Descoberta pode fazer levedura “arrancar do açúcar até a última gota de etanol”

A última edição da revista Science relatou as descobertas dos pesquisadores do Instituto de Tecnologia do Massachusetts (MIT) para aumentar a conversão e a vida das leveduras utilizadas para produção de etanol.

Em relação a eficiência do processo de produção, um dos problemas mais relevantes são as altas concentrações de etanol durante a conversão, que pode chegar ao ponto de serem tóxicas, limitando a capacidade produtiva de várias cepas utilizadas comercialmente.

A descoberta dos pesquisadores identificou uma nova maneira de aumentar a tolerância das leveduras ao etanol. “O trabalho vai ao ponto de permitir arrancar do açúcar até a última gota de etanol”, diz um dos autores do trabalho.

As mudanças proporcionaram um incremento de aproximadamente 80% na produção de etanol com levedura. Além disso, ficou demonstrado que o método funciona também com cepas comerciais de levedura e outros tipos de álcool, como o propanol e o butanol, que são ainda mais tóxicos.

O uso de leveduras para produzir etanol é comum na indústria. As altas concentrações de etanol, porém, podem ser tóxicas para a levedura, o que limita a capacidade produtiva de várias cepas utilizadas comercialmente.

“A toxidez é provavelmente o problema mais relevante para a produção de biocombustíveis a uma relação de custo eficiente”, diz Gregory Stephanopoulos, professor de engenharia química e ocupante da cátedra Willard Henry Dow no Instituto de Tecnologia do Massachusetts (MIT).

Trabalhando em parceria com o Whitehead Institute for Biomedical Research, Stephanopoulos e outros pesquisadores do MIT identificaram uma nova maneira de aumentar a tolerância das leveduras ao etanol: alterando o meio de cultura em que elas crescem. As descobertas, que eles acreditam possa ter um impacto significativo na produção industrial de biocombustíveis, foram relatadas na última edição da revista científica Science.

O etanol e outros álcoois podem romper as membranas celulares das leveduras, levando à morte das células. Mas a equipe do MIT descobriu que a adição de íons de potássio e hidróxido ao meio ajuda as células a contrabalançar os danos nas membranas. As mudanças proporcionaram um incremento de aproximadamente 80% na produção de etanol com levedura. Além disso, ficou demonstrado que o método funciona também com cepas comerciais de levedura e outros tipos de álcool, como o propanol e o butanol, que são ainda mais tóxicos.

“Essa descoberta terá aplicações diretas em processos comerciais de produção de álcool com concentrações elevadas de açúcar.”

“Entendendo melhor os motivos para a toxidez de uma molécula e os métodos que tornam esses organismos mais tolerantes, é possível ter ideias para tratar outros problemas mais severos de toxidez”, diz Stephanopoulos, um dos autores sênior do artigo científico.

“O trabalho vai ao ponto de permitir arrancar do açúcar até a última gota de etanol”, acrescenta Gerald Fink, professor de biologia no MIT, membro do Whitehead Institute e co-autor sênior do artigo. O autor principal é o pós-doutor Feliz Lam e colaborou o pós-graduando Adel Ghaderi.

Reforçando as defesas celulares

A equipe começou o projeto buscando um gene ou grupo de genes que pudesse ser manipulado para aumentar a tolerância da levedura ao álcool, mas a proposta não teve muito sucesso. Quando tentaram alterar o meio de cultura, porém, os pesquisadores conseguiram resultados excepcionais.

Aumentando o ambiente da levedura com cloreto de potássio e elevando o pH com hidróxido de potássio, a produção de etanol cresceu extraordinariamente. Descobriu-se ainda que as alterações não afetaram a rota bioquímica usada pelas leveduras para gerar etanol: enquanto permaneceram viáveis, suas células continuaram produzindo etanol no mesmo ritmo. Por outro lado, as alterações influíram nos gradientes eletroquímicos da membrana – diferença nas concentrações de íons dentro e fora da membrana, produzindo energia que a célula utiliza para controlar o fluxo de entrada e saída de várias moléculas.

O etanol aumenta a porosidade da membrana celular, dificultando bastante a manutenção dos gradientes eletroquímicos pelas células. A elevação na concentração de potássio e no pH do lado de fora das células ajuda a consolidar os gradientes e prolonga o tempo de sobrevivência. Quanto mais elas sobrevivem, mais etanol produzem.

“Reforçando esses gradientes, estamos energizando a levedura de forma que elas aguentem condições mais árduas e continuem produzindo. O que também nos empolgou é que, além do etanol, isso pode funcionar com álcoois de biocombustíveis avançados, que atacam as membranas celulares da mesma forma”, diz Lam.

Outra forma encontrada pelos pesquisadores para prolongar a sobrevivência, se bem que por menos tempo, foi modificar as células da levedura para que elas expressem mais bombas de potássio e prótons, as quais ficam localizadas na membrana celular e bombeiam potássio para dentro e prótons para fora da célula.

Membrana da célula de levedura visualizada através da fusão da membrana com algumas proteínas com marcadores fluorescentes RFP e GFP.

Relevância industrial

Antes de a levedura começar a produzir etanol é preciso quebrar o material de partida, geralmente milho, em moléculas de glicose. Um aspecto importante do novo estudo do MIT é que os pesquisadores fizeram os experimentos com concentrações bastante altas de glicose. Outros estudos tentaram aumentar a tolerância ao etanol com níveis baixos de glicose, mas neste caso os testes foram feito com concentrações em torno de 300 g/L, semelhante ao que se encontra num fermentador industrial de biocombustível.

“Para realmente alcançar relevância, precisamos testar nesses níveis. Do contrário, o que aprendemos com níveis baixos de etanol tem pouca chance de ser usado na produção industrial”, diz Stephanopoulos.

Lonnie Ingram, diretor do Florida Center for Renewable Chemicals and Fuels, da Universidade da Flórida, descreve a descoberta como “notável e inesperada”.

“Poucos poderiam imaginar esses resultados, que mostram que o aumento do gradiente eletroquímico entre as membranas propicia um aumento extraordinário na tolerância ao álcool”, ressalta Ingram. “Essa descoberta terá aplicações diretas em processos comerciais de produção de álcool com concentrações elevadas de açúcar.”

Em experimentos mais recentes, os pesquisadores do MIT usaram o método para elevar a produtividade de etanol a patamares ainda maiores que os relatados no artigo para a Science. Eles também pretendem aplicar o método para incrementar a produção de álcool usando matérias-primas que contêm compostos tóxicos às leveduras, e por isso dão baixo retorno.

* A pesquisa foi financiada pela Energy Initiative, do MIT, e pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos.

Anne Trafton, Redação do MIT

Informações adicionais: Super Yeast Tolerates Heat and Alcohol

Tradução e adaptação NovaCana

Fotos: A. Doubt/Wikimedia Commons e Masur via Wikimedia Commons