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A biologia sintética e a produção de biocombustíveis.


Texto original: BiotechSpain

Tradução: João Souza


A possibilidade de se obter combustíveis a partir de seres vivos tem se expandido nos últimos anos como uma solução aplicável que compensaria a emissão de gases de efeito estufa na atmosfera. A biotecnologia, por meio da biologia sintética, tem condições para oferecer alternativas baseadas na produção de biocombustíveis a partir de micro-organismos.

Fonte: Google Imagens

A oxidação de compostos de carbono para a produção de energia metabólica constitui a parte principal e comum a quase todos os seres vivos. Através destes processos, as moléculas orgânicas (todas formadas por carbono em sua estrutura básica) são oxidadas paulatinamente, liberando assim, a energia contida nas ligações químicas das moléculas, resultando na forma mais oxidada do carbono, o CO2.

O homem é a única criatura do planeta que desenvolveu formas de obter energia que não seja proveniente de alimentação ou de fontes naturais de calor. Isto é possível, graças ao uso de combustíveis. Diferente do que ocorre no metabolismo, a combustão é uma oxidação rápida e violenta de um material, liberando também CO2 como produto final.

Nas primeiras combustões realizadas pela humanidade, o carbono utilizado como matéria prima provinha de restos de plantas secas ou cortadas e, assim se produzia (e ainda se produz) fogo, o autêntico artesão da civilização tal e como a conhecemos. Entretanto, a atividade humana logo sentiu a necessidade de combustíveis mais versáteis, que permitiriam sua utilização por diversas máquinas, tornando-as mais eficientes (produzindo mais energia) no processo de combustão. As consequências desta necessidade são os combustíveis fósseis: o carbono e o petróleo. O uso destas matérias primas permitiram a evolução das técnicas de combustão e sua adaptação a diferentes demandas de energia, desde a calefação e a eletricidade, até os motores de combustão externa ou interna.

Estas fontes de combustão, tão boas e disponíveis (afinal, só é preciso cavar) também apresentam dificuldades.  Obviamente, não dispomos de milhões de anos para realizar as mudanças geológicas necessárias para repor as reservas que utilizamos: em outras palavras, os combustíveis fósseis não são renováveis. Além disso, como consequência dessa impossibilidade de repor o que foi gasto, enfrentamos vários problemas. Em primeiro lugar, os produtos de dejetos das combustões destes compostos (principalmente a forma mais oxidada do carbono, o CO2) não têm um ciclo de retorno facilitado, por isso, tendem a ficar acumulados, gerando problemas ambientais. Por outro lado ,as reservas que o planeta dispõe se esgotarão uma hora ou outra, por isso, num futuro próximo podemos enfrentar a falta de matérias primas necessárias para satisfazer nossa demanda energética.

 

Produção e refinamento de petróleo. Fonte: Google Imagens

 

A possibilidade de se obter combustíveis a partir de seres vivos vem sendo aprimorada nos últimos tempos, como uma solução aplicável que compensaria a emissão de gases estufa na atmosfera.  Os biocombustíveis, são combustíveis similares a aqueles produzidos a partir de combustíveis fósseis, mas a diferença é que os primeiros podem ser obtidos a partir de plantas cultivadas e seus restos. Isto significa, na teoria, uma resposta à sustentabilidade do uso destes combustíveis: a geração da nova matéria prima para biocombustíveis se realiza a partir do cultivo de mais plantas, que podem aproveitar o CO2 emitido para crescer, assimilando-o pelo processo de fotossíntese.  Se argumenta que o equilíbrio real de emissões provenientes de biocombustíveis seria zero, seguindo este raciocínio.

Atualmente dois tipos principais de biocombustíveis são produzidos: o etanol e o biodiesel. Os maiores esforços realizados até agora têm se concentrado na produção de etanol, que é utilizado como suplemento da gasolina, mas que também está disponível como combustível substituto da gasolina em alguns países.   O biodiesel também tem ganhado os postos como suplemento ou substituto do diesel tradicional, que provém do petróleo.

