operado a longo prazo. Cargas orgânicas entre 30 e 50 gCQO L-1d-1 permitiram obter um grau de acidificação máximo de 68% no efluente fermentado. Foi ainda demonstrado que uma adição dinâmica de alcalinidade (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) nestas condições estimulou a produção de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) até 42%. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi usado como substrato em reactores SBR operados para selecção de culturas microbianas mistas acumuladoras de PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica em condições aeróbias (“fartura-fome”). Estes sistemas operaram também a longo prazo, e demonstraram ser capazes de remover mais de 96% da CQO alimentada e simultaneamente convertê-la em PHA, até 36% do peso celular seco. A velocidade de remoção de substrato (valor máximo de 1,33 gCQO g-1SSV h-1) foi proporcional ao teor de polímero acumulado, evidenciando o estabelecimento de uma fase de “fome” prolongada que estimulou a selecção de microrganismos com elevada capacidade de acumulação de PHA. Além disso, o teor molar de hidroxivalerato (HV) no copolímero produzido [P(HB-co-HV)] foi directamente proporcional ao teor de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) presente no soro fermentado que serviu de substrato. Uma estratégia de operação do reactor SBR com variação da carga orgânica, aliada ao regime “fartura-fome” estabelecido, permitiu ainda simular a realidade dos processos de tratamento biológico de efluentes, nos quais a composição e concentração inicial de matéria orgânica variam frequentemente. Este modo de operação do sistema estimulou notavelmente o processo de selecção de culturas acumuladoras de PHA tendo resultado num aumento da acumulação de PHA de 7% para 36%. Os resultados demonstraram com sucesso a possibilidade de valorização do soro de queijo através de eco-biotecnologia, contribuindo para uma mudança de paradigma no tratamento convencional de efluentes: ao invés de serem eliminados enquanto poluentes, os componentes orgânicos presentes neste subproduto industrial podem assim ser convertidos em materiais de valor acrescentado.

Produção de biopolímeros por culturas microbianas mistas selecionadas

Com a realização deste trabalho, pretendeu-se efetuar uma seleção de culturas mistas em reatores semi-descontínuos (SBR) com capacidade de acumulação de polihidroxialcanoatos (PHA). Para a seleção de culturas foram utilizados inóculos provenientes de diferentes Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e ácidos orgânicos voláteis (AOV) como fonte de carbono. Foram testadas diferentes condições como a proveniência do inóculo, as cargas orgânicas aplicadas e a seleção de culturas utilizando soro de queijo. Verificaram-se elevadas remoções da CQO (acima de 90%) em grande parte dos ensaios realizados, apresentando uma acumulação de PHA por parte de algumas espécies de bactérias presentes. Ocorreu o aparecimento de microrganismos filamentosos com capacidade de acumulação de PHA em alguns ensaios, levando a serem testadas como culturas acumuladoras de PHA. A estabilidade das culturas mistas não foi atingida, mesmo havendo ensaios com 80 dias de operação. Efetuaram-se ensaios de acumulação de PHA em reatores descontínuos, utilizando as culturas selecionadas anteriormente em reatores SBR, com AOV provenientes da acidificação anaeróbia de diferentes resíduos (Fração Orgânica dos Resíduos Sólidos Urbanos - FORSU e Soro de Queijo). Verificou-se uma melhor acumulação por parte das culturas selecionadas com soro de queijo, na qual a quantidade de polímero acumulado triplicou.

Production of bioplastics from hydrolysates of paper industry by Haloferax mediterranei

The biorefinery concept has attracted much attention over the last decade due to increasing concerns about the use of fossil resources. In this context emerged the use of bioplastics, namely polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA are biocompatible and biodegradable plastics that can be obtained from renewable raw materials and can constitute an alternative solution to conventional plastics. In this work, hydrolysed cellulose pulp, coming from Eucalyptus globulus wood cooking, was used as substrate to the PHA-storing bacteria Haloferax mediterranei. The hydrolysed pulp is rich in simple sugars, mainly glucose (81.96 g.L-1) and xylose (20.90 g.L-1). Tests were made in defined medium with glucose and xylose and in hydrolysate supplemented with salts and yeast extract. Different concentrations of glucose were tested, namely 10, 15, 20, 30 and 40 g.L-1. The best accumulation results (27.1 % of PHA) were obtained in hydrolysate medium with 10 g.L-1. Using this concentration, assays were performed in fed-batch and sequencing batch reactor conditions in order to determine the best feeding strategy. The strategy that led to the best results was fed-batch assay with 24.7 % of PHA. An assay without sterile conditions was performed, in which was obtained the same growth than in sterilization test. Finally it was performed an assay in a bioreactor and a fast growth (0.14 h-1) with high glucose and xylose consumption rates (0.368 g.L-1.h-1 and 0.0947 g.L-1.h-1, respectively) were obtained. However 1.50 g.L-1 of PHA, corresponding to 16.1 % (92.52 % of 3HB and 3HV of 7.48 %) of % PHA were observed. The polymer was further characterized by DSC with a glass transition temperature of -6.07 °C, a melting temperature of 156.3 °C and a melting enthalpy of 63.07 J.g-1, values that are in accordance with the literature. This work recognizes for the first time the suitability of the pulp paper hydrolysate as a substrate for PHA production by H. mediterranei.

