Paredes celulares do córtex da raiz da cana-de-açúcar,
com formação de aerênquimas (espaços maiores entre as linhas verdes)
(imagem: Grayce Romim)
Cientistas da USP isolaram a molécula
ao estudar os aerênquimas – estruturas que a própria planta cria para formar
canais de ar em suas raízes. O achado pode impulsionar a produção de etanol de
segunda geração
Cientistas
da Universidade de São Paulo (USP) descobriram que a chave para degradar o
resistente bagaço da cana-de-açúcar está na própria planta. Ao mapear o
desenvolvimento dos aerênquimas – estruturas porosas presentes nas raízes –, os
pesquisadores identificaram um conjunto de enzimas usadas pela planta para
remodelar suas fibras. O uso de uma única molécula dessa “caixa de ferramentas”
em coquetéis enzimáticos comerciais aumentou a liberação de açúcar dos resíduos
da cana em até seis vezes, um passo essencial para acelerar a produção de
etanol de segunda geração.
Atualmente, o aproveitamento pleno
dessa biomassa esbarra na rigidez da lignocelulose – o material que forma o
“esqueleto” da planta. Por conta dessa dificuldade, há anos, uma empresa
dinamarquesa detém o monopólio de um coquetel enzimático capaz de quebrar essa
barreira, e cientistas do mundo todo investigam alternativas. A equipe do
Laboratório de Fisiologia Ecológica de Plantas (Lafieco) do Departamento de
Botânica do Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo (IB-USP)
dedicou 17 anos de pesquisa para obter seus resultados mais recentes.
Marcos Silveira Buckeridge, coordenador do Lafieco e coautor
do trabalho publicado no Journal of Experimental Botany, explica
que os coquetéis enzimáticos já existentes são originados de microrganismos –
em sua maioria, fungos. É a primeira vez que cientistas apontam uma molécula de
origem vegetal com tal atributo.
“E não é qualquer origem vegetal, é da própria cana-de-açúcar”, ressalta
o pesquisador. Em 2008, Buckeridge já havia proposto a ideia da “cana papaia”:
tratar a planta para que amolecesse como o mamão maduro. Desenvolvido com a
então aluna Aline Cavalari (hoje professora da Universidade Federal de São
Paulo), o conceito partia da observação de que o amolecimento do mamão ocorre
quando as células de sua parede se separam, facilitando a liberação de açúcar.
A meta era reproduzir esse processo de separação celular na cana.
Para chegar a esse ponto, a equipe
precisou primeiro mapear a química e a estrutura da parede celular da cana,
entendendo como a celulose se organiza. “Vários alunos do Lafieco fizeram parte
da investigação durante esses 17 anos, passando o bastão uns para os outros”,
relembra o biólogo, cujo grupo publicou os primeiros dados estruturais sobre
isso em 2013.
Nesse sentido, Buckeridge destaca a importância de financiamentos de
longo prazo, como os recebidos da FAPESP (projetos 14/50884-5, 14/50279-4, 20/15230-5, 22/00441-6, 19/13936-0, 15/13479-8 e 21/08334-1). “Se não houver entendimento da importância do
tema pelas agências de fomento, não conseguimos manter uma pesquisa complexa
por 17 anos.”
Aerênquima e parede celular
O grupo já sabia que a formação dos
aerênquimas nas raízes da cana envolvia um processo natural de separação de
células. O aparecimento dessas estruturas costuma estar ligado à falta de
oxigênio (hipóxia), mas na cana elas se formam de maneira independente. Durante
o desenvolvimento do aerênquima, a própria planta modifica e quebra as paredes
de suas raízes, criando túneis de ar. Esse processo inclui a separação celular
e a quebra de açúcares complexos – duas ações essenciais para facilitar o
aproveitamento do bagaço na produção de etanol.
