Linhas de Pesquisa
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LINHAS DE PESQUISA
Subprojeto 1: Avaliação das características da biomassa – polissacarídeos de parede celular, lignina, fenilpropanóides, nanoestrutura e sacarificação de parede celular
Pesquisadores envolvidos: Marcos S. Buckeridge, Igor Polikarpov, Marco A. S. Tiné, Wanderley D. dos Santos, Carlos E. Driemeier, Carlos A. Bragança Pereira, Adriano Polpo de Campo
A resistência da parede celular representa a principal barreira para a produção de biocombustíveis de segunda geração. A desconstrução do material lignocelulósico pode fornecer açúcares para a produção de combustíveis através da fermentação ou para transformação em outros produtos industriais. Talvez o maior obstáculo para a concretização do potencial de lignocelulose como matéria -prima industrial resida na sua recalcitrância (resistência) à hidrólise. Portanto, o aumento da eficiência e rendimento de sacarificação de parede celular vegetal é o principal desafio técnico que deve ser superado antes que tecnologias de etanol de segunda geração possam ser implementadas nas biorrefinarias modernas.
A compreensão da base bioquímica da recalcitrância da parede celular à hidrólise é o único caminho racional para desenvolver as formas mais eficazes e eficientes de produção de açúcares a partir de biomassa lignocelulósica. O primeiro passo para entender a recalcitrância da parede celular é compreender sua composição e arquitetura.
Neste contexto, o objetivo do subprojeto 1 do INCT do Bioetanol é entender como as diferentes composições e arranjos da parede celular, considerando os aspectos relacionados aos polissacarídeos, lignina, fenilpropanóides e nanoestrutura, interferem na sacarificação da biomassa da cana -de -açúcar.
Subprojeto 2: Desenvolvimento de um consórcio enzimático eficiente para a degradação da biomassa de cana-de-açúcar
Pesquisadores envolvidos: Edivaldo Ximenes F. Filho, Maria de Lourdes T.M. Polizeli, Igor Polikarpov, Richard J. Ward, Fabio M. Squina, Wanderley D. dos Santos, Carlos A. Bragança Pereira, Adriano Polpo de Campos
A degradação da parede celular (material lignocelulósico) é um pré-requisito essencial para a utilização da biomassa vegetal em biorrefinarias e na produção de etanol de segunda geração. No entanto, o problema do aproveitamento dessa biomassa reside na dificuldade de um processamento economicamente viável, uma vez que o custo das enzimas para a conversão da biomassa em açúcares fermentáveis é um impedimento para o desenvolvimento da indústria de biocombustíveis. Dessa forma, o uso de enzimas em processos industriais requer: (i) compreensão da ação das enzimas hidrolíticas nos substratos lignocelulósicos e (ii) inovação tecnológica para melhorar o desempenho catalítico das enzimas.
Pesquisas envolvendo a otimização de enzimas com o objetivo de reduzir o custo da conversão da biomassa propõem diferentes estratégias, incluindo "bioprospecção" das enzimas-chave, engenharia de proteínas, superprodução de enzimas em plantas, entre outras. Uma atenção especial deve ser dada para o desenvolvimento de misturas enzimáticas, a fim de se determinar quais são os catalisadores enzimáticos importantes e qual a sequência e proporções adequadas da adição destas misturas à biomassa para que se obtenha a perfeita desconstrução da arquitetura da parede celular. Estudos anteriores do INCT do Bioetanol mostraram que um coquetel enzimático eficiente demandaria de uma grande variedade de enzimas diferentes. Se o coquetel enzimático usado atualmente já tem um custo elevado, simplesmente colocar mais enzimas dentro dele deixaria a produção inviável.
Neste contexto, o objetivo do subprojeto 2 do INCT do Bioetanol é utilizar as informações disponíveis para desenvolver consórcios enzimáticos com alta eficiência para a degradação da parede celular de cana-de-açúcar. Neste processo iremos mapear a acessibilidade de paredes celulares de diferentes materiais de cana (provenientes da triagem realizada no subprojeto 1), definindo quais enzimas são essenciais e secundárias para esta bioconversão. Com isso pretendemos obter um melhor entendimento compreensão dos modos e mecanismo de atuação das enzimas na degradação da biomassa de cana.
