A tendência futura das atuais usinas de processamento de cana é a de migrarem, progressivamente, para complexos de biorrefinarias, integrando a produção de alimentos, energia, especiarias químicas, fertilizantes, etcpor Décio Gazzoni
Uma das soluções que está sendo perseguida é integrar a produção de biomassa e a conversão microbiana para produção de etanol, utilizando uma bactéria fotossintética Synechocysti ssp. Ela pode converter diretamente dióxido de carbono em etanol, por meio de um sofisticado e exclusivo sistema biológico.
por Décio Gazzoni
Já é conhecida e divulgada a potencialidade de algas para a produção de biocombustíveis e também para a obtenção de especiarias químicas. Este artigo pretende descortinar as possibilidades de outros organismos que, assim como as microalgas, podem constituir sinergias interessantes com as atuais plantas de produção de etanol.
Cianobactérias, também conhecidas popularmente como algas azuis, são os mais antigos e primitivos organismos semelhantes a plantas, com capacidade de adaptação a uma grande variabilidade de condições ambientais. As cianobactérias prosperam em regiões áridas e semiáridas, em oceanos ou lagos, bem como sobre as rochas de ecossistemas aquáticos e terrestres. Geralmente são encontradas em ambientes que, em algum momento, se tornam anóxicos, como em sedimentos de lagos ou em simbiose na rizosfera de plantas superiores.
Esta vasta amplitude ecológica das cianobactérias só é possível devido a várias adaptações fisiológicas. Por exemplo, a capacidade de emular processos tipicamente vegetais como a fotossíntese e a capacidade de fixar o nitrogênio da atmosfera, permite a colonização da maioria dos habitats naturais e também faz das cianobactérias simbiontes valiosos em plantas superiores.
Uma das características que bem demonstra a amplitude de adaptação das cianobactérias é a capacidade de se reproduzir e crescer no escuro, durante um tempo relativamente longo. Por exemplo, sabe-se que a cianobactéria filamentosa do gênero Planktothrix, que ocorre com frequência em lagos nos Alpes, pode crescer no escuro, à mesma taxa que à luz, quando cultivada em um ciclo de claro e escuro, utilizando um processo conhecido como respiração de glicogênio. Outras cianobactérias são capazes de obter energia a partir de vários substratos, como a glicose, frutose ou sacarose em condições escuras e anoxigênicas.
Na área farmacêutica existem diversas substâncias produzidas por cianobactérias. Uma que se encontra em estudo é a Cyanovirin-N, que é um agente antiviral, com comprovada eficácia contra HIV. A partir das cianobactérias também são produzidas as microcistinas, que são agentes antitumorais, com potencial de se transformarem em medicamentos anticancerígenos.
Também podem ser obtidas as microgininas, que são lipopeptídeos, não tóxicos, com quatro a seis aminoácidos. Este grupo é caracterizado pela presença do derivado de aminoácido 3-amino-2 hidroxi-decanóico (AHDA) no N-terminal em comum, com efeito inibidor sobre a enzima conversora de angiotensina (ACE). Elas são, portanto, potenciais agentes para o tratamento de hipertensão e de doenças associadas, tais como a insuficiência cardíaca crônica e nefropatia diabética. Os compostos inibem ainda outras metaloproteases de zinco, como por exemplo, as leucina-aminopeptidases.
As cianobactérias também produzem vários polissacarídeos extracelulares, que são usados para o sequestro de nutrientes, proteção contra herbívoros e resistência à dessecação. Elas contêm várias proteínas ligadas a açúcares, que permitem a obtenção de substâncias com propriedades químicas demandadas por diferentes segmentos do mercado de química fina.
Exceção feita ao Brasil, onde o etanol em larga escala é obtido de cana, em outros países ou regiões, como EUA ou Europa, a atual produção de bioetanol enfrenta barreiras, devido a problemas como a concorrência com a produção de alimentos (a partir de biomassa baseada em cultivos alimentares) ou custo-efetividade (a partir de biomassa lignocelulósica).
