Estudo do metabolismo de polietileno : desvendando as estratégias metabólicas microbianas envolvidas na biodegradação de plásticos

• Main Author: Treptow, Julianna Peixoto
• Other Authors: Kruger, Ricardo Henrique
• Language: Portuguese
• Published: 2018
• Subjects: Biodegradação; Polietileno; Plástico
• Online Access: http://repositorio.unb.br/handle/10482/32299

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Departamento de Biologia Celular, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2018. === Submitted by Raquel Viana ([e-mail]) on 2018-07-16T18:20:55Z No. of bitstreams: 1 2018_JuliannaPeixotoTreptow.pdf: 24300542 bytes, checksum: 30d6b728e8523332791a625c8449560d (MD5) === Approved for entry into archive by Raquel Viana ([e-mail]) on 2018-07-20T20:32:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_JuliannaPeixotoTreptow.pdf: 24300542 bytes, checksum: 30d6b728e8523332791a625c8449560d (MD5) === Made available in DSpace on 2018-07-20T20:32:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_JuliannaPeixotoTreptow.pdf: 24300542 bytes, checksum: 30d6b728e8523332791a625c8449560d (MD5) Previous issue date: 2018-07-16 === Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). === O polietileno (PE) é o polímero sintético mais amplamente utilizado, cuja produção mundial atinge cerca de 150 milhões de toneladas por ano. Como consequência de suas características físico-químicas, o PE é extremamente recalcitrante e resistente ao ataque microbiano, sendo necessários mais de 100 anos para que se decomponha em ambientes naturais. Em virtude da ausência de estratégias eficientes para a gestão dos plásticos pós-consumo, esses materiais inertes acumulam-se nos ecossistemas acarretando dramáticas consequências à sociedade e aos ambientes naturais. Diante do crescente problema imposto pela alta produção desses materiais, foram isoladas a partir de debris plásticos descartados no solo do Cerrado 9 bactérias pertencentes aos gêneros Comamonas, Delftia e Stenotrophomonas capazes de degradar PE de altíssima massa molecular sem a necessidade de pré-tratamentos. Esses isolados apresentaram notáveis atividade metabólica e viabilidade celular após 90 dias de incubação na presença de PE como única fonte de carbono e energia, o que indica que estes são capazes de prosperar por longos períodos expostos a essa condição. As alterações das características físico-químicas e estruturais do PE induzidas pela biodegradação, como composição química, cristalinidade, viscoelasticidade, massa molecular e topografia, foram inferidas por meio do uso de diferentes técnicas espectroscópicas e microscópicas. O perfil químico do PE biodegradado aliado às análises em nível genômico e transcritômico indicam que esses isolados empregam na fragmentação oxidativa desse polímero estratégias metabólicas nunca antes descritas, além do potencial envolvimento de oxidorredutases extracelulares nesta. Uma dessas estratégias é a modificação oxidativa do polímero mediada pela produção biótica de óxido nítrico. Ademais, foram identificadas mais de 15 oxidases potencialmente participantes desse processo degradativo. Até o nosso conhecimento, esse é o primeiro estudo que caracteriza o metabolismo completo de PE em nível celular, o qual foi realizado a partir da integração de abordagens experimentais, genômicas e transcritômicas. O estudo detalhado do metabolismo de PE possibilita a compreensão dos mecanismos moleculares que atuam na biodegradação em nível celular, o que emerge como condição fundamental para o desenvolvimento de estratégias sustentáveis com aplicações práticas na gestão dos resíduos plásticos e na descontaminação dos ambientes naturais, visando à proteção e restauração dos ecossistemas. === Polyethylene (PE) is the most utilized synthetic polymer with a global production that exceeds 150 million tons/year. As a consequence of its physicochemical properties, PE-based materials are extremely recalcitrant and inert requires over 100 years to decompose under natural conditions. In an attempt to address this important global issue, we have isolated from the Brazilian Cerrado soil nine novel bacterial strains of Comamonas, Delftia and Stenotrophomonas capable of degrading unpretreated PE of very high molecular weight (191.000). These bacterial strains showed metabolic activity and cellular viability after a 90-day incubation with PE as the sole carbon and energy source, indicating that they can thrive for long periods under such conditions. Changes in PE chemical composition, crystallinity, viscoelasticity, molecular weight and topography induced by these microbes were assessed by different spectroscopic and microscopic approaches. Intriguingly, the biodegraded PE chemical fingerprint, together with genomic and transcriptomic analysis, indicated not only the reported participation of extracellular oxidoreductases in the oxidative fragmentation of this polymer, but also the involvement of yet undescribed biochemical strategies to cope with this process. One such strategy is the oxidation of the polymer, triggered by the biotic production of nitric oxide. Furthermore, we have identified over 15 extracellular oxidases that potentially participate in the biodegradation process. To the best of our knowledge, this is the first study characterizing the metabolism of high molecular weight PE at a cellular level following an integrated experimental, genomic and transcriptomic approach. The detailed study of PE metabolism increases the understanding of the molecular mechanisms underlying its biodegradation, which is critical for the development of sustainable strategies to address the plastic disposal issue and the recovery of harmed natural environments in order to preserve both human and wild lives.