Biocombustíveis

Etanol celulósico: descoberta enzima na Amazônia

Wednesday, 16 de May de 2018

Etanol celulósico: descoberta enzima na Amazônia

A produção do etanol de segunda geração, ou etanol celulósico, obtido a partir da palha e do bagaço da cana-de-açúcar, pode aumentar em até 50% a produção brasileira de álcool.

Nosso país possui a melhor biomassa do planeta, a capacidade industrial instalada, a engenharia especializada e a levedura adequada.

Mas ainda falta completar a composição do coquetel enzimático capaz de viabilizar o processo de sacarificação, por meio do qual os açúcares complexos (polissacarídeos) são despolimerizados e decompostos em açúcares simples. Compor uma plataforma microbiana industrial para a produção do conjunto de enzimas necessárias é o alvo de todas as pesquisas na área.

Um importante resultado acaba de ser alcançado com a descoberta de microrganismos naturais capazes de produzir uma enzima crítica para o êxito do empreendimento. A descoberta foi feita no lago Poraquê, no município de Coari (Amazonas), próximo do Terminal Solimões da Petrobras.

O estudo contou com a participação de pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), da Petrobras, da Universidade de São Paulo (USP) e da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

Enzima para fabricar etanol

Isolada, caracterizada e produzida, a enzima mostrou-se compatível com duas fases essenciais da produção do etanol de segunda geração: a fermentação e a sacarificação. A realização simultânea dessas duas etapas oferece a perspectiva de uma grande redução de custos para a indústria sucroalcooleira, uma vez que as reações podem ocorrer em um único reator e com economia de reagentes.

"A sacarificação é a etapa mais cara do processo. De 30% a 50% do custo do etanol celulósico é despendido com as enzimas necessárias para transformar os açúcares complexos em açúcares simples. E, atualmente, a eficiência da conversão realizada por essas enzimas está entre 50% e 65%. Isso significa que de 50% a 35% do açúcar disponível na biomassa é 'perdido' durante a sacarificação. O grande propósito do nosso estudo foi encontrar biocatalisadores capazes de contribuir para o aumento da eficiência", disse Mário Tyago Murakami, um dos coordenadores da pesquisa.

Segundo o pesquisador, no arsenal de enzimas necessárias, atuando de maneira sinérgica, as beta-glucosidases têm importância fundamental, porque respondem pela última fase da cascata de sacarificação da celulose.

"Sabemos que, à medida que aumenta o percentual do produto da sacarificação, a taxa do processo de sacarificação cai porque a presença do produto inibe a atuação das enzimas. Isso é uma espécie de regra geral. No caso específico, a glicose gerada restringe a atuação das beta-glucosidases. Esse gargalo tecnológico tem sido objeto de estudos exaustivos. Para aumentar a eficiência da sacarificação, é preciso que as beta-glucosidases sejam altamente tolerantes à presença da glicose", disse Murakami.

Devido a especificidades genéticas, decorrentes de diferenças no processo evolutivo, enzimas homólogas podem apresentar variados graus de resistência à inibição pelo produto.

Por isso os pesquisadores partiram para um esforço de bioprospecção, procurando as beta-glucosidases mais adaptadas à biomassa existente no território brasileiro. Para isso, foram investigados os processos naturais que ocorrem em diferentes biomas do país, tanto na Floresta Amazônica como no Cerrado.

Alimentação de celulose

O achado mais promissor ocorreu no lago Poraquê, onde amostras da comunidade microbiana não cultivável local apresentaram genes codificadores de beta-glucosidases com o potencial industrial procurado.

"Em um habitat como o lago Poraquê os microrganismos adaptaram-se a uma alimentação muito rica em polissacarídeos, constituída por resíduos de madeira, folhas de plantas e etc. A enzima beta-glucosidase presente nesses microrganismos é distinta de enzimas homólogas resultantes de pressões evolutivas diferentes", disse Murakami.

O próximo passo será fazer estudos de combinação dessa enzima com os coquetéis enzimáticos fúngicos já existentes, visando o ganho de eficiência no aumento da sacarificação.

"Uma vez extraído o gene de interesse, a partir de bibliotecas gênicas de microrganismos não cultiváveis e de possíveis modificações racionais baseadas no conhecimento da estrutura para aumento de termoestabilidade, ele é transferido para outros hospedeiros por meio de técnicas de biologia molecular. O hospedeiro em questão é o trichoderma, um fungo filamentoso que já possui um arsenal de enzimas ativas sobre carboidratos. Com a adição da beta-glucosidase amazônica, ele terá seu potencial aumentado. Trata-se de potencializar uma plataforma microbiana industrial já existente", disse Murakami.

Evolução age rapidamente contra biofabricação em escala industrial

Tudo vai bem nos biorreatores em escala de laboratório - mas, nos volumes envolvidos, na escala industrial a evolução acontece a uma velocidade não prevista pelos cientistas. [Imagem: Embrapa/Vivian Chies]

Virtualmente todas as rotas tecnológicas em direção a uma química mais verde e à produção de biocombustíveis de terceira geração passam por gigantescos biorreatores, tanques onde bactérias geneticamente modificadas transformam algum tipo de biomassa em produtos úteis.

Mas parece que os cientistas se esqueceram de combinar esse negócio com a evolução - as bactérias evoluem rapidamente para fazer o que é melhor para elas, o que não necessariamente é o melhor para a biofabricação.

"Usando uma nova abordagem ultra-profunda de sequenciamento de DNA, descobrimos que a evolução restringe a bioprodução," disse Morten Sommer, da Universidade Técnica da Dinamarca.

Natureza contra as modificações genéticas

Os experimentos feitos pela equipe mostram que os mecanismos da evolução limitam o aumento da escala de produção dos biorreatores por meio de uma variedade de mutações mais ampla e mais rápida do que se calculava.

"A evolução de subpopulações de células não produtivas levou à perda de produção em nossos estudos de caso. A velocidade da evolução depende do produto bioquímico, mas ela pode definitivamente acontecer dentro das escalas de tempo industriais. Isso dificulta o escalonamento dos processos biológicos," acrescentou Peter Rugbjerg, membro da equipe.

Os resultados sugerem que os genes modificados nas bactérias produtoras de substâncias químicas sofrem mutações principalmente por danos não previstos pelos cientistas e por rearranjos genéticos - em vez das mutações pontuais clássicas mais lentas, conhecidas como polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs).

As mutações tornam as células não produtoras mais adequadas à competição por nutrientes nos tanques de fermentação.

"Descobrimos que uma ampla diversidade de rupturas genéticas transformou as células produtoras em não produtoras quando sequenciamos milhares de organismos de produção ao longo do tempo. As células têm muitas formas internas de remover genes desnecessários, e ocorre que o mais importante é negligenciado nas ferramentas padrão de análise," disse Rugbjerg.

Evolução prejudicial

A expectativa da equipe é que sua descoberta sirva de base para que a indústria se antecipe à evolução, trabalhando para anular as mutações indesejadas em seus microrganismos geneticamente modificados.

Para isso, eles estão agora validando sua abordagem de bioinformática e testando o quão difundido é o problema na indústria real, o que está sendo feito por meio de colaborações com empresas de fermentação.

"Com base nessas descobertas, eu incentivaria as empresas que fazem fermentações em escala industrial a implantar o sequenciamento profundo das populações de fermentação para avaliar a extensão da evolução prejudicial," disse Morten Sommer.



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