Estudo para converter biomassa em etanol celulósico avança

As primeiras plantas industriais de produção de etanol de segunda geração devem entrar em operação no Brasil a partir de 2014, em escala comercial ou de demonstração de tecnologia. A expectativa é que produzam de 3 a 82 milhões de litros de combustível por ano, colocando à prova os esforços dos cientistas de todo o globo para desenvolver um processo eficiente de quebra da biomassa em açúcares capazes de serem fermentados em etanol.

Os principais desafios científicos e tecnológicos da produção em escala do etanol celulósico foram tema de workshop promovido pelo Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE), em Campinas.

O Second Generation Bioethanol 2013: Enzymatic Hydrolysis, apoiado pela FAPESP, reuniu mais de 130 profissionais para debater temas como hidrólise enzimática, relações entre estrutura e função de enzimas, aspectos relacionados a bioprocessos, metagenômica aplicada a biocombustíveis, produção de proteínas, transdução de sinal em fungos filamentosos, fermentação de pentoses por leveduras, evolução molecular de enzimas e novas fontes de energia.

Os grandes gargalos do setor continuam sendo o alto custo e a baixa eficiência dos coquetéis enzimáticos, este último causado por diversos inibidores da reação. Os próprios componentes da biomassa interferem na reação de hidrólise.

“O bagaço de cana é um material muito heterogêneo, contempla celulose, hemicelulose e lignina, um composto que transpassa a fibra e inibe a atividade enzimática”, disse André Ferraz, pesquisador da Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo (USP).

Apesar da complexidade do processo, avanços significativos foram obtidos nos últimos anos. Neil Brown, pesquisador da USP de Ribeirão Preto, destacou o aumento considerável de dados genômicos ligados a microrganismos que secretam enzimas com potencial para degradar a biomassa, assim como a ampliação do conhecimento sobre sistemas de ação relacionados à produção dessas enzimas e o uso em larga escala de abordagens “ômicas”, como metagenômica e proteômica.

“Para continuar a avançar nas pesquisas, precisamos de sistemas de biologia computacional que combinem dados dessas diversas abordagens em modelos que contribuam para a criação de sistemas enzimáticos mais eficazes. No Reino Unido, quem trabalha com bioinformática atualmente possui uma longa lista de cientistas desejando a sua atenção”, comentou Brown.

Na área de genômica, Igor Grigoriev, do DOE Joint Genome Institute, dos Estados Unidos, abordou o projeto 1000 Fungal Genome. A iniciativa agrega diversas instituições norte-americanas em torno do sequenciamento de 1000 espécies de fungos até 2016. Esses microrganismos são os principais secretores de enzimas que degradam a biomassa em açúcares que podem ser utilizados para a produção de biocombustíveis e outros produtos de alto valor agregado.

Química e biomassa

A edição deste ano do workshop Second Generation Bioethanol contemplou novas sessões sobre estudos com leveduras capazes de converter açúcares de cinco carbonos em etanol. As leveduras industriais atuais não conseguem fermentar tais compostos presentes na biomassa lignocelulolítica, como xilose ou galactose. Entretanto, estes representam mais de 30% dos açúcares presentes na biomassa de cana.

Yong-Su Jin, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, mostrou resultados de estudos com modificações genéticas em espécies de Saccharomyces cerevisiae com o propósito de metabolizar pentoses. O grupo introduziu na levedura genes para a fermentação de celobiose e xilose.

Outra espécie foi modificada para cofermentar o aceto, um coproduto da reação anterior. As espécies modificadas obtiveram resultados expressivos na fermentação simultânea dos compostos. “Nossos resultados sugerem que a cofermentação simultânea de inúmeros açúcares é uma estratégia promissora para produzir combustíveis e substâncias químicas a partir de biomassa.”

Ao final do workshop, os coordenadores do evento e pesquisadores do CTBE Gustavo Goldman, Juliana Velasco de Oliveira e Fábio Squina destacaram que um dos maiores desafios do Brasil na área é também sua principal solução.

“O nosso país possui uma matéria-prima que produz grandes volumes de biomassa, assim como um complexo industrial de produção de etanol de primeira geração otimizado. Isso representa uma vantagem competitiva perante outros países, ao mesmo tempo em que obriga a futura tecnologia de segunda geração a ser mais eficiente do que a desenvolvida em nações concorrentes”, disse Goldman.

Os três pesquisadores coordenam linhas de pesquisa no CTBE que combinam abordagens “ômicas”, como genômica funcional, metagenômica, transcriptômica e proteômica. Tecnologias de alto desempenho são empregadas para a descoberta de enzimas com aplicação biotecnológica e a compreensão dos mecanismos moleculares envolvidos na conversão da biomassa vegetal por sistemas enzimáticos.

“Como consequência desses estudos, temos disponibilizado à comunidade científica uma coleção de enzimas recombinantes com amplas aplicações biotecnológicas, provenientes de diversas fontes, como microrganismos hipertermofílicos, cupins, metagenoma de solo, fungos filamentosos e genes sintéticos”, detalhou Squina. Além de publicações científicas, o grupo depositou algumas patentes nos últimos anos.

