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Biotecnologia - Histórico e Tendências

 

Rafael Almudi Villen
Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia,
Escola de Engenharia Mauá, Praça Maua 1,
09580-900, São Caetano do Sul, SP.
Fax: (11) 4239 3131

 

INTRODUÇÃO    

Várias foram as sugestões  apresentadas visando  dar uma definição para Biotecnologia. Uma delas, proposta pelo prof. Antônio Paes de Carvalho, é suficiente para alcançar o  objetivo de tomar conhecimento do que hoje se entende por Biotecnologia: “o conjunto de conhecimentos técnicos e métodos, de base científica ou prática, que permite a utilização de seres vivos como parte integrante e ativa do processo de produção industrial de bens e serviços”

As várias tentativas de definição existentes mostram nitidamente que se trata, portanto, de um campo de trabalho multidisciplinar, tendo a Biotecnologia por base de ramos de conhecimento que poderiam ser classificados de Fundamentais, ao lado de outros que poderiam ser agrupados sob a designação genérica de Engenharias.

Se é verdade, por um lado, que a Biotecnologia, somente passou a ser considerada altamente prioritária há relativamente pouco tempo, também é verdade, por outro lado, que processos biotecnológicos vêm sendo utilizados desde a mais remota antiguidade. 

A utilização em maior escala da chamada Biotecnologia “moderna” teve como ponto de partida a síntese química do DNA (ácido desoxiribonucleico)  realizada por Kornberg em 1967, que denominou de “revolução genética” às novas técnicas de manipulação genética: DNA recombinante e hibridoma.

HISTÓRICO

O uso da Biotecnologia teve o seu início com os processos fermentativos, cuja utilização transcende, de muito, o início da era Cristã, confundindo-se com a própria história da humanidade. A produção de bebidas alcoólicas pela fermentação de grãos de cereias já era conhecida pelos sumérios e babilônios antes do ano 6.000 a.C. Mais tarde, por volta do ano 2.000 a. C., os egípcios, que já utilizavam o fermento para fabricar cerveja, passaram emprega-lo também na fabricação de pão.

Outras aplicações como a produção de vinagre, iogurte e queijos são, de há muito, utilizadas pelo ser humano.

Entretanto, não eram conhecidos os agentes causadores das fermentações que ficaram ocultos por 6 milênios. Somente no século dezessete, o pesquisador Antom Van Leeuwenhock, através da visualização em microscópio, descreveu a existência de seres tão minúsculos que eram invisíveis a olho nu.

Foi somente 200 anos depois que Louis Pasteur , em 1876, provou que a causa das fermentações era a ação desses seres minúsculos, os microrganismos,  caindo por  terra a teoria, até então vigente, que a fermentação era um processo puramente químico.

Foi ainda Pasteur que provou que cada tipo de fermentação era realizado por um microrganismo específico e que estes podiam viver e se reproduzir na ausência de ar.

Posteriormente, em 1897,  Eduard Buchner, demonstrou ser possível a conversão de açúcar em alcool, utilizando células de levedura maceradas, ou seja, na ausência de organismos vivos.

Paradoxalmente que possa parecer, foram as grandes guerras mundiais que motivaram a produção em escala industrial de produtos advindos de processos fermentativos.

A partir da primeira guerra, a Alemanha, que necessitava de grandes quantidades de glicerol para a fabricação de explosivos, desenvolveu através de Neuberg, um processo microbiológico de obtenção desse alcool, tendo chegado a produzir 1.000 toneladas do produto por mês. Por outro lado, a Inglaterra produziu em grande quantidade a acetona para o fabrico de munições, tendo essa fermentação contribuído para o desenvolvimento dos fermentadores industriais e técnicas de controle de infecções.

Foi, todavia,  a produção de antibióticos o grande marco de referência na fermentação industrial.. A partir de 1928, com a descoberta da penicilina por Alexandr Fleming, muitos tipos de antibióticos foram desenvolvidos no mundo.

