Aprimorar coquetéis enzimáticos é caminho para etanol celulósico

Em workshop na FAPESP, pesquisador da USP afirma que novos avanços científicos já permitem produção de etanol de segunda geração, mas, para barateá-lo, é preciso intensificar estudos sobre enzimas

Por Fábio de Castro

Agência FAPESP – Novos avanços científicos tornaram a produção de etanol celulósico realidade, mas ainda é preciso um esforço concentrado de pesquisa para torná-la economicamente viável em escala industrial.

O caminho mais curto para cumprir esse objetivo é a intensificação dos estudos que visam aperfeiçoar e otimizar os coquetéis de enzimas usados na degradação da parede celular da cana-de-açúcar, de acordo com Igor Polikarpov, professor do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da Universidade de São Paulo (USP).

Um dos principais especialistas brasileiros em cristalização de enzimas, Polikarpov apresentou a palestra “Abordagem biológica para a degradação de polissacarídeos complexos” nesta segunda-feira (14/05), em São Paulo, durante o workshop conjunto do Centro Paulista de Pesquisa em Bioenergia, da Universidade de Nottingham e da Universidade de Birmingham.

Realizado pelo Programa FAPESP de Pesquisa em Bioenergia (BIOEN), o evento teve o objetivo de apresentar resultados da pesquisa em bioenergia em andamento na USP, na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), na Universidade Estadual Paulista (Unesp), na Universidade de Nottingham e na Universidade de Birmingham – ambas do Reino Unido –, com o objetivo de discutir a pesquisa em colaboração e planejar futuros projetos conjuntos.

A comunidade científica internacional tem buscado uma tecnologia para a produção em escala industrial do etanol celulósico, isto é, derivado da celulose da cana-de-açúcar. Atualmente, o etanol só pode ser fabricado a partir da sacarose, que corresponde a um terço da biomassa da planta. O etanol celulósico permitiria aproveitar os outros dois terços, aumentando a produtividade sem alterar a área plantada.

A empresa de biotecnologia dinamarquesa Novozymes anunciou, em abril, o desenvolvimento de uma nova enzima que, com a aplicação das tecnologias atuais de hidrólise, permitiu a produção de etanol celulósico a preços competitivos em relação ao etanol produzido na Europa. No entanto, o processo ainda é muito caro em relação aos custos de produção de etanol no Brasil.

Esse avanço científico acentua a importância da rota enzimática para a produção de etanol, de acordo com Polikarpov. “É uma ótima notícia, pois significa que, se melhorarmos ainda mais esse processo, conseguiremos um etanol de segunda geração viável em escala industrial. Para isso, temos que investir no estudo sobre as enzimas, que são o fator que mais encarece o etanol de celulose”, disse à Agência FAPESP.

Segundo ele, os estudos mostram que, quando a carga enzimática é reduzida pela metade, o custo final do etanol cai em 20%. “As enzimas têm peso maior que o da energia elétrica, por exemplo, no custo de produção industrial. Temos que intensificar nossa pesquisa sobre componentes que poderiam agir sinergicamente com os coquetéis enzimáticos existentes no mercado. Desse modo, conseguiremos aumentar ainda mais a eficiência e baratear o etanol celulósico”, afirmou.

Os três componentes principais da biomassa da cana-de-açúcar são a celulose, a hemicelulose e a lignina. Os dois primeiros são fundamentalmente compostos de açúcar, mas suas moléculas formam fibras cristalinas que tornam muito difícil a missão de separar as moléculas de glicose para fermentação e produção do etanol.

“Ao longo da evolução, as plantas desenvolveram estruturas de parede celular de maneira a dificultar a sua degradação pelos microrganismos. Além de ser cristalina, a celulose é coberta com hemicelulose e lignina, tornando-se impermeável às enzimas”, explicou Polikarpov.

“Em geral, são usados processos de tratamento físico e químico que afrouxam essa estrutura e permitem que as enzimas ataquem a celulose e gerem açúcares simples, que serão fermentados para produção do etanol”, disse.

As enzimas são uma estratégia interessante, segundo Polikarpov, por serem muito eficientes e gerarem poucos subprodutos indesejáveis. No entanto, não há uma só enzima que faça o serviço sozinha.

“A biomassa da cana-de-açúcar tem morfologia e composição muito complexas e essas complexidades devem ser atacadas com misturas complexas de enzimas. Cada uma delas irá clivar uma ligação específica. É preciso encontrar uma combinação de enzimas que conjuntamente vão atacar esse tipo de biomassa e dissolvê-la”, disse Polikarpov.

Composição molecular

O coquetel enzimático otimizado para cada tipo de biomassa precisará ser diferente, segundo Polikarpov. “Não apenas precisaremos de um coquetel diferente para cada tipo diferente de biomassa, mas também precisaremos de diferentes coquetéis concebidos para cada forma específica de pré-tratamento dado à mesma biomassa, pois em cada caso a morfologia e a composição são diferentes”, disse.

Além de estudar a composição de coquetéis enzimáticos que atuam sobre a biomassa, o grupo liderado por Polikarpov estuda os processos de pré-tratamentos de substratos da cana-de-açúcar. “Decidimos estudar a fundo a composição molecular de biomassa, porque ela é o substrato para as enzimas ao longo de processos de pré-tratamento”, disse.

O grupo já demonstrou que misturas comerciais de enzimas nem sempre são otimizadas para a hidrólise de bagaço de cana pré-tratado. Esses processos podem se tornar muito mais eficientes se for possível adicionar outras enzimas aos preparados enzimáticos já conhecidos.

“Tentamos, por um lado, compreender a estrutura molecular de substrato – a biomassa – e, por outro lado, compreender como as enzimas interagem com o substrato. Queremos descobrir enzimas novas que possam ser adicionadas a coquetéis enzimáticos a fim de aumentar a eficiência desses coquetéis. Demonstramos que já podemos fazer isso”, destacou.

Polikarpov coordena dois Projetos Temáticos no âmbito do Programa BIOEN: “Structure and function of enzymes and auxiliary proteins from Trichoderma, active in cell-wall hydrolysis” e o Centro de Processos Biológicos e Industriais para Biocombustíveis – CeProBIO.

O cientista coordena também os projetos “Target analysis of microbial lignocellulytic secretomes – a new approach to enzyme discovery e “EMU: Facility para estudos avançados de materiais nanoestruturados e biossistemas”, apoiados pela FAPESP, respectivamente, nas modalidades Auxílio à Pesquisa – Regular e Programa Equipamentos Multiusuários.