“O aerênquima aparece progressivamente na raiz da cana. Na pontinha há
menos, e sua formação vai ficando mais frequente para cima”, explica Bruno Viana Navarro, pós-doutorando do Lafieco e primeiro
autor do artigo. A equipe queria observar quais “ferramentas microscópicas”
(enzimas) a planta ativava ao longo desse processo de remodelação de suas
raízes.
Ele descreve o experimento: “Nós
plantamos colmos de uma cultivar bem estudada de cana-de-açúcar [SP80-3280] e,
após três meses, coletamos raízes de perfilhos [brotos novos], que foram
divididas em quatro segmentos de 1 cm cada. Assim, cada pedaço apresentava uma
proporção diferente de formação de aerênquima”.
Ao mapear a atividade celular nesses
segmentos da raiz, os cientistas identificaram mais de 32 mil genes em ação,
sendo que cerca de 5 mil estavam relacionados à parede da célula. “Analisamos o
que mudava ao longo do processo progressivo de formação do aerênquima,
comparando um pedaço da raiz com o seguinte”, explica Navarro.
A equipe focou nas enzimas com a função de agir como “tesouras
químicas”, cortando as fibras da parede da célula e liberando os açúcares. Uma
das doutorandas de Buckeridge, Eveline Tavares, encontrou uma molécula-chave nesse processo:
a enzima ASD (α-L-arabinofuranosidase). Posteriormente, a doutoranda Adriana Grandis detalhou sua importância na formação do
aerênquima. Navarro resume a função da ASD: “Ela atua de forma muito específica
no rearranjo da parede celular, quebrando as ligações de um dos materiais
estruturais mais presentes na cana”.
100% vegetal
Percebendo o potencial da ASD, o grupo – tendo à frente a pós-doutoranda
Débora Pagliuso – produziu essa enzima em laboratório usando
leveduras, com o objetivo de testá-la na prática. “Inserimos a ASD no coquetel
comercial e testamos no bagaço da cana-de-açúcar. Só essa adição aumentou em
até seis vezes a produção do açúcar que, mais tarde, é convertido em etanol”,
ressalta Navarro.
Segundo o pesquisador, o estudo
revela um cardápio molecular imenso. A equipe já identificou cerca de 530
sequências genéticas e classes de enzimas na cana. Isso significa que há
dezenas de outras “ferramentas” biológicas aguardando para serem testadas.
“Encontramos uma segunda enzima
também muito promissora, cuja função é quebrar as pectinas. Ela ataca a lamela
média: os cimentos entre as células. Quando essas estruturas são quebradas, as
células começam a ficar soltas, e aí é que acontece a tal ‘cana papaia’. Fica
bem mais fácil degradar a estrutura e obter os açúcares, o que impacta a
produção de etanol de primeira e segunda geração”, diz Navarro.
Para Buckeridge, o sucesso do estudo
reforça a tese de que enzimas “da casa” (da própria planta) conseguem
decodificar e quebrar a estrutura da cana melhor do que os microrganismos. “É
possível que essas enzimas de plantas que estamos ofertando no artigo tenham
características que as enzimas de microrganismos não têm e que podem ser a
chave para a alta eficiência da conversão de resíduos em produtos mais nobres.
Pode ser que tenhamos descoberto um barril de ouro, mas até agora usamos uma
moeda só.”
Um dos objetivos futuros mais
ambiciosos do grupo é conseguir produzir um coquetel 100% vegetal customizado.
“Analisando a composição bioquímica da biomassa da cana, é possível criar o
coquetel enzimático mais adequado à sua hidrólise, o que aumentaria o
rendimento da produção de etanol. Esperamos chegar a isso um dia”, afirma
Navarro.
O artigo Aerenchyma in sugarcane roots: a toolbox for tailoring
biomass for bioenergy pode ser lido em: academic.oup.com/jxb/advance-article-abstract/doi/10.1093/jxb/erag174/8658895.
Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/enzima-encontrada-na-raiz-da-cana-aumenta-em-seis-vezes-a-producao-de-acucar-a-partir-do-bagaco/59348
Nenhum comentário:
Postar um comentário