Pesquisa desenvolvida em parceria com instituições dos Estados Unidos utiliza bactérias geneticamente modificadas para reduzir gargalos produtivos do biocombustível e avança para testes em escala ampliada.
Uma modificação genética desenvolvida por pesquisadoras da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) pode aumentar em até 30% o rendimento do etanol de segunda geração (E2G), um dos principais biocombustíveis considerados estratégicos para a descarbonização da matriz energética global. A tecnologia, protegida por pedido de patente no Brasil e nos Estados Unidos, foi licenciada para a empresa norte-americana Terragia Biofuel, que será responsável pelos próximos testes de escalonamento.
O desenvolvimento é resultado de um acordo internacional de pesquisa, desenvolvimento e inovação entre a Unicamp, o Dartmouth College, dos Estados Unidos, e a Terragia Biofuel. O projeto integra as atividades do Laboratório de Biocombustíveis Avançados de Segunda Geração (A2G), sediado na universidade paulista e financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).
A inovação propõe uma rota alternativa para a produção de etanol celulósico, utilizando bactérias anaeróbias termofílicas geneticamente modificadas capazes de aumentar a eficiência do processo produtivo e reduzir um dos principais entraves econômicos do combustível.
Processo elimina etapas que elevam os custos do etanol 2G
O etanol de segunda geração é produzido a partir de resíduos lignocelulósicos, como bagaço e palha da cana-de-açúcar, e possui potencial para ampliar a oferta de biocombustíveis sustentáveis sem demandar novas áreas agrícolas. No entanto, seu custo de produção ainda é superior ao do etanol convencional e ao dos combustíveis fósseis.
O modelo atualmente utilizado pela indústria depende do uso de leveduras para a fermentação do material vegetal e exige etapas adicionais de pré-tratamento termoquímico e aplicação de enzimas hidrolíticas para a conversão da biomassa em açúcares fermentáveis.
Ao abordar os desafios tecnológicos do processo, a pesquisadora do Centro de Biologia Molecular e Engenharia Genética (CBMEG) da Unicamp, Luana Walravens Bergamo, destacou o impacto dessas etapas no custo final do combustível.
“Juntas, essas duas etapas elevam consideravelmente o custo de produção do biocombustível”, explica Luana Walravens Bergamo, pesquisadora do CBMEG e integrante do estudo.
A tecnologia desenvolvida pela equipe adota o conceito de Bioprocessamento Consolidado (Consolidated Bioprocessing – CBP), no qual bactérias geneticamente modificadas realizam simultaneamente a degradação da biomassa e a fermentação do material, simplificando a cadeia produtiva.
Engenharia genética combina características complementares de bactérias
A estratégia científica adotada pelos pesquisadores utilizou duas bactérias com características complementares. Enquanto a Clostridium thermocellum possui elevada capacidade de degradar celulose, sua produção natural de etanol é limitada. Já a Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum apresenta alta eficiência na produção do biocombustível, mas não consegue degradar a biomassa lignocelulósica.
Ao explicar o racional do projeto, Bergamo destacou a complementaridade entre os dois microrganismos utilizados no estudo.
“Tínhamos, portanto, dois microrganismos complementares: um que produz muito etanol, mas não degrada celulose, e outro que degrada a biomassa com excelência, mas não gera um bom rendimento do biocombustível”, comenta Bergamo.
A pesquisa identificou proteínas responsáveis pela elevada produção de etanol na segunda bactéria e transferiu os genes correspondentes para a bactéria utilizada no processo de degradação da biomassa, aumentando significativamente sua eficiência metabólica.
A autora principal do trabalho, Layse Costa de Souza, explicou como a engenharia genética permitiu melhorar o desempenho do processo produtivo.
“Uma vez mapeadas as rotas capazes de suportar esse nível de produção, transferimos os genes dessas proteínas para a nossa bactéria-chave do processo CBP, aquela que degrada a celulose. Como resultado dessa engenharia genética, conseguimos obter uma produção de etanol significativamente elevada”, diz Souza.
Nova rota metabólica pode ampliar a produção do biocombustível
Outro resultado relevante da pesquisa foi a identificação do papel de uma enzima denominada HfsD, capaz de atuar no equilíbrio metabólico necessário para a produção eficiente do etanol.
Até então, enzimas associadas à produção de hidrogênio eram consideradas prejudiciais ao rendimento do biocombustível. Os pesquisadores demonstraram que a HfsD exerce função essencial no processo de reciclagem celular necessário para a conversão dos açúcares em etanol.
Ao detalhar o mecanismo identificado durante o doutorado, Souza explicou a importância do controle do metabolismo do hidrogênio.
“Identificamos como regular esse metabolismo para que o hidrogênio não seja um vilão, e sim um intermediário da reação”, descreve Souza.
A hipótese científica foi denominada redox balance via hydrogen cycling e poderá contribuir para novas aplicações em engenharia metabólica voltadas à produção de biocombustíveis avançados.
Testes indicam aumento de até 30% no rendimento
Os experimentos realizados em laboratório apresentaram resultados considerados expressivos pela equipe de pesquisa. Em uma das linhagens desenvolvidas, o rendimento do etanol aumentou de 59,8% para 88,5% do máximo teórico, representando um ganho próximo de 30%.
Ao comparar os resultados obtidos com outras modificações genéticas anteriormente testadas, Bergamo ressaltou o desempenho alcançado pela nova tecnologia.
“Já testamos outras modificações usando proteínas heterólogas. Em geral, o aumento fica entre 5% e 10%. Esse foi um resultado bem mais expressivo”, avalia Bergamo.
Apesar dos resultados promissores, a tecnologia ainda precisará superar desafios relacionados ao escalonamento industrial, à resistência das bactérias em ambientes produtivos e aos limites metabólicos impostos pela concentração de etanol durante a fermentação.
Próxima etapa será o escalonamento industrial
Todos os ensaios foram realizados em escala de bancada, utilizando pequenos frascos laboratoriais. A próxima etapa do projeto será conduzida pela Terragia Biofuel, responsável pelo licenciamento da tecnologia, que avaliará a replicação dos resultados em biorreatores de maior escala.
Para os pesquisadores, a inovação possui potencial de aplicação não apenas no processamento do bagaço da cana-de-açúcar, mas também em outras biomassas, como palha de milho, agave e folhas de eucalipto.
Caso os ganhos de produtividade sejam confirmados em escala industrial, a tecnologia poderá contribuir para aumentar a competitividade econômica do etanol de segunda geração, ampliar o aproveitamento energético dos resíduos agrícolas e fortalecer a posição do Brasil no mercado global de biocombustíveis avançados.