Na década de 40, durante a segunda guerra mundial, os antibióticos passaram a integrar os processos industriais fermentativos, principalmente nos Estados Unidos, basendo-se inicialmente na síntese da penicilina e, posteriormente, da estreptomicina.

Foi, todavia, a partir da década de 50 que a Biotecnologia, com a descoberta da síntese química do DNA, e com as técnicas de manipulação genética:DNA recombinante, fusão celular ou hibridoma, passou de fato a existir.

A técnica do DNA recombinante envolve a criação sintética de novos organismos vivos, com características não encontradas na natureza, formadas pela hibridização em nível molecular do DNA.  Essa técnica permite, por exemplo, o enxerto de genes humanos que determinam a produção de insulina em um microrganismo. Isso leva a produzir a industrialmente insulina humana, substituindo, com grande vantagens, a insulina bovina ou suína empregadas no tratamentos de diabéticos.

A técnica de hibridoma possibilitou a manipulação genética a nível das células vivas onde duas ou mais células são fundidas para formar novos microrganismos. Na prática, células animais que produzem anticorpos são incorporadas a outras malignas ou perniciosas resultando em uma nova que se torna eficiente produtora de anticorpos.

A tabela 1 mostra os principais marcos históricos no avanço científico e tecnológico da Biotecnologia.

Período	Acontecimento
6.000 a. C.	bebidas alcoólicas (cerveja e vinho) são produzidas por sumérios e babilônios
2.000 a.C.	panificação e bebidas fermentadas são utilizadas por egípcios e gregos
1875 d. C.	Pasteur mostra que a fermentação é causada por microrganismos
1880-1910	surgimento da fermentação industrial (ácido láctico, etanol, vinagre)
1910-1940	síntese de glicerol, acetona e ácido cítrico
1940-1950	antibióticos são produzidos em larga escala por processos fermentativos
1953	estabelecida a estrutura do DNA
1073	início da engenharia genética
1982	insulina humana é produzida

Tabela 1: Marcos no Desenvolvimento da Biotecnologia

Atualmente é crescente o ritmo  de desenvolvimento do setor, mantendo, inclusive, uma acentuada relação de interação com diversos outros setores da ciência e tecnologia tais como: biologia molecular, fisiologia, microbiologia, engenharia química, engenharia ambiental, etc. como mostrado na figura 1.

Figura 1 - Multidisciplinaridade da Biotecnologia

USOS

A Biotecnologia encontra muitas e diferentes aplicações importantes em vários segmentos de atividade:

·       Agricultura

·       Mineração

·       Pecuária

·       Saúde

·       Indústria   

Suas aplicações na indústria constituem o objetivo principal da chamada Biotecnologia Industrial.

·        Agricultura

      Cultura de Tecidos

Informações dão ciência de que a seleção e reprodução de plantas superiores por métodos convencionais têm sido utilizados desde os tempos antigos considerando a necessidade de produzir quantidades crescentes de alimentos e matérias primas para a indústria.

Uma das áreas mais promissoras na Biotecnologia é a da cultura de tecidos. É uma área já antiga, datando dos anos 20, mas que só alcançou progressos razoáveis a partir do fim da década de 60.

Nos tecidos e células cultivadas “in vitro” pode-se introduzir alterações  por ação de agentes físicos ou químicos com maior eficiência do que em plantas inteiras. Assim, as taxas de alterações podem ser grandemente aumentadas e, a partir dessas culturas, pode-se conseguir a regeneração de plantas com características diferentes. Existe também a possibilidade de fusão de células com características diferentes, possibilitando ou novos tipos de combinação, ou combinação de material genético de células provenientes de espécies muitas vezes diferentes. Uma das vantagens é que através dessa técnica pode-se gerar um grande número de material clonado em curto espaço de tempo e em ambientes reduzidos, sendo ainda indicada para a eliminação de doenças.

