Orientador: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira

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

Resumo: Propionibacterium acidipropionici é uma bactéria gram-positiva que apresenta a capacidade de produzir ácido propiônico em sua via fermentativa, composto de grande importância na indústria petroquímica e alimentícia. Tendo-se em vista que esse ácido é hoje obtido através de derivados do...

Resumo: Propionibacterium acidipropionici é uma bactéria gram-positiva que apresenta a capacidade de produzir ácido propiônico em sua via fermentativa, composto de grande importância na indústria petroquímica e alimentícia. Tendo-se em vista que esse ácido é hoje obtido através de derivados do petróleo, P. acidipropionici vem sendo apontada como uma potencial plataforma industrial na produção de ácido propiônico. Uma das características que enfatizam a sua utilização está a sua capacidade em fixar CO2 e direcioná-lo para a produção de ácido propiônico. Entretanto, pouco se sabe sobre esse fenômeno em propionibactérias. O presente trabalho teve como objetivo caracterizar e estudar o metabolismo de assimilação de CO2 em P. acidipropionici, visando avaliar a relevância do mesmo na fermentação desta bactéria. Através da análise do genoma e resultados prévios de expressão global foram identificados potenciais genes envolvidos tanto na assimilação de CO2 quanto na produção de ácido propiônico, destacando-se a enzima piruvato carboxilase como uma importante candidata envolvida na fixação de CO2. Dados de expressão dessa enzima indicaram que a mesma tem sua expressão aumentada quando a bactéria é cultivada em glicerol como fonte de carbono, condição em que há uma maior produção de ácido propiônico. Outros genes que se destacaram foram os genes do metabolismo de biotina, cofator importante em enzimas fixadoras de dióxido de carbono. Foi descrito que os genes envolvidos na sua síntese estão ausentes em seu genoma e que os genes envolvidos em sua assimilação se mostraram diferencialmente expressos ao fim das fermentações em glicerol e glicose, indicando uma possível carência metabólica dessa vitamina. Adicionalmente, foi reportado que a assimilação de CO2 pode ocorrer em diferentes fontes de carbono, podendo apresentar até 25% de ácido propiônico e até 32% do ácido succínico, contendo pelo menos um carbono proveniente do CO2. Tais dados revelaram que a assimilação de CO2 é provavelmente um fenômeno recorrente e relevante em P. acidipropionici, o que reforça essa bactéria como uma promissora plataforma industrial. Por fim, experimentos realizados em biorreator indicaram que ambientes com alta disponibilidade de CO2 podem levar a um aumento expressivo da produção de ácido succínico, intermediário da via do ácido propiônico e também um importante produto de interesse da indústria química

Abstract: Propionibacterium acidipropionici is a gram-positive bacterium that has the ability to produce propionic acid through its fermentative pathway, a highly important compound in petrochemical and food industry. In view that nowadays this acid is obtained through petroleum derivatives, P....

Abstract: Propionibacterium acidipropionici is a gram-positive bacterium that has the ability to produce propionic acid through its fermentative pathway, a highly important compound in petrochemical and food industry. In view that nowadays this acid is obtained through petroleum derivatives, P. acidipropionici is being appointed as an important candidate as an industrial platform in propionic acid production. One of the characteristics that emphasize its use is the ability to fix CO2 and direct the assimilated carbon to the production of propionic acid. Little is known about this phenomenon in propionibacteria, however it¿s occurrence is described when the bacterium is cultivated in glycerol as its only carbon source. The present work had as objective to characterize and study the CO2 assimilation mechanism in P. acidipropionici, aiming to evaluate how relevant this mechanism is in its fermentative metabolism. Through genome analysis, genes and pathways potentially involved in this process were identified. The analysis highlights the enzyme pyruvate carboxylase, a propionic acid cycle¿s acting enzyme and little distributed in Propionibacteria, and the genes involved in biotin¿s metabolism, a vitamin that acts as an important cofactor in CO2 fixation reactions in bacteria. The biotin production pathway is not complete in P. acidipropionici, being observable in this project that in fact there is a deficiency in its growth in the absence of the same. Seeking trancriptional clues of the phenomenon and having glycerol as carbon source, a global gene expression analysis of the fermentation of P. acidipropionici was performed in glycerol, glucose and sugarcane juice in different points of bacterial growth (RNASeq). Interestingly, the most differentially expressed enzyme of the fermentative pathway in glycerol is the enzyme pyruvate carboxylase. The biotin related pathways are also differentially expressed at the final stages of the bacterium¿s fermentation, what can be related to a requirement of this vitamin at these stages. The supplementation of this vitamin was performed at the three studied carbon sources. However, no difference in growth or acids production was found. Aiming to explore in which situations the CO2 fixation happens, fermentations with six different carbon sources supplemented with carbon-13 containing sodium bicarbonate were performed. It was evaluated from this experiment that the CO2 assimilation occurs in all studied carbon sources, and that about 1/4 of the propionic acid total has a carbon that comes from the diluted bicarbonate. The generated data reveals that the phenomenon is relevant in P. acidipropionici. Lastly, the effect of sodium bicarbonate supplementation in P. acidipropionici fermentations having glycerol as carbon source was studied. As a result, an expressive increase in the production of succinic acid was observed, another fermentation final product in propionibacteria. Such phenomenon, therefore, could also be more explored for the production of this second acid, equally important in the industrial point of view