Exploring Biodiversity For Natural Micro (Bio)-Based Polymers Biodegradable

Abstract

Os polímeros são necessários na sociedade atual. Durante a pandemia COVID-19, houve um aumento da produção e utilização de produtos plásticos. Isto levou ao agravamento dos problemas ambientais. Têm sido exploradas novas alternativas aos plásticos de origem petrolífera, entre eles os bioplásticos. Estes são geralmente definidos como plásticos produzidos a partir de matérias-primas renováveis ou por polímeros produzidos por microrganismos. Os poli-hidroxialcanoatos (PHA) são poliésteres que podem ser produzidos naturalmente e acumulados na forma de grânulos dentro de células bacterianas. As suas propriedades físico-químicas e térmicas dependem de cada organismo produtor e das condições de cultivo. O objetivo deste estudo é encontrar novos produtores de polímeros bacterianos, assim como novos tipos de polímeros. No total, 106 estirpes bacterianas pertencentes a coleções de cultura foram analisadas para a produção de PHA. A extração e a mineração genómica de cada estirpe foram realizadas com vista a encontrar genes essenciais à produção de PHA. Foi realizada a otimização dos parâmetros de produção, tais como pH, temperatura, fontes de carbono e tempo de incubação. Os produtos foram caracterizados por Fourier-Transform Infrared (FTIR) e Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Apenas um terço dos isolados apresentou resultados positivos no rastreio, sendo a maioria das estirpes pertencentes à classe Alphaproteobacteria. O gene que codifica para a enzima essencial na produção de PHA (PHA sintase) foi encontrado em genomas de 47 géneros bacterianos. Combinando a informação genómica e o rastreio bioquímico, os cinco produtores bacterianos selecionados mostraram diferentes parâmetros de produção, assim como condições ótimas de produção. O PHA produzido nas condições ótimas para cada estirpe varia de 0.019±0.001 a 0.088±0.007 g.L-1 de PHB equivalentes/DO600. Quando caracterizadas por FTIR e NMR, o PHA destas estirpes mostrou diferenças quando comparado com a literatura. Em conclusão, este trabalho mostrou novos produtores bacterianos e novos polímeros que poderiam ser utilizados como potencial económico.

Polymers are necessary for a society that uses them in its daily life. During the pandemic of COVID-19, there was an increase in the production and use of plastic products. This has led to worsening environmental problems. New alternatives to petroleum-based plastics have been explored, especially bioplastics. Bioplastics are generally defined as plastics produced from renewable raw materials or by several polymers produced by microorganisms. Polyhydroxyalkanoates (PHA) are polyesters that can be naturally produced and accumulated as granules inside bacteria cells. Their physicochemical and thermal properties depend on each producer organism and cultivation conditions. The aim of this study is to find new bacterial-polymers producers and new types of polymers. In total, 106 bacterial strains from culture collections were screened for PHA production. The genome mining of each strain was performed in order to find key genes involved in PHA production. The optimization of producing parameters, such as pH, temperature, carbon sources and incubation time, was performed and products were characterized by Fourier-transform Infrared (FTIR) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Only one-third of isolates showed positive results on screening, most of the strains belonging to the class Alphaproteobacteria. The key gene involved in encoding PHA production for PHA synthase was found in 47 bacterial genera. Combining the genomic information and biochemical screening, the best five bacterial producers showed different producing parameters as optimal production conditions. The PHA produced for each strain at optimal conditions varies from 0.019 ± 0.001 a 0.088 ± 0.007 g.L-1 of PHB equivalents/OD600. When characterized by FTIR and NMR, the PHA of these strains showed differences when compared to the literature. In conclusion, this work showed new bacterial producers and new polymers that could be used as economic potential.