Fixação de Nitrogênio

O nitrogênio, sendo um dos nutrientes fundamentais para as plantas, participa da composição das moléculas de proteína e clorofila, além de desempenhar uma função chave no processo de divisão celular. Assim, uma adequada nutrição em nitrogênio é fundamental para o crescimento vigoroso das plantas.

Uma das possibilidades de fornecimento de nitrogênio às plantas é através da fixação biológica, por microrganismos, utilizando o nitrogênio existente no ar.

Esses fixadores de nitrogênio, denominados inoculantes, podem ser usados em leguminosas, gramíneas, florestas, ambientes aquáticos, etc.

Controle Biológico de Pragas

São inegáveis os danos que os insetos/pragas causam à agricultura. A monocultura e o uso indiscriminado de produtos químicos - defensivos agrícolas - eliminam os inimigos naturais que existem em culturas diversificadas, provocando o desequilíbrio ecológico nas áreas de plantio, gerando condições propícias para o aparecimento de pragas além de aumentar a sua resistência.

Os microrganismos patogênicos aos insetos/pragas são adequados à redução específicas, enquanto que os predadores naturais e insetos benéficos são preservados ou podem se desenvolver, estabelecendo o equilíbrio natural. Portanto, os inseticidas microbiológicos são considerados como uma forma alternativa de controle de pragas.

Entre esses podem ser mencionados:

-   fungos - cigarrinha da folha da cana-de-açúcar;

-   vírus - granulose da broca da cana-de-açúcar; lagarta da laranja;

-   parasitas moscas: broca da cana-de-açúcar;

                  vespas:  broca da cana-de-açúcar;

-   bactérias: toxinas - lagarta do algodão e legumes

        moscas domésticas e bicheiras. moscas azuis e verdes, moscas das frutas

Sementes  

A melhoria da produtividade agrícola pode ser conseguida mediante o uso de sementes melhoradas geneticamente. Produtos como a batata , cacau, café, cana-de-açúcar, arroz, cebola, laranja, milho, soja e tomate tiveram progresso na produção agrícola nos últimos anos através do melhoramento genético e seleção de cultivos de maior produtividade e resistência a fatores ambientais.

·       Mineração   

Lixiviação Bacteriana de Minérios  

O estudo e aperfeiçoamento dos processos  de concentração de metais em geral  tem contribuído significativamente para o aproveitamento de minérios.

No campo da metalurgia extrativa, mais especificamente da hidrometalurgia, a lixiviação bacteriana de minérios vem merecendo crescente atenção como alternativa para os processos convencionais. Analogamente a lixiviação convencional, baseia-se na solubilidade dos metais em soluções adequadas por meio de reações químicas e também de reações bioquímicas.

Cobre, urânio e zinco são exemplos de minerais que podem ser recuperados através de lixiviação bacteriana.

·       Pecuária

Inseminação Artificial   

A técnica de inseminação artificial em bovinos teve um rápido crescimento a partir de meados da década de 70.

O Estado de São Paulo é de longe o estado brasileiro mais importante na produção e comercialização de sêmem bovino participando com mais de 60% em relação ao total do País.

Como impactos decorrentes da inseminação artificial podem ser citados:

-   aumento da produtividade na produção leiteira

-   liberação de áreas antes ocupadas com pastagens para outra atividades agrícolas.

Transferência de Embriões

O estudo de transferência de embriões é novo no País, tendo sido iniciado no final da década de 70.

O que se transfere não é o embrião propriamente dito, mas o zigoto, que é uma massa de células não diferenciadas. A transferência de embriões na seleção de mães de produtoras e reprodutores, na propagação de raças com características raras de produtividade, no aumento do percentual de características genéticas e na diminuição do intervalo entre gerações.

·       Saúde

Antibióticos   

Os antibióticos são empregados no combate a infecções causadas por microrganismos, notadamente bactérias, tanto no organismo humano como no animal e vegetal.. São usados também no controle de infecções em determinados processos fermentativos. Os antibióticos se constituem no grupo de maior importância econômica, entre os produtos obtidos por fermentação.

