Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia

Resumo: A sociedade atual é fundamentalmente dependente do petróleo, recurso natural inserido na grande maioria dos setores da economia. Entretanto, fatores como a limitada disponibilidade deste recurso, sua instabilidade no mercado devido a problemas de natureza geopolítica e a emissão de dióxido...

Resumo: A sociedade atual é fundamentalmente dependente do petróleo, recurso natural inserido na grande maioria dos setores da economia. Entretanto, fatores como a limitada disponibilidade deste recurso, sua instabilidade no mercado devido a problemas de natureza geopolítica e a emissão de dióxido de carbono ocasionada pela utilização deste combustível, acentuaram as iniciativas para substituir o petróleo por fontes alternativas e renováveis de matéria prima. A bactéria Propionibacterium acidipropionici surge como uma excelente candidata para a substituição de compostos petroquímicos, através da produção do ácido propiônico. No entanto, antes de transformar esta bactéria em uma plataforma industrial, é necessário aprofundar a compreensão do metabolismo deste microrganismo e desenvolver ferramentas de manipulação genética. No que diz respeito à compreensão do metabolismo, poucos estudos avaliaram o perfil aeróbico desta bactéria, considerada anaeróbica estrita até recentemente. No presente trabalho, foi identificada nesta bactéria a presença de todos os componentes de uma cadeia transportadora de elétrons. No entanto, a citocromo c oxidase identificada apresenta-se mutada e os testes realizados confirmaram a não funcionalidade deste complexo. A existência de uma oxidase alternativa, a citocromo bd oxidase, caracterizada pela alta afinidade ao oxigênio, surge então como uma hipótese promissora acerca da microaerofilia desta bactéria. O trabalho também avaliou o perfil fermentativo dessa bactéria em condições aeróbicas com diferentes fontes de carbono, o que ressaltou a enorme flexibilidade metabólica apresentada por P. acidipropionici, capaz de redirecionar o fluxo de carbono para diferentes produtos finais a depender da necessidade de manutenção do balanço redox. Este estudo também revelou uma propriedade bastante peculiar e industrialmente relevante do xarope de cana-de-açúcar. A fermentação aeróbica com este substrato, ao contrário de todas as outras fontes de carbono, apresentou um crescimento superior ao das condições anaeróbicas e, adicionalmente, exibiu um perfil fermentativo próximo ao observado em ausência de oxigênio. A identificação do composto presente no xarope de cana-de-açúcar, responsável por simular o metabolismo anaeróbico, poderia viabilizar a produção do ácido propiônico em dornas de fermentação aeróbicas, o que traria enormes benefícios para a produção economicamente viável do ácido propiônico e na implementação de P. acidipropionici como uma plataforma industrial

Abstract: The dependence of contemporary society on petroleum is axiomatic, and this natural resource could be found intrinsically embedded in the vast majority of economic sectors. Nonetheless, the limited availability of this natural resource, the instability in the stock market due to...

Abstract: The dependence of contemporary society on petroleum is axiomatic, and this natural resource could be found intrinsically embedded in the vast majority of economic sectors. Nonetheless, the limited availability of this natural resource, the instability in the stock market due to geopolitical problems, and also the carbon dioxide emissions associated with the use of fossil fuels have highlighted the need to search for renewable energy sources. The bacteria Propionibacterium acidipropionici arises as an excellent strategy for the substitution of petrochemical compounds, through the production of propionic acid. Before we could implement this bacterium as an industrial platform, however, it becomes necessary to enhance the knowledge regarding the metabolism of P. acidipropionici, and thus create a backbone for the development of genetic manipulation tools. Regarding the metabolism of this bacterium, there aren't comprehensive studies about its aerobic metabolism, thus being considered strict anaerobes until recently. In the present work, it was identified that P. acidipropionici has all required components for a functional electron transport chain. However, the cytochrome c oxidase of this bacterium has a frameshift mutation, and the functional studies proved that this complex is not operative. The presence of an alternative oxidase of high oxygen affinity, called cytochrome bd oxidase, is then suggested as a hypothesis to explain the microaerofilic habit of this bacterium. This work has also shed light into the fermentative profile showed by this bacterium under aerobic cultivation with different carbon sources, bringing attention to the highly flexible metabolism of P. acidipropionici. This bacterium has shown to be capable of completely changing its carbon flux to different end products, as a strategy to maintain the redox balance. In addition, this work has also unveiled an interesting and industrially-relevant property of the sugar cane syrup. It was demonstrated that the aerobic cultivation of P. acidipropionici with sugar cane syrup increased the culture growth, as well as it changed the fermentation end products in a way more similar to the anaerobic cultivation. It was hypothesized that this unusual property found in the sugar cane syrup was due to the presence of a mineral compound that could be used as a final electron acceptor by P. acidipropionici. The identification of this specific compound would allow the aerobic production of propionic acid in industrial conditions, and thus could be a major breakthrough to turn its industrial production into an economically viable process