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http://hdl.handle.net/11422/28657
| Type: | Tese |
| Title: | Análise genômica e produção de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes por três espécies novas dos gêneros Paenibacillus e Psychrobacillus |
| Author(s)/Inventor(s): | Argentino, Isabella Campelo Vilardi |
| Advisor: | Seldin, Lucy |
| Co-advisor: | Jurelevicius, Diogo de Azevedo |
| Abstract: | A crescente demanda por alternativas aos surfactantes sintéticos tem impulsionado o interesse na pesquisa sobre biossurfactantes e bioemulsificantes, devido às suas propriedades ecológicas e sustentáveis. No entanto, apesar de suas vantagens, a produção desses compostos, especialmente em larga escala, ainda enfrenta desafios relacionados a custos e rendimento. Nesse contexto, a busca por novas espécies bacterianas produtoras de biossurfactantes e bioemulsificantes, aliada ao desenvolvimento de estratégias para otimizar sua produção, é fundamental. Além disso, o estudo das vias metabólicas envolvidas na biossíntese desses compostos permite identificar mecanismos regulatórios, melhorar a eficiência produtiva e explorar possíveis aplicações biotecnológicas. Recentemente, as estirpes LABEM I01, LABEM I02 (relacionadas ao gênero Paenibacillus) e LABEM I03 (relacionadas ao gênero Psychrobacillus) foram isoladas por nosso grupo de pesquisa. Sendo assim, os objetivos deste estudo foram: (i) otimizar as condições de cultivo objetivando melhorar a produção de biossurfactantes e bioemulsificantes; (ii) caracterizar geneticamente e funcionalmente as estirpes LABEM I01, LABEM I02 (Paenibacillus sp.) e LABEM I03 (Psychrobacillus sp.), determinando sua diversidade genômica, suas vias metabólicas e seu potencial biotecnológico. Análises do teste de emulsificação e do teste do colapso da gota mostraram que todas as bactérias estudadas são produtoras de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes. Posteriormente, foram realizadas análises de planejamento experimental para determinar as melhores condições de produção de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes pelas estirpes LABEM I01, LABEM I02 e LABEM I03. Os resultados mostraram que a melhor temperatura de produção de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes foi de 34 °C para todas as bactérias. Para os resultados da tensão superficial, enquanto a produção de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes pela estirpe LABEM I02 não tenha sido influenciada pela salinidade e/ou pH do meio, para LABEM I01, foi vista uma melhor produção quando crescida em pH 9 e 2% de salinidade. Para LABEM I03, a produção desses compostos foi maior em pH 5. Análises de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) foram utilizadas para detectar a produção de surfactina e fengicina, biossurfactantes da classe dos lipopeptídeos, pelas estirpes LABEM I01, LABEM I02 e LABEM I03. Os resultados da CLAE mostraram que as estirpes LABEM I01 e LABEM I02 produzem o lipopeptídeo fengicina. Entretanto, a produção do lipopeptídeo surfactina não foi detectada para nenhuma bactéria. Em relação a análise do genoma das estirpes LABEM I01, LABEM I02 e LABEM I03, primeiramente foi mostrado, através de análises da Identidade Média de Nucleotídeos (ANI) e da Hibridização Digital DNA-DNA (dDDH), que as estirpes LABEM I01 e LABEM I02 representam espécies novas do gênero Paenibacillus, enquanto a LABEM I03 representa uma espécie nova do gênero Psychrobacillus. Todas as bactérias apresentaram no seu genoma genes relacionados à produção de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes. Embora a presença de genes relacionados à produção de lipopeptídeos tenha sido observada nas estirpes LABEM I01 e LABEM I02, na estirpe LABEM I03 apenas genes relacionados à produção de exopolissacarídeos foram detectados. Adicionalmente, os resultados mostraram que a estirpe LABEM I02 possui os genes que codificam para produção de 2,3-butanodiol, um metabólito de importante valor biotecnológico. Sendo assim, os resultados deste trabalho mostraram que as estirpes LABEM I01, LABEM I02 e LABEM I03, além da produção de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes, possuem potencial de aplicação em diferentes processos biotecnológicos. Nossos resultados ressaltam, em particular, a importância biotecnológica de novas espécies de bactérias pertencentes aos gêneros Paenibacillus e Psychrobacillus. |