Subprojeto 3: Melhoramento molecular da cana-de-açúcar para produção de bioetanol de segunda geração
Pesquisadores envolvidos: Anete P. Souza, Antonio Augusto F. Garcia, Monalisa S. Carneiro, Hermann P. Hoffmann, Rodrigo Gazaffi, Marcos G.A. Landell, Mauro Xavier, Silvana Creste, Luciana A. Carlini`Garcia, Luciana R. Pinto
O melhoramento genético da cana -de -açúcar, aliado a melhorias em técnicas fitotécnicas e industriais, é um dos principais responsáveis pelo sucesso desta cultura no Brasil. A partir da criação de programas de melhoramento com base científica nos anos 70, os ganhos de produtividade têm sido constantes e permitido o desenvolvimento de atividades relacionadas a esta cultura.
Apesar deste sucesso e contínuo progresso, um problema enfrentado pelos programas de melhoramento genético é o longo tempo necessário para liberação de novos cultivares. Apesar de haver diferenças entre as abordagens usadas pelos programas, este tempo é de cerca de 12 a 15 anos, e tem se mantido constante ao longo dos anos. Isto se deve a diversos fatores, dentre os quais podem ser incluídos: (i) dificuldade em usar métodos científicos para realizar predições de cruzamentos; (ii) falta de estudos genéticos sobre diversos aspectos importantes para a cultura, o que permitiria desenvolvimento de novos métodos de melhoramento para explorar adequadamente a base genética dos caracteres de interesse; (iii) falta de conhecimento detalhado sobre o germoplasma disponível; (iv) necessidade de avaliações em diferentes ambientes para entender o comportamento da interação entre genótipos e ambientes; (v) necessidade de avaliação de diversas colheitas. Especificamente para os três primeiros itens, isto ocorre dada a complexa natureza poliploide desta espécie, que possui nível alto e variável de ploidia no genoma, dificultando sobremaneira a realização de diversos estudos genéticos.
Outro ponto relacionado ao melhoramento genético e que tem estreita relação com a presente proposta, refere -se à recente necessidade de alteração nos caracteres que devem ser selecionados nos programas de melhoramento. Historicamente, e devido às necessidades técnicas e econômicas, o foco de seleção tem sido em aumento do teor de sacarose (para produção de açúcar e álcool), produtividade e resistência a doenças. Apenas recentemente alguma ênfase ao teor de fibra tem sido dada. Contudo, esta não é a única característica que necessita ser avaliada. De acordo com estudos recentes, características relacionadas à composição da parede celular podem interferir significativamente na hidrólise para a obtenção de etanol de segunda geração. No entanto, fenótipos associados aos componentes da parede celular são desconhecidos, pois até o momento não existe definição do que deve ser avaliado durante as etapas do melhoramento. Este fato não permite que os programas de melhoramento respondam adequadamente às novas demandas para lançamento de cultivares adaptados para a produção de bioetanol de segunda geração. O problema é ainda agravado pelo fato do germoplasma usado rotineiramente para o melhoramento não ter sido selecionado para características importantes no atual cenário. Por este motivo, muito da variabilidade genética relacionada às características de interesse para o bioetanol de segunda geração pode não estar disponível, sendo necessário recorrer aos bancos de germoplasma para avaliar novas características, aumentando ainda mais o tempo requerido para produzir novos cultivares.
O melhoramento molecular, que hoje é uma realidade nos principais programas de melhoramento de culturas agrícolas no mundo, pode acelerar o processo de melhoramento vegetal. A partir de informações de marcadores moleculares é possível fazer predição de cruzamentos, efetuar retrocruzamentos assistidos (de forma a transferir rapidamente características entre genótipos sem alterar significativamente seu genoma), realizar seleção assistida, efetuar seleção precoce, avaliar coleções de germoplasma e, mais recentemente, fazer seleção genômica. Durante a primeira fase do INCT do Bioetanol, já foram obtidos vários progressos nessa área, mas ainda falta muita coisa até a obtenção de uma cana ideal para a produção do Etanol de Segunda Geração
No intuito de mudar o cenário atual e torná -lo muito mais favorável à produção de bioetanol de segunda geração, o principal objetivo do subprojeto 3 é incorporar informações genômicas e moleculares relacionadas a características da parede celular essenciais para o aumento da hidrólise, em dois programas públicos de melhoramento de cana-de-açúcar de comprovada relevância no cenário nacional.
