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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.46.2014.tde-01102014-080611
Documento
Autor
Nome completo
Helena Dias Müller Villela
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Colepicolo Neto, Pio (Presidente)
Hotta, Carlos Takeshi
Pereira, Claudio Martin Pereira de
Título em português
Utilização das técnicas de engenharia genética e bioquímica em Chlamydomonas reinhardtii visando o aumento da produção de lipídeos para obtenção de biocombustível
Palavras-chave em português
Biocombustível
Chlamydomonas reinhardtii
Ciclo do glioxilato
Engenharia genética
Lipídeos
Microalgas
Resumo em português
Os impactos ambientais causados pela queima dos combustíveis fósseis e pela sua manipulação, aliados ao crescente preço dos combustíveis, têm fomentado a procura de novos recursos renováveis e o desenvolvimento de novas tecnologias que suportem as necessidades desse mercado. Os biocombustíveis são recursos biodegradáveis e renováveis, que vêm se revelando uma alternativa economicamente viável. No entanto, a atual geração de biocombustíveis possui alguns pontos negativos, tais como: utilização de solos férteis e competição com a indústria de alimentos, uma vez que utiliza culturas como soja, milho e cana-de-açúcar, produtos de extrema importância econômica para seus países produtores. Por estes motivos, há um crescente interesse em explorar outras matérias-primas possíveis, em especial as voltadas exclusivamente para a geração de energia. Neste contexto, as microalgas vêm se mostrando uma opção bastante interessante. Estes organismos apresentam um alto potencial para tal, pois possuem alta taxa de crescimento e capacidade de produzir grande quantidade de óleo. Além disso, a produção do biocombustível por estes organismos pode ser otimizada tanto pela modificação das condições de cultivo (engenharia bioquímica), como através da manipulação genética das linhagens (engenharia genética). Neste trabalho, ambas as estratégias foram utilizadas com o intuito de se aumentar a quantidade de lipídeo produzido pela linhagem CC424 da microalga modelo Chlamydomonas reinhardtii. A via metabólica escolhida para a manipulação genética foi o ciclo do glioxilato, sendo as duas enzimas-chave desse ciclo, isocitrato liase (icl) e malato sintase (ms), os alvos. O plasmídeo pSL18 foi utilizado como vetor da transformação nas microalgas. Seis tipos de linhagens transformantes foram obtidas: duas delas subexpressando os genes icl e ms separadamente, duas subexpressando esses genes e duas contendo duplas transformações, ou seja, uma delas subexpressando ambos os genes ao mesmo tempo e a outra superexpressando os mesmos. Quando se subexpressou ambas as enzimas ao mesmo tempo, houve um aumento significativo na quantidade de lipídeos neutros da célula. Além disso, essa linhagem transgênica foi submetida à escassez de nitrogênio, o que acentuou ainda mais esse resultado. Enquanto em meio normal a diferença entre a quantidade de lipídeos foi de 1,5 vezes, em escassez de nitrogênio essa diferença foi de aproximadamente 3 vezes, corroborada pela diferença nos níveis de expressão gênica, que também foi em torno de 3 vezes. Além disso, a linhagem transgênica também mostrou um aumento em cada um dos ácidos graxos analisados individualmente, revelando uma grande quantidade de todos os tipos de C16 e C18, ácidos graxos importantes para que o biodiesel se adeque ao regulamento da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. Apesar de maior quantidade de lipídeos em relação à linhagem selvagem, a nova linhagem transgênica Dupla-ICL-MS-anti não mostrou nenhum efeito deletério crítico. Tanto a produção de biomassa, quanto a quantidade de clorofila a, proteínas totais e carboidratos totais se mantiveram estáveis após a introdução da mutação. Esses resultados sugerem que as enzimas do ciclo do glioxilato, sabidamente ligadas ao catabolismo de ácidos graxos, podem ser utilizadas como alvos promissores para a otimização de linhagens já utilizadas comercialmente na produção de biodiesel.
Título em inglês
Use of genetic and biochemical engineering in Chlamydomonas reinhardtii aiming the increase of the lipid level for biofuel production.
Palavras-chave em inglês
Biofuels
Chlamydomonas reinhardtii
Genetic engineering
Glyoxylate cycle
Lipids
Microalgae
Resumo em inglês
The environmental impacts caused by gases emitted from burning fossil fuels and their manipulation, combined with rising fuel prices, has stimulated demand for new renewable resources and developing new green technologies that support the industry and market needs. Biofuels are biodegradable and renewable resources, which come out to be an economically viable alternative. However, the current generation of biofuels has some disadvantages, such as: use of fertile soils and competition with the food industry, once it uses crops such as soybeans, corn and sugar cane, products of extreme economic importance to the producing countries. For these reasons, there is a growing interest in exploring other possible raw materials, especially those that are geared exclusively for power generation. In this context, microalgae have shown to be a very interesting option. These organisms have a high potential because they have fast growth rate and the ability to produce large amounts of oil. In addition, biofuel production by these organisms can be optimized for both the modification of culture conditions (biochemical engineering), and through the genetic manipulation of microalgae strains (genetic engineering). In this work, the two strategies have been used in order to increase the amount of lipid produced by the strain CC424 from the model organism Chlamydomonas reinhardtii. The metabolic route chosen for genetic manipulation is the glyoxylate cycle, and the two key enzymes of this cycle, isocitrate lyase (icl) and malate synthase (ms), the targets. The plasmid pSL18 was used as a vector of transformation in the microalgae. Six types of transformant strains were obtained, two of them overexpressing the ms and icl genes separately, two underexpressing these genes and two double transformations, one of them overexpressing both genes at the same time the other one underexpressing them. The strain underexpressing both enzymes at the same time, showed a significant increase in the amount of neutral lipids. In this mutant, the shortage of nitrogen led to an even greater increase in these lipids. While in normal media the difference between the amount of lipids was 1.5 times, under nitrogen starvation the difference was approximately 3 times, corroborated by the difference in gene expression levels, which was also about 3 times. Moreover, the mutant strain also showed an increase in each of the individual fatty acids analyzed, revealing a large amount in all kinds of C16 and C18 fatty acids, important for biodiesel that suits the regulation of Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. Although the mutant Dupla-ICL-MS-anti produces higher amounts of lipids compared to the wild type, the strain showed no critical negative effects. Both the production of biomass and the amount of chlorophylla, total protein and total carbohydrates remained stable after the introduction of the mutation. These results suggest that the enzymes of the glyoxylate cycle, which are linked to the catabolism of fatty acids, can be used as promising targets for the optimization of strains already used commercially in the production of biodiesel.
 
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Data de Publicação
2014-11-04
 
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