Atualmente existem mais de 5.000 tipos diferentes de antibióticos conhecidos, tendo sido a sua produção grandemente impactada pelo melhoramento genético dos microrganismos utilizados.

Dentre os produtos industrializados a maior contribuição comercial provêm das penicilinas e cefalosporinas.

Proteínas reguladoras do metabolismo 

A produção dessas macromoléculas por microrganismos, teve grande impulso com as pesquisas do DNA recombinante.

Os principais produtos são: insulina humana, interferon, hormônio de crescimento humano, peptídios neuroativos,, etc. Desses fármacos, o que se encontra em estágio tecnológico mais avançado é a insulina, fundamental na regulação do teor de glicose no sangue, sendo usada na terapia de pacientes com diabetes.

Transformação de esteróides 

A cortisona, descoberta no início da década de 30, e suas propriedades no combate à artrite reumática, levou à pesquisa do desenvolvimento de muitos compostos similares, hoje industrializados e comercializados.

Inicialmente, a síntese da cortisona era feita por via química. Posteriormente, algumas das etapas principais da síntese passaram a ser realizadas por microrganismos o que proporcionou substancial barateamento no custo final.

Outros produtos como hidrocortisona, testosterona, albumina humana, gama globulina, e fator anti - hemofílico estão sendo produzidos e comercializados.

Vacinas  

As vacinas representam um importante instrumento no controle de doenças infecciosas. Muitas doenças podem ser evitadas pela imunidade induzida como a poliomielite, a varíola e o sarampo.

As vacinas podem ser de origem viral, bacteriana, protozoária e mesozoária.

A Biotecnologia, através da técnica do DNA recombinante, tem envidado esforços no desenvolvimento de novos agentes imunizantes para influenza tipos A e B, herpes, polio e hepatite A e B,

Vacinas de origem bacteriana, para diversos tipos de meningite, tem sido produzidas por meio de fermentação, bem como o componente pertussis da vacina tríplice.

·       Processos Fermentativos 

A fermentação como processo industrial  apresenta hoje uma importância crescente em setores chaves da economia.

Assim é, que mais de 300 empresas por todo o mundo produzem e comercializam produtos obtidos através de processos fermentativos, tendo sido a produção em escala industrial de bens, através de processos microbiológicos, iniciada a partir da primeira guerra mundial.

Atualmente, existem mais de uma centena de produtos viáveis de serem obtidos através da via fermentativa.

Enzimas

As enzimas são moléculas de proteínas que têm a função de catalisar reações, sendo produzidas por microrganismos.

Foi somente na primeira metade do século XIX que surgiram as primeiras evidências científicas de que os microrganismos possuem substâncias químicas capazes  de catalisarem reações químicas (Payen Persaz em 1883).

A principal fonte de obtenção de enzimas são os microrganismos, embora muitas enzimas de aplicação industrial tenham sua origem nos tecidos animal ou vegetal: renina, obtida do estômago de bezerros e papaína, obtida do mamão, por exemplo.

Os principais tipos de enzimas comercializados atualmente são as proteases, glucoamilase, a-amilase e glicose isomerase.

A tabela 2 mostra os principais tipos de enzimas  bem como o seus principais usos.

ENZIMA	APLICAÇÃO
protease	quebra de moléculas de proteína
amilase e amiloglucosidase	sacarificação do amido
catalase	eliminação da água oxigenada no processamento de alimentos
glicose isomerase	produção de isoglicose
invertase	inversão da sacarose
lactase	desdobramento da lactose
lipase	desdobramento de óleos e gorduras
celulase	desdobramento da celulose
glicose oxidase	remoção da glicose

Tabela 2 - Principais Tipos de Enzimas e Suas Aplicações

Ácidos Orgânicos 

Dentre os ácidos orgânicos que podem ser produzidos por processos fermentativos destacam-se: o ácido acético, o ácido cítrico e o ácido láctico, os três de largo uso industrial, principalmente na área de alimentos, com a função de acidulantes.