| Abstract: | The growing demand for alternatives to synthetic surfactants has driven increased interest in research on biosurfactants and bioemulsifiers due to their ecological and sustainable properties. However, despite their advantages, the production of these compounds, especially on a large scale, still faces challenges related to cost and yield. In this context, the search for new bacterial species capable of producing biosurfactants and bioemulsifiers, combined with the development of strategies to optimize their production, is essential. Furthermore, studying the metabolic pathways involved in the biosynthesis of these compounds allows for the identification of regulatory mechanisms, improvement of production efficiency, and exploration of potential biotechnological applications. Recently, the strains LABEM I01 and LABEM I02 (related to the Paenibacillus genus) and LABEM I03 (related to the Psychrobacillus genus) were isolated by our research group. Therefore, the objectives of this study were: (i) optimize cultivation conditions aiming to enhance the production of biosurfactants and bioemulsifiers; (ii) to genetically and functionally characterize the strains LABEM I01, LABEM I02 (Paenibacillus sp.), and LABEM I03 (Psychrobacillus sp.), determining their genomic diversity, metabolic pathways, and biotechnological potential. Emulsification and drop-collapse tests revealed that all the studied bacteria produce biosurfactants and/or bioemulsifiers. Subsequently, experimental design analyses were conducted to determine the optimal production conditions for biosurfactants and/or bioemulsifiers by LABEM I01, LABEM I02, and LABEM I03. The results indicated that the optimal production temperature for all strains was 34°C. Regarding surface tension, while the biosurfactant and/or bioemulsifier production by LABEM I02 was not influenced by medium salinity and pH, LABEM I01 exhibited higher production at pH 9 and 2% salinity. For LABEM I03, the highest production occurred at pH 5. High-performance liquid chromatography (HPLC) analyses were used to detect the production of surfactin and fengycin, which are biosurfactants from the lipopeptide class, by LABEM I01, LABEM I02, and LABEM I03. The HPLC results showed that LABEM I01 and LABEM I02 produce the lipopeptide fengycin. However, surfactin production was not detected in any of the strains. Regarding the genomic analysis of LABEM I01, LABEM I02, and LABEM I03, Average Nucleotide Identity (ANI) and Digital DNA-DNA Hybridization (dDDH) analyses revealed that LABEM I01 and LABEM I02 represent new species of the Paenibacillus genus, while LABEM I03 represents a new species of the Psychrobacillus genus. All strains harbored genes related to biosurfactant and/or bioemulsifier production. Although genes associated with lipopeptide production were found in LABEM I01 and LABEM I02, LABEM I03 only presented genes linked to exopolysaccharide production. Additionally, the results showed that LABEM I02 possesses genes encoding the production of 2,3-butanediol, a metabolite of significant biotechnological value. Thus, the findings of this study demonstrate that LABEM I01, LABEM I02, and LABEM I03, in addition to their biosurfactant and/or bioemulsifier production capabilities, hold potential applications in various biotechnological processes. Our results particularly highlight the biotechnological relevance of new bacterial species belonging to the Paenibacillus and Psychrobacillus genera. |
| Keywords: | Genoma bacteriano. Biotecnologia ambiental. Lipopeptídeos. Biossurfactantes. Paenibacillus. Bioemulsificante. Biotecnologia vegetal. |
| Subject CNPq: | CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::MICROBIOLOGIA |
| Program: | Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia Vegetal e Bioprocessos |
| Production unit: | Decania do Centro de Ciências da Saúde |
| Publisher: | Universidade Federal do Rio de Janeiro |
| Issue Date: | 27-Mar-2025 |
| Publisher country: | Brasil |
| Language: | por |
| Right access: | Acesso Aberto |
| Citation: | Argentino, Isabella Campelo Vilardi ; Seldin, Lucy, orient. Análise genômica e produção de biossurfactantes e/ou bioemulsificantes por três espécies novas dos gêneros Paenibacillus e Psychrobacillus. Rio de Janeiro : UFRJ, 2025. Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Decania do Centro de Ciências da Saúde, Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia Vegetal e Bioprocessos, 2025. |
| Appears in Collections: | Biotecnologia Vegetal e Bioprocessos |
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