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Super levedura tem desempenho aperfeiçoado

Microrganismo poderá ampliar e baratear produção de biocombustíveis

 

Masur via Wikimedia Commons
Membrana celular da levedura visualizada através de marcadores fluorescentes RFP e GFP acoplados a  algumas proteínas de membrana 

 

 
Por Niina Heikkinen e ClimateWire

 A levedura pode ser essencial para a produção de etanol por meio da fermentação mas a produção de biocombustíveis esteve limitada porque o calor e o próprio etanol podem ser fatais ou prejudiciais à levedura em níveis altos.

Recentemente, pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers em Gotemburgo, na Suécia, e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, nos Estados Unidos, encontraram maneiras de remediar esses dois problemas de produção. Eles publicaram sua pesquisa em 2 de outubro, no periódico Science.

Jens Nielsen, professor de biologia de sistemas na Universidade de Tecnologia Chalmers, estava entre os pesquisadores interessados em aumentar a tolerância da levedura ao calor.

Encontrar uma maneira de tornar a levedura mais resistente ao calor tornaria a produção do etanol mais acessível. Com as versões atuais da levedura, produtores de etanol precisam resfriar sua fermentação a 30 graus Celsius.

Ainda que essa possa ser a temperatura ideal para a levedura, ela não é ideal para os produtores. As enzimas necessárias para quebrar açúcares e amido funcionam melhor por volta de 40ºC, e o processo de resfriamento eleva o custo de produção.

Em vez de tentar manipular genes específicos envolvidos na tolerância ao calor, Nielsen e seus colegas usaram um processo chamado de “evolução laboratorial adaptativa”.

“Tentamos usar a abordagem da natureza e realizamos uma evolução?’”, especifica.

Eles expuseram três culturas de levedura contendo várias cepas a temperaturas de aproximadamente 40ºC durante longos períodos de tempo e observaram as mudanças genéticas que surgiam.

Após três meses e mais de 300 gerações, a levedura abruptamente começou a crescer bem em todas as culturas de temperatura mais alta.

“Foi realmente a sobrevivência do mais apto de Darwin. Nós encontramos um número bastante elevado de novas mutações”, conta Nielsen.

A única mutação consistente entre diferentes cepas tolerantes ao calor foi uma mutação pontual que produziu um tipo diferente de esterol nas membranas celulares, chamado de feco-esterol.

Uma descoberta inédita’

Normalmente, as membranas celulares contêm ergoesterol, semelhante ao colesterol encontrado em células humanas e animais.

Ao contrário do ergoesterol, o feco-esterol tem uma forma curvada e é semelhante às moléculas correlatas ao esterol, que protege alguns tipos de bactérias e plantas contra temperaturas mais altas.

Mais importante que isso, de acordo com Nielsen, é que a mutação que produzia feco-esterol era hereditária e não parecia ter nenhum efeito colateral negativo sobre a capacidade de crescimento ou reprodução da levedura.

“Essa é uma descoberta inédita”, declarou ele. “Nós também podemos transferir essa característica para cepas industriais de levedura e usá-la para produzir etanol em grande escala”.

Do outro lado do Oceano Atlântico, no MIT e no Instituto Whitehead de Pesquisa Biomédica, uma segunda equipe de pesquisadores procura uma maneira de tornar a levedura mais tolerante ao etanol.

Os pesquisadores decobriram que, ao adicionar cloreto de potássio e hidróxido de potássio ao meio de crescimento da levedura, eles conseguiam aumentar sua tolerância ao álcool e estender o tempo em que células individuais conseguiam produzir etanol.

Ao fazer isso, os pesquisadores aumentaram a concentração de etanol produzido em aproximadamente 80%, relata Gregory Stephanopoulos, professor de engenharia química do MIT e um dos autores do estudo.

“A toxicidade é provavelmente o problema mais importante na produção de biocombustíveis custo-eficazes”, declara ele.

A maior tolerância ao álcool remonta à influência do meio sobre gradientes da membrana elotroquímica através de membranas celulares. Quando células de levedura ficam expostas a grandes quantidades de etanol, o álcool torna a membrana celular mais porosa.

As bombas de próton e potássio conseguiam compensar os danos causados à membrana celular quando o meio era enriquecido com cloreto e hidróxido de potássio.

Além disso, de acordo com o estudo, a levedura conseguia consumir toda a glicose disponível.

Possível redução no custo de produção

Os pesquisadores testaram o meio em várias cepas de levedura.

“O efeito é igualmente forte em cepas industriais e laboratoriais, e o efeito é quase idêntico”, explica Stephanopoulos.

O gradiente eletroquímico ficou ainda mais forte quando os pesquisadores aumentaram a expressão de genes relativos às bombas de potássio e próton.

Eles desenvolveram a ideia de alterar o meio da levedura com base em suas pesquisas anteriores, que mostravam que uma levedura com maior tolerância ao calor tinha uma expressão maior de genes relacionados ao fosfato.

Quando introduziram o fosfato de potássio ao meio em que estavam cultivando a levedura, os pesquisadores viram “resultados extraordinários” quando compararam produções de etanol.

Inicialmente, não estava claro se era o potássio ou o fosfato que estava conduzindo à maior produção. Até que os pesquisadores perceberam que a adição de potássio estava fortalecendo a bomba de potássio da membrana celular, enquanto o fosfato estava aumentando o pH do meio.

Os resultados se estenderam a outros álcoois que também são tóxicos para a levedura.

“Quanto mais compreendemos o porquê de uma molécula ser tóxica e os métodos que tornam esses organismos mais tolerantes, mais pessoas terão ideias sobre como atacar outros problemas mais severos de toxicidade”, aponta Stephanopoulos.

O laboratório de Stephanopoulos está fazendo experimentos com culturas de levedura em meios diferentes para verificar se é possível reduzir ainda mais os efeitos de toxicidade do etanol e outros álcoois.

Os pesquisadores das duas universidades acreditam que seus resultados são transferíveis do laboratório para a produção comercial de etanol. Isso poderia, por sua vez, se traduzir em economias para a indústria de etanol dos Estados Unidos, que produziu 13,3 bilhões de galões de etanol em 2013, e sete bilhões de galões no primeiro semestre deste ano, de acordo com a Administração de Informações Energéticas.

De acordo com Nielsen, os dois métodos poderiam até ser usados juntos para criar uma cepa de levedura tolerante tanto ao calor quanto ao álcool.

“Os dois poderiam ser facilmente combinados; não vejo nenhum obstáculo técnico à união das duas abordagens”, conclui ele.

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