Diversos grupos de pesquisa buscam alternativas para a produção de biocombustíveis na escala de centenas de bilhões de litros, em âmbito global.
Os fotossintatos produzidos por cianobactérias e outros microrganismos fotossintéticos podem ser transformados em etanol, sendo o rendimento mais elevado que aquele obtido com as técnicas tradicionais de fermentação de extratos de plantas (cana, milho, trigo, cevada ou beterraba) porque, dadas as condições ideais, o crescimento das colônias de bactérias é intenso e rápido, permitindo grande produção em menor espaço de tempo.
As cianobactérias têm sido isoladas de vários habitats, tanto de água doce quanto de sistemas marinhos. Posto que elas apresentam uma variação ampla nas propriedades fisiológicas, uma coleção de cianobactérias de vários habitats fornece uma excelente plataforma para a seleção de estirpes adequadas a diferentes processos industriais, em função do perfil de demanda do mercado.
Uma das soluções que está sendo perseguida é integrar a produção de biomassa e a conversão microbiana para produção de etanol, utilizando a bactéria fotossintética Synechocysti ssp. Ela pode converter diretamente dióxido de carbono em etanol, por meio de um sofisticado e exclusivo sistema biológico.
A estirpe mutante PCC6803 apresenta elevada eficiência de produção de etanol, que pode atingir até 5,50 g L-1 de meio de cultura, com rendimento de 500mg L-1 dia-1. A estirpe foi construída geneticamente por introdução da enzima piruvato descarboxilase de Zymomonasmobilis e superexpressão da enzima álcool desidrogenase endógena, através de recombinação homóloga em dois diferentes locais do cromossomo, além de silenciar a via biossintética de poli-β-hidroxibutirato.
No total, ocorre a combinação de nove enzimas álcool desidrogenases, obtidas a partir de diferentes estirpes de cianobactérias, que foram clonadas e expressadas em Escherichia coli, para testar a eficiência da produção de etanol. Foram avaliados os efeitos de diferentes condições de cultivo, incluindo a água de torneira, íons metálicos e aeração anóxica na produção de etanol, como critério de seleção das melhores combinações.
A etapa subsequente trata da extração, fracionamento e purificação do composto, preparação dos extratos de acordo com protocolos customizados para o tipo de substância que se tenciona obter.
Este é um ambiente no qual as bactérias cianogênicas encontram um nicho no qual podem se adaptar com perfeição aos processos industriais e às demandas de mercado. Uma sinergia específica com microalgas e cianobactérias é o aproveitamento da vinhaça como meio de cultura, enriquecendo-a com o gás carbônico proveniente da fermentação, considerado um insumo "fertilizante" para esta classe de organismos.
Para maiores informações sobre o tema, recomendo dois contatos:Dr. Rainer Kurmayer ou Dr. Guntram Christiansen telefone 0043 6232312532 E-mail: rainer.kurmayer@oeaw.ac.at; guntram.christiansen@gmail.com.
Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja. Foi eleito pela revista Isto É como um dos 100 brasileiros mais influentes do agronegócio. Já integrou a equipe da Secretaria de Assuntos Estratégicos da Presidência da República e, hoje, se dedica às pesquisas sobre o potencial agroenergético brasileiro.
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por Décio Gazzoni
Já é conhecida e divulgada a potencialidade de algas para a produção de biocombustíveis e também para a obtenção de especiarias químicas. Este artigo pretende descortinar as possibilidades de outros organismos que, assim como as microalgas, podem constituir sinergias interessantes com as atuais plantas de produção de etanol.
Cianobactérias, também conhecidas popularmente como algas azuis, são os mais antigos e primitivos organismos semelhantes a plantas, com capacidade de adaptação a uma grande variabilidade de condições ambientais. As cianobactérias prosperam em regiões áridas e semiáridas, em oceanos ou lagos, bem como sobre as rochas de ecossistemas aquáticos e terrestres. Geralmente são encontradas em ambientes que, em algum momento, se tornam anóxicos, como em sedimentos de lagos ou em simbiose na rizosfera de plantas superiores.