Aminoácidos  

Os aminoácidos constituem a unidade básica das proteínas, O ser humano necessita basicamente de 20 aminoácidos para as suas necessidades de metabolismo e desenvolvimento orgânico. Destes, oito não são sintetizados pelo organismo necessitando, pois, serem ingeridos através de alimentos.

Entretanto, dois aminoácidos revestem - se de especial importância: a metionina e a lisina, dado ao fato de não se encontrarem presentes nos cereais. A metionina não foi obtida por processos fermentativos, porém 80% da lisina produzida é obtida por via microbiológica. Outros importantes aminoácidos sintetizados por via fermentativa: ácido glutâmico , ácido aspártico, triptofano.

Vitaminas 

Tradicionalmente utilizadas como suplemento alimentar para o ser humano e animais, as vitaminas são, em sua maioria, sintetizadas quimicamente. Entretanto, algumas delas como as do complexo B, notadamente a B₂, são produzidas por biosíntese microbiana.

Biopolímeros 

Comercialmente entende-se por biopolímeros determinados polissacarídeos excretados por microrganismos. Os principais biopolímeros encontrados no mercado são as gomas xantana e as dextranas. As primeiras representam a maior parte do mercado, sendo aplicadas como aditivos em alimentos: estabilizantes de suspensão líquidas e genelatizantes.

Solventes  

Três são os principais solventes orgânicos produzidos por microrganismos: etanol, butanol e acetona. Destes, o etanol se reveste de especial importância no contexto brasileiro pelo seu destaque no segmento da economia.

Bebidas Alcoólicas 

As bebidas alcoólicas são tão antigas quanto a humanidade e numerosas como sua s etnias.

Fenícios, assírios, babilônios, hebreus, egípcios, chineses, germanos, gregos e romanos mencionaram-nas e cada povo tem praticamente as suas, a partir das fontes naturais próprias de açúcares e produtos amiláceos como: frutas, cana-de-açúcar, milho, trigo, arroz, batata, centeio, aveia, cevada, e mesmo raízes e folhas.

Deve-se lembrar, aliás, de que esses produtos de fermentação alcoólica originavam-se  na antigüidade de processos expontâneos de fermentação e que só em época mais recente começara a ser usados nas indústrias, para a sua fabricação, os modernos métodos da Biotecnologia..

As bebidas alcoólicas podem ser classificadas em :

-   fermentadas: cerveja, vinho saquê,  sidra, etc.

-   fermento - destiladas: aguardente, rum, uísque, conhaque, vodca, gim, etc.

Microrganismos

O primeiro processo industrial para a produção de microrganismos úteis ao homem constituiu-se na produção de levedura para panificação.

O uso de proteína unicelular - SCP (sigle cell protein) para a nutrição animal tem-se mostrado mais atraente que para a ingestão humana haja visto que ocorrem problemas quanto à digestibilidade, pelo ser humano, da grande quantidade de ácidos nucleicos componentes da SCP.

Todavia, muitas indústrias têm construído fábricas para a produção de proteínas unicelular nos últimos anos, principalmente na Europa, Estados Unidos e Japão.

Alimentos  

Inúmeros são os produtos alimentícios modificados ou produzidos através de processos fermentativos.

Alguns como queijos, iogurte, etc. são utilizados pela humanidade há mais de 2.000 anos;

Picles, azeitonas, pão, chucrute são outros alimentos que tem a participação de processos biológicos em sua obtenção.

A EXPERIÊNCIA BRASILEIRA

A aplicação de ciências biológicas  no Brasil remonta a meados do século passado. Notadamente técnicas laboratoriais e de campo em microbiologia - uma disciplina precursora da moderna Biotecnologia - foram aplicadas por pesquisadores como Pirajá da Silva e Pedro Severiano de Magalhâes..

No decurso da segunda metade do século XIX, trabalhos pioneiros foram desenvolvidos em várias modalidades da microbiologia dentre os quais merecem destaque a bacteriologia, micologia, protozoologia, fitopatologia e virologia.