As primeiras plantas industriais de produção de etanol de segunda geração devem entrar em operação no Brasil a partir de 2014, em escala comercial ou de demonstração de tecnologia. A expectativa é que produzam de 3 a 82 milhões de litros de combustível por ano, colocando à prova os esforços dos cientistas de todo o globo para desenvolver um processo eficiente de quebra da biomassa em açúcares capazes de serem fermentados em etanol.

Os principais desafios científicos e tecnológicos da produção em escala do etanol celulósico foram tema de workshop promovido pelo Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE), em Campinas.

O Second Generation Bioethanol 2013: Enzymatic Hydrolysis, apoiado pela FAPESP, reuniu mais de 130 profissionais para debater temas como hidrólise enzimática, relações entre estrutura e função de enzimas, aspectos relacionados a bioprocessos, metagenômica aplicada a biocombustíveis, produção de proteínas, transdução de sinal em fungos filamentosos, fermentação de pentoses por leveduras, evolução molecular de enzimas e novas fontes de energia.

Os grandes gargalos do setor continuam sendo o alto custo e a baixa eficiência dos coquetéis enzimáticos, este último causado por diversos inibidores da reação. Os próprios componentes da biomassa interferem na reação de hidrólise.

“O bagaço de cana é um material muito heterogêneo, contempla celulose, hemicelulose e lignina, um composto que transpassa a fibra e inibe a atividade enzimática”, disse André Ferraz, pesquisador da Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo (USP).

Apesar da complexidade do processo, avanços significativos foram obtidos nos últimos anos. Neil Brown, pesquisador da USP de Ribeirão Preto, destacou o aumento considerável de dados genômicos ligados a microrganismos que secretam enzimas com potencial para degradar a biomassa, assim como a ampliação do conhecimento sobre sistemas de ação relacionados à produção dessas enzimas e o uso em larga escala de abordagens “ômicas”, como metagenômica e proteômica.

“Para continuar a avançar nas pesquisas, precisamos de sistemas de biologia computacional que combinem dados dessas diversas abordagens em modelos que contribuam para a criação de sistemas enzimáticos mais eficazes. No Reino Unido, quem trabalha com bioinformática atualmente possui uma longa lista de cientistas desejando a sua atenção”, comentou Brown.

Na área de genômica, Igor Grigoriev, do DOE Joint Genome Institute, dos Estados Unidos, abordou o projeto 1000 Fungal Genome. A iniciativa agrega diversas instituições norte-americanas em torno do sequenciamento de 1000 espécies de fungos até 2016. Esses microrganismos são os principais secretores de enzimas que degradam a biomassa em açúcares que podem ser utilizados para a produção de biocombustíveis e outros produtos de alto valor agregado.

Química e biomassa

A edição deste ano do workshop Second Generation Bioethanol contemplou novas sessões sobre estudos com leveduras capazes de converter açúcares de cinco carbonos em etanol. As leveduras industriais atuais não conseguem fermentar tais compostos presentes na biomassa lignocelulolítica, como xilose ou galactose. Entretanto, estes representam mais de 30% dos açúcares presentes na biomassa de cana.

Yong-Su Jin, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, mostrou resultados de estudos com modificações genéticas em espécies de Saccharomyces cerevisiae com o propósito de metabolizar pentoses. O grupo introduziu na levedura genes para a fermentação de celobiose e xilose.

Outra espécie foi modificada para cofermentar o aceto, um coproduto da reação anterior. As espécies modificadas obtiveram resultados expressivos na fermentação simultânea dos compostos. “Nossos resultados sugerem que a cofermentação simultânea de inúmeros açúcares é uma estratégia promissora para produzir combustíveis e substâncias químicas a partir de biomassa.”

Ao final do workshop, os coordenadores do evento e pesquisadores do CTBE Gustavo Goldman, Juliana Velasco de Oliveira e Fábio Squina destacaram que um dos maiores desafios do Brasil na área é também sua principal solução.

“O nosso país possui uma matéria-prima que produz grandes volumes de biomassa, assim como um complexo industrial de produção de etanol de primeira geração otimizado. Isso representa uma vantagem competitiva perante outros países, ao mesmo tempo em que obriga a futura tecnologia de segunda geração a ser mais eficiente do que a desenvolvida em nações concorrentes”, disse Goldman.

Os três pesquisadores coordenam linhas de pesquisa no CTBE que combinam abordagens “ômicas”, como genômica funcional, metagenômica, transcriptômica e proteômica. Tecnologias de alto desempenho são empregadas para a descoberta de enzimas com aplicação biotecnológica e a compreensão dos mecanismos moleculares envolvidos na conversão da biomassa vegetal por sistemas enzimáticos.

“Como consequência desses estudos, temos disponibilizado à comunidade científica uma coleção de enzimas recombinantes com amplas aplicações biotecnológicas, provenientes de diversas fontes, como microrganismos hipertermofílicos, cupins, metagenoma de solo, fungos filamentosos e genes sintéticos”, detalhou Squina. Além de publicações científicas, o grupo depositou algumas patentes nos últimos anos.