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Nova espécie de levedura pode acelerar a produção de etanol 2G

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microfotografia levedura Pseudozyma brasiliensis CTBE

Transformar biomassa em combustível dá trabalho. No caso da cana-de-açúcar, principal matéria-prima estudada para esse fim no Brasil, são necessários processos que quebrem a biomassa ligonocelulósica em açúcares simples, fermentáveis. Tais operações são executadas por sofisticados complexos enzimáticos, obtidos a partir de diversos tipos de microorganismos. Quando tudo dá certo, ainda é preciso lidar com cerca de 20 a 35% dos polímeros formados que tendem a ser rejeitados pelas leveduras industriais, diminuindo drasticamente a rentabilidade do etanol produzido.

A solução para tais dilemas biotecnológicos pode residir na rica biodiversidade brasileira. Pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) encontraram no trato intestinal de larvas do besouro crisomelídeo, uma nova espécie de levedura do gênero Pseudozyma capaz de metabolizar açúcares de cinco carbonos e de secretar uma enzima de interesse, xilanase, em grande quantidade.

A classe da enzima produzida pela Pseudozyma brasiliensis sp.nov, nome proposto para a nova espécie, possui alto potencial biotecnológico. Ela poder ser utilizada na degradação da fibra do bagaço da cana para a conversão de etanol de segunda geração, bem como na indústria de papel, alimentícia e de ração animal. Também serve à produção de xilitol e xilooligossacarídeos.

Juliana Velasco de Oliveira, pesquisadora do Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE) – pertencente ao CNPEM –, explica que a atividade xilanolítica da P. brasiliensis foi cerca de 20 vezes superior a do Aspergillus niger, fungo notoriamente reconhecido pela expressão desse tipo de enzima. “A xilanase desta levedura, denominada PbXynA, possui uma atividade específica maior que a de qualquer outra similar já descrita”, informa Oliveira. Esse fato pode representar um avanço considerável em um dos principais entraves tecnológicos da produção de etanol de segunda geração que é a construção de coquetéis enzimáticos eficazes na degradação da biomassa.

genoma P. brasiliensis

Sequenciamento do genoma da levedura P. brasiliensis, identificada no CTBE.

O estudo que levou à identificação da nova espécie de levedura foi iniciado há dois anos. Sete tipos diferentes de insetos que atuam como pragas da cana-de-açúcar (crisomelídeo, pão-de-galinha, migdolus, entre outros) foram coletados em canaviais de Ribeirão Preto. “Isolamos o conteúdo intestinal destes organismos e o cultivamos em fontes de carbono específicos, como xilano, xilose, CMC, etc., para selecionar os microrganismos ali presentes que apresentassem as características de interesse. Nesse momento a Pseudozyma se destacou”, conta Oliveira.

Os pesquisadores decidiram sequenciar o genoma da levedura devido ao seu potencial biotecnológico e ao ambiente singular em que foi isolada. Essa etapa contou com o trabalho de biologia computacional do pesquisador do CTBE, Diego Mauricio Riaño-Pachón. Coube a ele montar o genoma de 20 milhões de pares de bases da espécie sequenciada em um laboratório dos EUA, a partir de pacotes com 100 pares. Ele também identificou e reuniu as sequências contínuas de genes dentro da longa cadeia codificada e compreendeu que tipo de informação estava presente no genoma. Desta forma foi possível comparar o material obtido com o conteúdo de bancos de dados internacionais, em busca de características típicas de espécies desse gênero. “Ao comparar os genes, encontramos diferenças suficientes para considerá-la uma nova espécie”, completa Riaño-Pachón.

O conhecimento do genoma da nova Pseudozyma é fundamental para a elaboração de modificações genéticas no microrganismo capazes de melhorar suas características biotecnológicas. Riaño-Pachón comenta que não adianta substituir genes em uma espécie, sem saber como esses operam e se interrelacionam com outros. Por isso, a equipe do CNPEM realiza agora outras análises, como RNA-seq, onde se coloca a Pseudozyma para crescer em fontes de carbono como xilose e xilano, com a intenção de identificar os genes mais importantes para a promoção da atividade enzimática, permitindo a expressão destes em leveduras industriais.

A sequência do genoma da P. brasiliensis já está disponível no GenBank, gerenciado pelo National Center for Biotechnology Information (NCBI). Na sequência, a descrição do genoma foi publicada no periódico Genome Announcements, bem como o anúncio de uma nova espécie em uma revista de taxonomia.

Participaram dos estudos os pesquisadores do CTBE/CNPEM Gustavo Goldman, Juliana Velasco de C. Oliveira e Diego Mauricio Riaño-Pachón. A pesquisa contou com o apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da empresa Vale.

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Biologia computacional

Diego Pachon servidor biologia computacionalA montagem do genoma, a anotação estrutural e funcional e as análises filogenéticas da nova Pseudozyma levaram apenas cerca de seis meses para serem concluídas, graças à infraestrutura de computação de alta performance disponível no CNPEM. Riaño-Pachón explica que a carência desse tipo de instalação, juntamente com a falta de mão de obra qualificada é o maior entrave atual para a ampliação dos trabalhos de bioinformática e outras áreas ligadas à biologia computacional no Brasil.

“Até pouco tempo atrás, um dos gargalos importantes da biotecnologia se encontrava na produção dos dados científicos. Atualmente, tal produção é rápida e barata. O problema agora é como você lida com grandes volumes de dados em um curto período de tempo”, destaca Riaño-Pachón.