Esta vasta amplitude ecológica das cianobactérias só é possível devido a várias adaptações fisiológicas. Por exemplo, a capacidade de emular processos tipicamente vegetais como a fotossíntese e a capacidade de fixar o nitrogênio da atmosfera, permite a colonização da maioria dos habitats naturais e também faz das cianobactérias simbiontes valiosos em plantas superiores.
Uma das características que bem demonstra a amplitude de adaptação das cianobactérias é a capacidade de se reproduzir e crescer no escuro, durante um tempo relativamente longo. Por exemplo, sabe-se que a cianobactéria filamentosa do gênero Planktothrix, que ocorre com frequência em lagos nos Alpes, pode crescer no escuro, à mesma taxa que à luz, quando cultivada em um ciclo de claro e escuro, utilizando um processo conhecido como respiração de glicogênio. Outras cianobactérias são capazes de obter energia a partir de vários substratos, como a glicose, frutose ou sacarose em condições escuras e anoxigênicas.
Especiarias químicas
Do ponto de vista industrial, o que interessa é o aproveitamento econômico que pode ser obtido da rusticidade, diversidade e capacidade de produção de substâncias químicas das cianobactérias, que são extremamente ricas na produção de metabólitos secundários com propriedades interessantes. Um dos primeiros produtos comerciais obtidos de cianobactérias é um bloqueador de radiação ultra violeta da luz solar, denominado citonemina, que absorve a radiação no comprimento de onda de 325-425 nm. O produto é encontrado naturalmente em colônias de cianobactérias, sendo responsável pela cor preta do chamado "Tintenstriche", que se observa nas rochas dos Alpes.Na área farmacêutica existem diversas substâncias produzidas por cianobactérias. Uma que se encontra em estudo é a Cyanovirin-N, que é um agente antiviral, com comprovada eficácia contra HIV. A partir das cianobactérias também são produzidas as microcistinas, que são agentes antitumorais, com potencial de se transformarem em medicamentos anticancerígenos.
Também podem ser obtidas as microgininas, que são lipopeptídeos, não tóxicos, com quatro a seis aminoácidos. Este grupo é caracterizado pela presença do derivado de aminoácido 3-amino-2 hidroxi-decanóico (AHDA) no N-terminal em comum, com efeito inibidor sobre a enzima conversora de angiotensina (ACE). Elas são, portanto, potenciais agentes para o tratamento de hipertensão e de doenças associadas, tais como a insuficiência cardíaca crônica e nefropatia diabética. Os compostos inibem ainda outras metaloproteases de zinco, como por exemplo, as leucina-aminopeptidases.
As cianobactérias também produzem vários polissacarídeos extracelulares, que são usados para o sequestro de nutrientes, proteção contra herbívoros e resistência à dessecação. Elas contêm várias proteínas ligadas a açúcares, que permitem a obtenção de substâncias com propriedades químicas demandadas por diferentes segmentos do mercado de química fina.
Energia
O etanol é, atualmente, uma das fontes de energia alternativa mais promissoras para substituir a gasolina, e tem sido produzido através de fermentação, principalmente a partir do milho, cana-de-açúcar e outras plantas agrícolas. A crescente demanda por energia e as preocupações ambientais sobre as emissões de dióxido de carbono tornam o desenvolvimento e a produção de biocombustíveis renováveis cada vez mais atraentes.Exceção feita ao Brasil, onde o etanol em larga escala é obtido de cana, em outros países ou regiões, como EUA ou Europa, a atual produção de bioetanol enfrenta barreiras, devido a problemas como a concorrência com a produção de alimentos (a partir de biomassa baseada em cultivos alimentares) ou custo-efetividade (a partir de biomassa lignocelulósica).
Diversos grupos de pesquisa buscam alternativas para a produção de biocombustíveis na escala de centenas de bilhões de litros, em âmbito global.
