O aumento da produção de biocombustíveis como o etanol pode ser um passo importante para a redução do consumo global de combustíveis fósseis. No entanto, a produção de etanol é limitada em grande parte por sua dependência do milho, que não é cultivado em grandes quantidades para atender a uma parte significativa das necessidades de combustível dos EUA, por exemplo.

Para tentar expandir o impacto potencial dos biocombustíveis, uma equipe de engenheiros do MIT encontrou agora uma maneira de expandir o uso de uma gama mais ampla de matérias-primas não alimentares para produzir esses combustíveis. No momento, matérias-primas como palha e plantas lenhosas são difíceis de usar para a produção de biocombustíveis porque primeiro precisam ser quebradas em açúcares fermentáveis, um processo que libera vários subprodutos que são tóxicos para a levedura, os micróbios mais comumente usados para produzir biocombustíveis.

Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma forma de contornar essa toxidade, tornando viável o uso dessas fontes, muito mais abundantes, para a produção de biocombustíveis. Eles também mostraram que essa tolerância pode ser transformada em cepas de leveduras usadas para fabricar outros produtos químicos, tornando possível o uso de material vegetal lenhoso “celulósico” como fonte para a produção de biodiesel ou bioplásticos.

“O que realmente queremos fazer é abrir matérias-primas de celulose para quase todos os produtos e aproveitar a abundância que a celulose oferece”, diz Felix Lam, pesquisador associado do MIT e principal autor do novo estudo.

Gregory Stephanopoulos, o Willard Henry Dow Professor em Engenharia Química, e Gerald Fink, o Margaret e Herman Sokol Professor no Whitehead Institute of Biomedical Research e o American Cancer Society Professor de Genética no MIT’s Department of Biology, são os autores seniores do artigo , que aparece hoje na Science Advance.

Aumento da tolerância

Atualmente, cerca de 40% da safra de milho dos EUA vai para o etanol. O milho é principalmente uma cultura alimentar que requer uma grande quantidade de água e fertilizantes, portanto, o material vegetal conhecido como biomassa celulósica é considerado uma fonte atrativa e não competitiva de combustíveis renováveis e produtos químicos. Essa biomassa, que inclui muitos tipos de palha e partes da planta de milho que normalmente não são utilizadas, pode chegar a mais de 1 bilhão de toneladas de material por ano, de acordo com um estudo do Departamento de Energia dos EUA – o suficiente para substituir 30 a 50 por cento do petróleo usado para transporte.

No entanto, dois obstáculos principais para o uso de biomassa celulósica são que a celulose primeiro precisa ser liberada da lignina lenhosa e, em seguida, a celulose precisa ser posteriormente quebrada em açúcares simples que a levedura pode usar. O pré-processamento particularmente agressivo necessário gera compostos chamados aldeídos, que são muito reativos e podem matar células de levedura.

Para superar isso, a equipe do MIT desenvolveu uma técnica desenvolvida há vários anos para melhorar a tolerância das células de levedura a uma ampla gama de álcoois, que também são tóxicos para a levedura em grandes quantidades. Nesse estudo, eles mostraram que enriquecer o biorreator com compostos específicos que fortalecem a membrana da levedura ajudou a levedura a sobreviver por muito mais tempo em altas concentrações de etanol. Usando essa abordagem, eles foram capazes de melhorar o rendimento do etanol combustível tradicional de uma cepa de levedura de alto desempenho em cerca de 80 por cento.

Em seu novo estudo, os pesquisadores desenvolveram a levedura para que pudessem converter os aldeídos do subproduto celulósico em álcoois, permitindo-lhes tirar vantagem da estratégia de tolerância ao álcool que já haviam desenvolvido. Eles testaram várias enzimas naturais que realizam essa reação, de várias espécies de levedura, e identificaram uma que funcionou melhor. Então, eles usaram a evolução direcionada para melhorá-lo ainda mais.

“Esta enzima converte aldeídos em álcoois, e mostramos que a levedura pode ser muito mais tolerante aos álcoois como classe do que aos aldeídos, usando os outros métodos que desenvolvemos”, diz Stephanopoulos.

As leveduras geralmente não são muito eficientes na produção de etanol a partir de matérias-primas celulósicas tóxicas; no entanto, quando os pesquisadores expressaram esta enzima de alto desempenho e aumentaram o reator com os aditivos de fortalecimento da membrana, a cepa mais do que triplicou sua produção de etanol celulósico, para níveis correspondentes ao etanol de milho tradicional.

Abundantes matérias-primas

Os pesquisadores demonstraram que poderiam alcançar altos rendimentos de etanol com cinco tipos diferentes de matérias-primas celulósicas, incluindo switchgrass, palha de trigo e palha de milho (as folhas, caules e cascas deixadas para trás após a colheita do milho).

“Com nossa cepa projetada, você pode essencialmente obter fermentação celulósica máxima de todas essas matérias-primas que geralmente são muito tóxicas”, diz Lam. “A grande coisa sobre isso é que não importa se talvez em uma temporada seus resíduos de milho não sejam tão bons. Você pode mudar para canudos de energia, ou se você não tiver alta disponibilidade de canudos, você pode mudar para algum tipo de resíduo polpudo e lenhoso.”

Os pesquisadores também transformaram sua enzima aldeído em etanol em uma cepa de levedura que foi projetada para produzir ácido lático, um precursor dos bioplásticos. Assim como fez com o etanol, essa cepa foi capaz de produzir o mesmo rendimento de ácido lático de materiais celulósicos que de milho.

Esta demonstração sugere que pode ser viável projetar a tolerância ao aldeído em cepas de levedura que geram outros produtos, como o diesel. Os biodiesel podem ter um grande impacto em setores como transporte pesado, transporte marítimo ou aviação, que carecem de uma alternativa livre de emissões como a eletrificação e requerem grandes quantidades de combustível fóssil.

“Agora temos um módulo de tolerância que você pode aplicar a quase qualquer tipo de caminho de produção”, diz Stephanopoulos. “Nosso objetivo é estender essa tecnologia a outros organismos mais adequados para a produção desses combustíveis pesados, como óleos, diesel e querosene de aviação”