A bioeconomia como substituição ao modelo econômico atual é a alternativa mais discutida nas últimas décadas, como forma de diminuição da dependência de recursos fósseis, caracterizados como poluentes e não-renováveis. Os processos biotecnológicos desenvolvidos em biorrefinarias são considerados como uma das alternativas mais atraentes na valorização de biomassas, convertendo-as em bioprodutos, biocombustíveis e bioenergia. Por exemplo, o biodiesel pode ser obtido a partir de óleos e gorduras, porém gera glicerol como subproduto. A utilização do glicerol como fonte de carbono tem sido estudada em vários bioprocessos, dentre os quais destaca-se a sua conversão a 1,3-propanodiol (1,3-PDO) por bactérias do gênero Clostridium. A metabolização do glicerol ocorre por duas vias, uma oxidativa, pelas enzimas glicerol desidrogenase (GDH) e di-hidroxiacetona quinase (DHAK), ou glicerol quinase (GK) e glicerol-3-fosfato desidrogenase (GPDH); e outra redutiva, pelas enzimas glicerol desidratase (GDHt) e 1,3-propanodiol desidrogenase (PDODH), sendo que a produtividade final de 1,3-PDO é dependente da expressão gênica destas enzimas. Neste trabalho, estudou-se o isolado Clostridium beijerinckii Br21, para o qual foram investigadas as condições nutricionais de fermentação e a expressão de enzimas envolvidas no processo de oxidação/redução de glicerol. Tais investigações também foram efetuadas e comparadas a uma cepa referência, Clostridium pasteurianum DSM 525. Finalmente, estudou-se a manipulação genética de C. beijerinckii Br21, para aprimorar a obtenção de 1,3-PDO. Comparando a fermentação da cepa Br21 em meio bastante nutritivo (RCM) e pouco nutritivo (WIS, descrito por (WISCHRAL et al., 2015)), verifica-se a obtenção de 1,3-PDO somente em condições de menor disponibilidade nutricional. A concentração final de 1,3-PDO obtida em meio WIS é similar à obtida por C. pasteurianum DSM 525. Além disso, a expressão de GPDH na cepa Br21 em meio WIS é baixa, possivelmente indicando limitação da velocidade de oxidação do glicerol via GK. Dessa forma, esta oxidação provavelmente ocorre via GDH/DHAK. Quanto à redução do glicerol, a expressão gênica de PDODH foi similar para as cepas Br21 e DSM 525. Com o intuito de aumentar a expressão gênica de redução do glicerol, realizou-se a transformação de C. beijerinckii Br21, utilizando o plasmídeo pMTL83251 contendo os genes codificantes das enzimas GDHt, cobalamina adenosiltransferase e PDODH, sob controle do promotor codificante das enzimas fosfotransacetilase/acetato quinase. Após a seleção e aperfeiçoamento de um método descrito na literatura, a transformação por eletroporação para promover a superexpressão gênica de GDHt, cobalamina adenosiltransferase e PDODH foi bem-sucedida. A superexpressão desses genes promoveu o aumento da produtividade de 1,3-PDO, porém não houve aumento da concentração final deste composto. Este estudo contribuiu para o melhor entendimento das vias de transformação de glicerol a 1,3-PDO por um isolado de C. beijerinckii, além de possibilitar a adaptação de um método de transformação para o mesmo.

Bioeconomy as a substitute for the current economic model is the most discussed strategy in recent decades, as a way to diminish dependence on fossil resources, which are considered as pollutants and non-renewable. Biotechnological processes carried out at biorefineries are considered as one of the most attractive alternatives for valorization of biomasses, by converting them into bioproducts, biofuels and bioenergy. For example, biodiesel can be obtained from oils and grease, but generates glycerol as byproduct. Glycerol recycling as carbon source has been studied in several bioprocesses, one of them being its conversion to 1,3-propanediol (1,3-PDO) by bacteria from Clostridium genus. Glycerol metabolization occurs by two routes: the oxidative one, by glycerol dehydrogenase (GDH) and dihydroxyacetone kinase (DHAK) enzymes, or glycerol kinase (GK) and glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GPDH) enzymes; and the reductive one, by glycerol dehydratase (GDHt) and 1,3-propanediol dehydrogenase (PDODH) enzymes. The final 1,3-PDO productivity is dependent on the gene expression of these enzymes. In this work, the isolate Clostridium beijerinckii Br21 was studied, for which the fermentation nutritional conditions and gene expression of enzymes involved in glycerol oxidation/reduction were investigated. These investigations were also carried out for a reference strain, Clostridium pasteurianum DSM 525. Finally, genetic engineering was studied for C. beijerinckii Br21, to improve 1,3-PDO synthesis. Comparing the Br21 strain fermentation at highly nutritious (RCM) and lowly nutritious medium (WIS, described by WISCHRAL et al., 2015), 1,3-PDO attainment was only observed at lower availability of nutrients. The final concentration of 1,3-PDO is similar to the one obtained by C. pasteurianum DSM 525. In addition, GPDH gene expression on the Br21 strain cultivated in WIS medium was low, possibly indicating rate limitations of glycerol oxidation via GK. Thus, this oxidation probably occurs via GDH/DHAK. As for glycerol reduction, gene expression of PDODH was similar for both strains, Br21 and DSM 525. To increase gene expression related to glycerol reduction, C. beijerinckii Br21 transformation was performed. pMTL83251 plasmid was used, containing the genes encoding for GDHt, cobalamin adenosyltransferase and PDODH, under control of the promoter coding for phosphotransacetylase/acetate kinase enzymes. After selection and improvement of a literature described protocol, transformation by electroporation to promote the gene overexpression of GDHt, cobalamin adenosyltransferase and PDODH was successful. The overexpression of these genes increased 1,3-PDO productivity, but there was no increase in the final concentration of this compound. This work contributed to better understanding of the metabolic pathways of glycerol conversion to 1,3-PDO by a C. beijerinckii isolate, as well as made possible to adapt a transformation method for this strain.