Estudo da produção de metabólitos por Pseudomonas aeruginosa: Ramnolipídios e Polihidroxialcanoatos (PHAs)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Polihidroxialcanoatos (PHAs): bioprospecção de micro-organismos e produção a partir de glicerol

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Advances on the production of polyhydroxyalkanoates (PHA) by mixed microbial cultures from sugar cane molasses

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

PHA(MCL) biosynthesis systems in Pseudomonas aeruginosa and Pseudomonas putida strains show differences on monomer specificities

The production of PHA from plant oils by Pseudomonas species soil isolated from a sugarcane crop was evaluated. Out of 22 bacterial strains three were able to use efficiently plant oils to grow and to accumulate PHA. Pseudomonas putida and Pseudomonas aeruginosa strains produced PHA presenting differences on monomer composition compatible with variability on monomer specificity of their PHA biosynthesis system. The molar fraction of 3-hydroxydodecanoate detected in the PHA was linearly correlated to the oleic acid supplied. A non-linear relationship between the molar fractions of 3-hydroxy-6-dodecenoate (3HDd Delta(6)) detected in PHA and the linoleic acid supplied was observed, compatible with saturation in the biosynthesis system capability to channel intermediate of P-oxidation to PHA synthesis. Although P. putida showed a higher 3HDd Delta(6) yield from linoleic acid when compared to P. aeruginosa, in both species it was less than 10% of the maximum theoretical value. These results contribute to the knowledge about the biosynthesis of PHA with a controlled composition from plant oils allowing in the future establishing the production of these polyesters as tailor-made polymers. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Análise do polímero PHA em Saccharomyces cerevisiae recombinante : superexpressão de phaG, e a contribuição in vivo das enzimas auxiliares envolvidas na beta-oxidação de ácidos graxos insaturados em peroxissomos

Os polímeros do tipo poli-hidroxialcanoatos (PHAs) são poliésteres bacterianos que apresentam as propriedades de termoplásticos e elastômeros biodegradáveis. A síntese deste polímero em plantas de interesse agroindustrial tem sido vista como uma área promissora dentro da biotecnologia de polímeros para a produção em grande escala com baixos custos. Contudo, esta tarefa requer o aprimoramento de diferentes metodologias bioquímicas e moleculares, além de maximizar os processos de extração destes polímeros biológicos. A produção de PHAs em peroxissomos ou no citoplasma de Saccharomyces cerevisiae, por meio da expressão de uma PHA-sintase bacteriana, pode servir como indicador e modulador do fluxo de carbonos que percorre vias biossintéticas como a síntese de novo de ácidos graxos e a β-oxidação. Esta levedura tem sido usada como eucarioto modelo para manipular as rotas envolvidas na síntese de PHAs do tipo MCL (PHA com um número médio de carbonos), um polímero menos cristalino e com menor ponto de fusão quando comparado ao PHA-SCL (PHA com um número pequeno de carbonos). A enzima PhaG (3-hidroxidecanoil-ACP-CoA transacilase) é responsável pela conexão entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em bactérias do gênero Pseudomonas, em meios de cultura contendo uma fonte de carbono nãorelacionada como gliconato, etanol ou acetato. Para tentar estabelecer esta rota metabólica em S. cerevisiae, o presente trabalho avaliou a coexpressão de PhaGPa e PhaC1Pa (PHA-sintase) de P. aeruginosa para a síntese de PHA-MCL a partir de uma fonte de carbono não-relacionada em leveduras. Contudo, a presença de PhaGPa não alterou a composição ou a quantidade de PHA-MCL em relação à cepa controle contendo apenas PhaC1Pa citoplasmática ou direcionada ao peroxissomo, independentemente da fonte de carbono utilizada (rafinose ou ácido oléico). Este resultado permite sugerir que a ligação entre a síntese de ácidos graxos e a produção de PHA-MCL em S. cerevisiae não foi estabelecida, provavelmente devido à ausência de algum passo enzimático que limita o desvio de substratos da síntese de ácidos graxos para a produção de PHA-MCL em organismos que não são capazes de acumular naturalmente este polímero quando cultivados em fontes de carbono não-relacionadas.A levedura S. cerevisiae tem sido usada como um sistema modelo para estudar a β-oxidação de ácidos graxos insaturados em peroxissomos. A produção de PHA-MCL pela expressão de PhaC1Pa em peroxissomos de cepas selvagens e mutantes nulos de S. cerevisiae para as enzimas auxiliares da β-oxidação (Eci1p, Sps19p e Dci1p), multiplicadas em meio de cultivo contendo um ácido graxo insaturado como fonte de carbono, permitiu monitorar o fluxo de carbonos que percorre as vias dependente de isomerase, redutase e di-isomerase. Desta forma, o presente estudo permitiu avaliar a β- oxidação in vivo dos ácidos graxos linoléico conjugado, 9-cis,11-trans-CLA (ácido rumênico) ou 10-cis,13-cis-nonadecadienóico, para determinar a contribuição das vias alternativas na degradação destes substratos pela utilização de cepas selvagens, mutantes nulos e linhagens contendo um plasmídio multicópia para os genes ECI1 (Δ3- Δ2-enoil-CoA isomerase), SPS19 (2,4-dienoil-CoA redutase) e DCI1 (Δ3,5-Δ2,4-dienoil- CoA isomerase). As linhagens selvagens foram capazes de sintetizar PHA-MCL quando cultivadas em ácido rumênico, mas a atividade da enzima Eci1p foi essencial para a degradação deste CLA, indicando que a via dependente de isomerase é a única rota in vivo necessária para a β-oxidação do ácido rumênico em peroxissomos de S. cerevisiae. A contribuição da enzima di-isomerase (Dci1p) para a degradação do ácido 10- cis,13-cis-nonadecadienóico foi avaliada em cepas selvagens, mutantes nulos dci1Δ e linhagens de S. cerevisiae contendo os plasmídeos multicópia. De acordo com o conteúdo e a quantidade de PHA formado, a β-oxidação de ácidos graxos cisinsaturados em um carbono ímpar é, in vivo, independente da di-isomerase. Embora este resultado possa indicar o mesmo padrão de envolvimento de Dci1p na degradação de ácidos graxos cis-insaturados em um carbono ímpar em mitocôndrias de mamíferos, esta via alternativa deve ser mais bem investigada em eucariotos superiores.

