Phycobiliproteins accumulation in a cyanobacterium isolated from an extreme environment

• Autor(a) principal: Castelo, Antonio Vargas
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/14893
• topic: Antiviral; Antibacteriana; Antifúngica e anticarcinogênica; Processos biotecnológicos; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias

Desde o século passado, tem-se procurado formas alternativas e sustentáveis para minimizar os problemas relacionados ao desenvolvimento industrial, como o uso de substâncias tóxicas em diferentes aplicações e a escassez de recursos não renováveis. Por isso, a produção de moléculas bioativas através de processos biotecnológicos têm recebido crescente atenção. Essas substâncias são consideradas compostos notáveis, sintetizados por organismos em cultivos, ao final da fase de crescimento exponencial e início da fase estacionária. Diferentes tipos de micro-organismos podem ser utilizados para a produção das moléculas bioativas, como cianobactérias e microalgas. Alguns deles são capazes de produzir metabólitos secundários, incluindo vitaminas, toxinas e compostos farmacêuticos, com demonstrada atividade antiviral, antibacteriana, antifúngica e anticarcinogênica. Além disso, cianobactérias também têm sido utilizadas como fontes alternativas de energia ou como fertilizantes. Nesse sentido, fica evidente o interesse econômico nesses micro-organimsos para a produção de colorantes naturais para alimentos e pigmentos para cosméticos, substituindo os compostos sintéticos usados em batons, delineadores e outros produtos. Cianobactérias são considerados os mais antigos micro-organismos fotossintetizantes encontrados na Terra. Eles habitam diversos ambientes, como água salgada, salobra e doce, em fontes termais e frias, e ambientes que não podem ser colonizados por outras microalgas. Além disso, elas são encontradas em ambientes extremos, como vulcões, desertos e na Antártica. A sobrevivência das cianobactérias em tais ambientes inóspitos é possível graças a vias metabólicas singulares, que podem ter importantes aplicações biotecnológicas. Chroococcidiopsis sp. é uma cianobactéria cuja filogenia ainda está sendo investigada, isolada do Deserto do Atacama, no Chile, pelo grupo de pesquisa da Universidade de Huelva. O Deserto do Atacama é caracterizado por condições ambientais extremas e é considerado o deserto mais árido do mundo, com condições semelhantes a Marte. Para se proteger da elevada radiação ultravioleta e dessecação Chroococcidiopsis sp. desenvolveu estratégias adaptativas de sobrevivência ao ambiente hostil. Nesse sentido, Chroococcidiopsis sp. habita o interior de rochas calcárias, sendo então caracterizadas como cianobactérias endolíticas. Outra características tornam essa linhagem de cianobactéria interessante do ponto de vista biotecnológico, como halotolerância e a sua capacidade de sobreviver em ambientes com restrição de nutrientes e luz. De uma forma geral, micro-organismos encontrados em ambientes extremos, com elevada dessecação e radiação ultravioleta, produzem substâncias como scitonemina, micosporina, exopolissacarídeos (EPS), carotenoides e ficobiliproteínas para se proteger dos danos associados a essas condições ambientais. Devido à importância das ficobiliproteínas no mercado mundial atual, o presente projeto focou na produção dessas moléculas pela Chroococcidiopsis sp. Ficobiliproteínas são pigmentos fluorescentes que ocorrem nos ficobilissomos. Existem três diferentes tipos de ficobiliproteínas: a ficocianina (PC), de cor azul; a aloficocianina (APC), de cor azul-esverdeada; a ficoeritrina (PE) e a ficoeritrocianina (PEC), ambas de cor vermelha. Todas elas apresentam picos diferentes de absorção e emissão no espectro de radiação fotossinteticamente ativa e a cianobactéria é capaz de alterar as suas abundâncias