Os fotossintatos produzidos por cianobactérias e outros microrganismos fotossintéticos podem ser transformados em etanol, sendo o rendimento mais elevado que aquele obtido com as técnicas tradicionais de fermentação de extratos de plantas (cana, milho, trigo, cevada ou beterraba) porque, dadas as condições ideais, o crescimento das colônias de bactérias é intenso e rápido, permitindo grande produção em menor espaço de tempo.
As cianobactérias têm sido isoladas de vários habitats, tanto de água doce quanto de sistemas marinhos. Posto que elas apresentam uma variação ampla nas propriedades fisiológicas, uma coleção de cianobactérias de vários habitats fornece uma excelente plataforma para a seleção de estirpes adequadas a diferentes processos industriais, em função do perfil de demanda do mercado.
Uma das soluções que está sendo perseguida é integrar a produção de biomassa e a conversão microbiana para produção de etanol, utilizando a bactéria fotossintética Synechocysti ssp. Ela pode converter diretamente dióxido de carbono em etanol, por meio de um sofisticado e exclusivo sistema biológico.
A estirpe mutante PCC6803 apresenta elevada eficiência de produção de etanol, que pode atingir até 5,50 g L-1 de meio de cultura, com rendimento de 500mg L-1 dia-1. A estirpe foi construída geneticamente por introdução da enzima piruvato descarboxilase de Zymomonasmobilis e superexpressão da enzima álcool desidrogenase endógena, através de recombinação homóloga em dois diferentes locais do cromossomo, além de silenciar a via biossintética de poli-β-hidroxibutirato.
No total, ocorre a combinação de nove enzimas álcool desidrogenases, obtidas a partir de diferentes estirpes de cianobactérias, que foram clonadas e expressadas em Escherichia coli, para testar a eficiência da produção de etanol. Foram avaliados os efeitos de diferentes condições de cultivo, incluindo a água de torneira, íons metálicos e aeração anóxica na produção de etanol, como critério de seleção das melhores combinações.
Tecnologia
A tecnologia para testes em protótipos foi estabelecida a partir de uma sequência rotineira em processos microbiológicos industriais, com o cultivo de cepas obtidas em uma coleção de mais de 1.500 estirpes, pertencentes a mais de 50 gêneros, testadas em pequena escala, em fotobiorreatores para até mil litros, em ambiente ao ar livre. Após o cultivo em meio adequado, ocorre a colheita e a liofilização de biomassa.A etapa subsequente trata da extração, fracionamento e purificação do composto, preparação dos extratos de acordo com protocolos customizados para o tipo de substância que se tenciona obter.
Potencial
A tendência futura das atuais usinas de processamento de cana é a de migrarem, progressivamente, para complexos de biorefinarias, integrando a produção de alimentos, energia, especiarias químicas, fertilizantes, etc. Com o ganho de amplitude, torna-se necessário tornar mais abrangente tanto a matéria-prima com a qual se opera, quanto os processos tecnológicos, bem como o espectro de produtos de alto valor agregado.Este é um ambiente no qual as bactérias cianogênicas encontram um nicho no qual podem se adaptar com perfeição aos processos industriais e às demandas de mercado. Uma sinergia específica com microalgas e cianobactérias é o aproveitamento da vinhaça como meio de cultura, enriquecendo-a com o gás carbônico proveniente da fermentação, considerado um insumo "fertilizante" para esta classe de organismos.
Para maiores informações sobre o tema, recomendo dois contatos:Dr. Rainer Kurmayer ou Dr. Guntram Christiansen telefone 0043 6232312532 E-mail: rainer.kurmayer@oeaw.ac.at; guntram.christiansen@gmail.com.
Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja. Foi eleito pela revista Isto É como um dos 100 brasileiros mais influentes do agronegócio. Já integrou a equipe da Secretaria de Assuntos Estratégicos da Presidência da República e, hoje, se dedica às pesquisas sobre o potencial agroenergético brasileiro.