Subprojeto 4: Engenharia de parede celular de cana-de-açúcar
Pesquisadores envolvidos: Helaine Carrer, Glaucia M. Souza, Monalisa S. Carneiro, Eny I.S. Floh, Marcos S. Buckeridge
A melhoria da qualidade da biomassa da cana-de-açúcar para produção de etanol celulósico e para o aproveitamento completo da biomassa com a produção de vários co-produtos na usina requer a análise de diferentes aspectos da sua composição e estrutura. Além da avaliação das características físico-químicas da biomassa, também se faz necessário identificar os mecanismos moleculares que determinam tais características se pensarmos em melhorá -la para diversos fins. Para tanto, é possível a utilização de abordagens de melhoramento genético, tanto clássico (como as abordadas no subprojeto 3) como transformação genética, com a modificação de genes ou o uso de marcadores moleculares associados às características de interesse. Técnicas de transformação genética e cultura de tecidos, e sua integração com programas de melhoramento têm sido fundamentais na uniformização da matéria -prima, na redução de tempo nos programas de melhoramento genético e na conservação e propagação de germoplasma de alto valor genético. Além disso, a transformação genética de cana -de -açúcar oferece a possibilidade de investigar funcionalmente genes de interesse. A alteração genética pode ser obtida por meio da superexpressão ou silenciamento gênico, que pode ocorrer em nível transcricional ou pós -transcricional. O uso desta técnica está necessariamente acoplada a protocolos eficientes de regeneração in vitro a partir da cultura de células e/ou tecidos (Cidade et al. 2006). Nesse sentido, ao longo dos últimos anos e dentro do projeto INCT, a Dra. Helaine Carrer, tem trabalhado em desenvolver protocolos eficientes de transformação, viabilizando a utilização desta técnica para estudos de aprofundamento e também para aplicação em biotecnologia.
A utilização de transgênicos que superexpressem ou silenciem genes da via de síntese e/ou degradação da parede celular, bem como a alteração na expressão de seus promotores, podem levar à modificações na composição e/ou arquitetura da parede. Por sua vez, essas modificações podem resultar em um aumento da acessibilidade a coquetéis enzimáticos, reduzindo a necessidade de pré - tratamentos físicos e químicos, tornando o processo de produção de etanol de segunda geração mais eficiente e barato.
Estudos recentes provenientes do grupo do Dr. Marcos S. Buckeridge, têm proposto que o processo natural de degradação da parede celular em plantas segue uma ordem e é desencadeado por processos de separação celular, expansão celular e posterior degradação. Além disso, para ter acesso à hidrólise completa dos polissacarídeos de parede é necessário que as enzimas de degradação atuem de forma complexa nos principais aspectos limitantes da arquitetura da parede celular. No sentido de desvendar quais genes e enzimas participam desses mecanismos de hidrólise natural de parede, o grupo do Dr. Marcos S. Buckeridge vem produzindo dados sobre os padrões de transcritos, proteínas e atividades enzimáticas em eventos de formação de aerênquima, uma das formas naturais de degradação de parede celular que ocorre nas raízes de cana. Os resultados obtidos até o momento indicam a presença de transcritos e proteínas da grande maioria das enzimas anteriormente previstas como base para um bom coquetel enzimático para a hidrólise completa da parede celular de cana-de-açúcar. Ainda, os padrões de expressão dos genes apresentaram variação compatível com os eventos de modificação da parede celular observados durante a formação do aerênquima em cana. Paralelamente, o grupo da Dra. Glaucia M. Souza, tem estudado genes envolvidos na estrutura e metabolismo de parede em variedades contrastantes para produção de sacarose e de fibra, e ancestrais de cana-de-açúcar, sendo capaz de correlacionar o perfil transcricional obtido com algumas características da parede. Em conjunto, os grupos do Dr. Marcos S. Buckeridge e Dra. Glaucia M. Souza possuem resultados sobre o metabolismo de parede celular que possibilitam a identificação de genes promissores para a modificação da arquitetura da parede, no sentido se torná-la mais acessível à hidrólise. Além disso, a modificação na expressão de genes relacionados à parede permitirão um aprofundamento sobre o controle das enzimas de hidrólise, uma vez que o perfil de expressão dos fatores de transcrição relacionados ao processo de hidrólise também poderão ser alterados.
Dessa forma, o principal objetivo deste subprojeto é produzir plantas transgênicas de cana-de-açúcar com a alteração de genes relacionados com o metabolismo de parede celular. Com estas plantas, será possível avaliar os efeitos das modificações no potencial de sacarificação de biomassa. Ainda, estas modificações na parede permitirão compreender com maior profundidade os mecanismos de controle de enzimas relacionas com hidrólise da parede.