Na primeira metade do século XX registrou-se atuação marcante de pesquisadores tais como: Carlos Chagas, Vital Brasil, Oswaldo Cruz, Adolfo Lutz, Emílio Ribas, Rangel Pestana, dentre outros no campo do combate e profilaxia de graves moléstias que atingiam a população brasileira.

Atualmente, a continuidade desse espírito científico está presente nas equipes de pesquisas dos Institutos Oswaldo Cruz, Biofísica e Microbiologia no Rio de Janeiro, Biológico, Agronômico de Campinas, Adolfo Lutz, Butantã e Pasteur em São Paulo.

Na década de 40, a Biotecnologia clássica atraiu o espírito empreendedor de cientistas da Universidade de Viçosa, Minas Gerais, que fundaram uma empresa pioneira, a Sementes Agroceres, objetivando produzir sementes de milho híbrido a partir de material genético selecionado no País.

A Brasil Sul Agropecuária, na década de 60, voltou-se à produção e seleção de sementes forrageiras e à pesquisa genética para a obtenção de híbridos de sorgos graníferos forrageiros e de milho doce para o consumo humano.

A Agroflora Reflorestamento e Agropecuária, dedicou-se à pesquisa e à produção de sementes melhoradas e à seleção de variedades de plantas adaptadas a diferentes condições sazonais.

Atualmente existem no País  cerca de meia centena de instituições de pesquisa e empresas comerciais  atuando em Biotecnologia.

TENDÊNCIAS

As nova técnicas de engenharia genética estão promovendo uma reavaliação de quase todos os processos industriais que empregam técnicas ou produtos biológicos.

A relação entre as técnicas de engenharia genética  e processos industriais pode ser observada esquematicamente na Figura 2.

Figura 2. A Nova Biotecnologia

A engenharia genética aplica á Biotecnologia , além de substituir processos e produtos tradicionais, apresenta grandes perspectivas de melhorar o bem estar da população por meio de melhores soluções para problemas de saúde, alimentação, energia, materiais e meio ambiente.

A Tabela 3, a seguir, fornece uma indicação parcial da aplicação comercial da nova Biotecnologia às necessidades da sociedade.

ÁREA	APLICAÇÂO POTENCIAL
Saúde	-   remédios e vacinas mais eficazes com  maior grau de pureza e a um custo menor -  diagnóstico, prevenção e tratamento de doenças genéticas
Alimentos	-   novos produtos processos alimentícios mais eficientes -   melhor rendimento e qualidade na produção agropecuária
Energia	-   maior eficiência na conversão de biomassa em combustíveis -   menor consumo energético em processos industriais -   aumento na recuperação de petróleo
Materiais	-  menor custo na produção  de produtos químicos com matérias - primas  de biomassa -  extração econômica de minerais de baixo teor
Meio Ambiente	-  alternativas biológicas à herbicidas e pesticidas -  tratamento de detritos tóxicos

Tabela 3 - Aplicações Comerciais Futuras da Nova Biotecnologia

A Tabela 3 demonstra a amplitude e a profundidade de mudanças que deverão advir com o uso da nova Biotecnologia. Na área da saúde, o desenvolvimento de produtos terapêuticos para o tratamento de herpes, câncer, hepatite, artrite e outras doenças vislumbra soluções novas. Em outras aplicações da Biotecnologia à saúde, essas técnicas novas permitem meios baratos e mais sensíveis  para diagnosticar gravidez, doenças venérias e outras condições que atualmente requerem testes de laboratório complexos e caros.

Adicionalmente , essas técnicas possibilitam a dosagem específica de produtos farmacêuticos para determinados órgãos do corpo.

Na área de materiais, produtos de química fina para medicina e alimentação podem ser produzidos por microrganismos novos, que tornam possíveis transformações complexas em uma única etapa.  

A nova Biotecnologia é um instrumento poderoso , podendo substituir vasto número de processos industriais atualmente empregados e criando com isso novas e melhores soluções para uma grande gama de problemas.