Purification of a PHA-Like chitin-binding protein from Acacia farnesiana seeds: A time-dependent oligomerization protein

A lectin-like protein from the seeds of Acacia farnesiana was isolated from the albumin fraction, characterized, and sequenced by tandem mass spectrometry. The albumin fraction was extracted with 0.5 M NaCl, and the lectin-like protein of A. farnesiana (AFAL) was purified by ion-exchange chromatography (Mono-Q) followed by chromatofocusing. AFAL agglutinated rabbit erythrocytes and did not agglutinate human ABO erythrocytes either native or treated with proteolytic enzymes. In sodium dodecyl sulfate gel electrophoresis under reducing and nonreducing conditions, AFAL separated into two bands with a subunit molecular mass of 35 and 50 kDa. The homogeneity of purified protein was confirmed by chromatofocusing with a pI=4.0+/-0.5. Molecular exclusion chromatography confirmed time-dependent oligomerization in AFAL, in accordance with mass spectrometry analysis, which confers an alteration in AFAL affinity for chitin. The protein sequence was obtained by a liquid chromatography quadrupole time-of-flight experiment and showed that AFAL has 68% and 63% sequence similarity with lectins of Phaseolus vulgaris and Dolichos biflorus, respectively.

Expressão e análise de proteínas recombinantes de Xanthomonas axonopodis pv. citri em E. coli, visando análise estrutural por cristalografia

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

IMMUNOLOGICAL AND CYTOLOGICAL INVESTIGATION OF GAMMA INTERFERON PRODUCTION IN HUMAN T-LYMPHOCYTES INDUCED BY PMA AND PHA (IMMUNOGOLD, CELL CYCLE ANALYSIS)

The present study examined cellular mechanisms involved in the production and secretion of human (gamma)IFN. The hypothesis of this investigation was that (gamma)IFN is an export glycoprotein whose synthesis in human T lymphocytes is dependent on membrane stimulation, polypeptide synthesis in the rough endoplasmic reticulum, packaging in the Golgi complex, and release from the cell by exocytosis.^ The model system for this examination utilized T lymphocytes from normal donors and patients with chronic lymphocytic leukemia (CLL) induced in vitro with the tumor promoter, phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) and the lectin, phytohemagglutinin (PHA) to produce (gamma)IFN. This study reconfirmed the ability of PMA and PHA to synergistically induce (gamma)IFN production in normal T lymphocytes, as measured by viral inhibition assays and radio-immunoassays for (gamma)IFN. The leukemic T cells were demonstrated to produce (gamma)IFN in response to treatment with PHA. PMA treatment also induced (gamma)IFN production in the leukemic T cells, which was much greater than that observed in similarly treated normal T cells. In these same cells, however, combined treatment of the agents was shown to be ineffective at inducing (gamma)IFN production beyond the levels stimulated by the individual agents. In addition, the present study reiterated the synergistic effect of PMA/PHA on the stimulation of growth kinetics in normal T cells. The cell cycle of the leukemic T cells was also responsive to treatment with the agents, particularly with PMA treatment. A number of morphological alterations were attributed to PMA treatment including the acquisition of an elongated configuration, nuclear folds, and large cytoplasmic vacuoles. Many of the effects were observed to be reversible with dilution of the agents, and reversion to this state occurred more rapidly in the leukemic T cells. Most importantly, utilization of a thin section immuno-colloidal gold labelling technique for electron microscopy provided, for the first time, direct evidence of the cellular mechanism of (gamma)IFN production and secretion. The results of this latter study support the idea that (gamma)IFN is produced in the rough endoplasmic reticulum, transferred to the Golgi complex for accumulation and packaging, and released from the T cells by exocytosis. ^