Etanol de Segunda Geração

A demanda atual por recursos energéticos colocou o mundo em estado de alerta. O esgotamento das reservas fósseis de energia, aumento a liberação de CO₂ na atmosfera e a intensificação do aquecimento global tornam fundamental a busca por fontes renováveis de energia que reduzam o impacto ambiental da sua utilização e produção ao meio ambiente, que otimizem o rendimento das fontes já utilizadas. O etanol de segunda geração, ou etanol celulósico, é um exemplo prático disso. Feito a partir da fibra do bagaço da cana, ele permite o aumento da produção de combustíveis sem aumentar o consumo e área de plantações de cana, contando com o auxílio da engenharia genética, para isso.

A produção do bioetanol a partir da biomassa é semelhante à produção do etanol de primeira geração: os açúcares disponíveis no caldo são utilizados pelas leveduras no processo de geração de energia e, na ausência de oxigênio, são transformados em etanol através do processo de fermentação. O que torna o processo de produção do etanol de segunda geração diferente é que os carboidratos são originados do bagaço da cana. A fibra do bagaço é formada, principalmente, por três carboidratos que assumem a função estrutural: a celulose, a hemicelulose e a lignina, os quais precisam ser degradados em açúcares para poderem ser utilizados pelas leveduras. Para isso é necessário que a fibra passe por um tratamento de três etapas:

1. Pré- Tratamento: a fibra vegetal é submetida a um tratamento químico para alterar a sua estrutura, permitindo que enzimas consigam chegar até esses carboidratos.
2. Desintoxicação: as substâncias produzidas durante o pré-tratamento, que atrapalham a proliferação das leveduras e, consequentemente, a produção de etanol, são retiradas da solução.
3. Hidrólise: o mais comum é que seja feita a adição de enzimas que degradam os carboidratos em açúcares através do processo de hidrólise enzimática (reação de quebra de uma molécula com a utilização de uma molécula de água, catalisada por uma enzima). Durante a conversão em açúcar, dois tipos são primordialmente produzidos, a glicose, que é facilmente convertida em etanol, e a xilose, que não é bem aproveitada pelas leveduras devido à ausência de enzimas naturalmente expressas que degradam este açúcar, sendo necessários processos adicionais para utilizá-la.

A produção de etanol a partir da biomassa ainda enfrenta desafios que podem ser superados pelo estudo para aplicação da diversidade natural das cepas de leveduras S. cerevisiae e pelo uso da engenharia genética, que combina genes de diferentes organismos para induzir características desejadas. Dois exemplos possíveis de serem citados são: um estudo recente, que identificou genes em uma cepa de Saccharomyces que estavam relacionados a uma maior resistência a substâncias tóxicas produzidas no pré-tratamento; e uma pesquisa que mostrou a inserção de um gene bacteriano em leveduras, fazendo com que estes organismos expressassem uma proteína funcional, tornando-as capazes de degradar e utilizar xilose no processo de fermentação, um passo importante para facilitar a produção de biocombustíveis a partir de matéria vegetal.

Em resumo, a utilização de fontes de produção de combustíveis renováveis é algo fundamental para o futuro e o etanol de segunda geração representa um avanço nessa área. Além disso, a otimização da melhora na produção desse biocombustível deixa claro a importância da pesquisa e da biotecnologia na sustentabilidade e na construção de um futuro melhor.

Referências:

1. Ciamponi, F.E., Procópio, D.P., Murad, N.F. et al. Multi-omics network model reveals key genes associated with p-coumaric acid stress response in an industrial yeast strain. Sci Rep 12, 22466 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26843-2

2. Brat D, Boles E, Wiedemann B. Functional expression of a bacterial xylose isomerase in Saccharomyces cerevisiae. Appl Environ Microbiol. 2009 Apr;75(8):2304–11. doi: 10.1128/AEM.02522–08. Epub 2009 Feb 13. PMID: 19218403; PMCID: PMC2675233.

3. Oreb M, Dietz H, Farwick A, Boles E. Novel strategies to improve co-fermentation of pentoses with D-glucose by recombinant yeast strains in lignocellulosic hydrolysates. Bioengineered. 2012 Nov-Dec;3(6):347–51. doi: 10.4161/bioe.21444. Epub 2012 Aug 15. PMID: 22892590; PMCID: PMC3489712.

4. CHACÓN‐NAVARRETE, H.; MARTÍN, C.; MORENO‐GARCÍA, J. Yeast immobilization systems for second‐generation ethanol production: actual trends and future perspectives. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 31 maio 2021.

5. ZABED, H. et al. Fuel ethanol production from lignocellulosic biomass: An overview on feedstocks and technological approaches. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 66, p. 751–774, dez. 2016.

6. da Silva Fernandes F, de Souza ÉS, Carneiro LM, Alves Silva JP, de Souza JVB, da Silva Batista J. Current Ethanol Production Requirements for the Yeast Saccharomyces cerevisiae. Int J Microbiol. 2022 Aug 13;2022:7878830. doi: 10.1155/2022/7878830. PMID: 35996633; PMCID: PMC9392646.

7. Hydrolysis (video) | Chemistry of life. Disponível em: <https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/chemistry-of-life/introduction-to-biological-macromolecules/v/hydrolysis>.