Enzima encontrada na raiz da cana aumenta em seis vezes a produção de açúcar a partir do bagaço

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 considerado 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. “Se não houver entendimento da importância do tema pelas agências de fomento, não conseguimos manter uma pesquisa complexa por 17 anos”, afirma.

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”, defende.

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.

Foto: Grayce Romim

Fonte – Agência Fapesp