em resposta a diferentes fontes de estresse abiótico (luz, pH, nitrogênio, entre outros). Considerando-se que: (1) fontes abióticas de estresse como luz, temperatura, nitrogênio, salinidade, pH e metais pesados (como Cu (II) e Fe(II)), influenciam o crescimento e a produção de metabólitos secundários de cianobactérias e microalgas; (2) o ambiente singular do qual a Chroococcidiopsis sp. foi isolada e o seu potencial para a produção de ficobiliproteínas; no presente trabalho, foram analisados os efeitos de fontes abióticas de estresse na cianobactéria em condições laboratoriais, com ênfase no efeito da luz e da salinidade na produção de ficobiliproteínas. Dessa forma, foi realizada uma abordagem inicial da avaliação do potencial biotecnológico da nova linhagem de cianobactéria Chroococcidiopsis sp. Em um primeiro momento, foi avaliada a influência da intensidade luminosa no crescimento e conteúdo de ficobiliproteínas. Diferentes regimes de cultivo do micro-organismo foram usados para aumentar a produtividade e reduzir custos de processo. Os regimes mais comuns são cultivos contínuos e de batelada, devido à sua eficiência e simplicidade, respectivamente. Nesse sentido, o cultivo de batelada foi selecionado para a avliação do efeito da luz no crescimento e conteúdo de ficobiliproteínas da Chroococcidiopsis sp.. Entretanto, como o cultivo de batelada em larga escala pode acarretar problemas de contaminação, também foram realizados cultivos semi-contínuos. Esse segundo experimento consistiu em manter a densidade celular dos diferentes cultivos em uma certa faixa de densidade óptica, através da reposição de parte do meio de cultivo consumido por meio novo. Ademais, uma nova abordagem de cultivo de cianobactérias foi praticada no presente estudo, isto é, o uso de fertilizante como meio de cultivo. Essa alternativa reduz custos do processo e o tempo investido na preparação dos meios de cultivo tradicionais quando se trabalha em larga escala. Para tal substituição, três diferentes tipos de fertilizantes agrícolas (NPKs) foram analisados e os resultados foram comparados com outros trabalhos da literatura, principalmente utilizando microalgas, já que o uso de fertilizantes em cultivos de cianobactérias é escasso. Finalmente, outro fator abiótico considerado no presente trabalho foi a salinidade. Conforme previamente explicado, Chroococcidiopsis sp. está adaptada ao Deserto do Atacama, onde a salinidade pode ser alta em determinadas condições, sendo esperado que esse fator exercesse influência no metabolismo da espécie. Logo, o seu efeito no crescimento e produção de ficobiliproteínas foi avaliado. Para esse experimento, fertilizantes agrícolas foram utilizados ao invés dos meios de cultivo tradicionais. De acordo com os principais resultados, a produção de ficobiliproteínas em cultura em descontínuo sob o efeito da luz foi muito mais elevada quando foi utilizada uma intensidade de luz de 50 μmol photons·m-2·s-1, atingindo cerca de valores de 45 mg·g-1 para ficocianina, 120 mg·g-1 para a aloficocianina e 80 mg·g-1 para ficoeritrina. Para corroborar esse resultado, analisou-se um experimento em semi-contínuo, o que mostrou o mesmo resultado, mas os resultados mais baixos foram obtidos. Além disso, a utilização de fertilizantes mostrou melhor resultado quando foi adicionado ao meio de cultura, em que 80 mg·g-1 de ficobiliproteínas foi obtido durante a experiência. Para se obter um melhor conhecimento da presente estirpe, esta estirpe foi submetido sob diferentes concentrações de sal. Apesar disso, esta espécie só era capaz de crescer sob 0.2 M de NaCl. No entanto, a maior ficobiliproteínas accucumulation foi produzida quando foi cultivada em 0.4 M de NaCl, em que 14 mg·g-1 de ficocianina, 25 mg·g-1 de ficoeritrina e 35 mg·g-1 de aloficocianina foi produzido no fim da experiência.