O uso e a comercialização destes biocombustíveis com o objetivo de assumir o lugar do petróleo têm uma série de limitações. Por exemplo, o uso do etanol ao invés da gasolina supõe a modificação de toda a infraestrutura de combustíveis, já que o etanol não é compatível com nenhum dos sistemas de transporte e armazenamento utilizados atualmente. Muitas das máquinas que usam outro tipo de combustível deveriam ser adaptadas para também utilizarem o etanol.  No caso do biodiesel, ao proceder essencialmente de biomassa cultivada, implica na utilização e exploração do solo cultivável com fins não relacionados à alimentação. Isto traz consigo as típicas ameaças derivadas do uso do solo (desertificação, desmatamento, gasto excessivo de água) que podem representar um inconveniente sério na hora de definir políticas voltadas ao meio-ambiente.

A biotecnologia, por meio da biologia sintética, está em condições de oferecer alternativas baseadas na produção de biocombustíveis a partir de micro-organismos. O biólogo sintético vê os micro-organismos como caixas de ferramentas que servem para gerar as suas próprias: aproveita diferentes elementos biológicos dos organismos vivos e os utiliza como ferramentas para gerar novos sistemas biológicos encaminhados para a realização de um processo concreto. Esta aproximação inclui o uso de promotores, genes, sequências e proteínas reguladoras que podem proceder de diferentes organismos e que são unidos seguindo critérios do pesquisador. Assim, se pode utilizar partes de diferentes vias metabólicas para gerar uma nova que, no final, dê como resultado a produção de um biocombustível. Em seguida, vemos exemplos destas aproximações na obtenção de etanol e biodiesel.

A fermentação alcoólica é o método tradicional na produção de etanol. Este processo também serve para a obtenção de outros biocombustíveis, especificamente, o isopropanol e o 1-butanol, que podem ser utilizados diretamente como suplemento para combustíveis fósseis ou como componentes anteriores na produção de biodiesel. Ambos são obtidos a partir da fermentação de biomassa vegetal, como milho, ervas, folhas, dejetos agrícolas, etc., realizada por enzimas que, na maioria das vezes, são provenientes de organismos vivos. Além disso, estes alcoóis podem ser utilizados com a infraestrutura atual dos combustíveis, com mínimas alterações, por isso, são cada vez mais aceitos como substitutos aos combustíveis fósseis.

 

Reação de fermentação alcoólica. Fonte: Google Imagens

 

Os esforços da biologia sintética para conseguir produzir estes alcoóis se baseiam em transferir os processos metabólicos realizados por micro-organismos difíceis de manipular para a síntese de isopropanol e 1-butanol a organismos mais manipuláveis e versáteis, especialmente a Escherichia coli  e a Saccharomyces. Por exemplo, a produção de Isopropanol com as E. coli foi alcançada unindo a via metabólica de produção de acetona com um álcool desidrogenase que finaliza o processo.

No caso dos alcoóis mais complexos, a produção não fermentativa também pode proporcionar uma base para sua síntese. Neste sentido, têm havido descrições de aproximações baseadas no uso das vias metabólicas de biossíntese de aminoácidos. Algumas destas rotas podem ser utilizadas para conseguir alfa-cetoácidos, que por sua vez são precursores de alcoóis em reações posteriores.  Os alcoóis produzidos desta forma podem ser substitutos diretos da gasolina ou se polimerizar para gerar outros biocombustíveis.

Os isoprenoides se produzem metabolicamente a partir de acetilcoenzima A a partir de ácido mevalónico, ou de gliceraldeído 3-fostafo e piruvato.  Alguns isoprenoides têm funções fisiológicas importantes: hormônios, pigmentos fotossintéticos, metabolitos secundários. Os isopropenoides são matérias primas muito interessantes e promissoras para a produção de biocombustíveis, já que são estruturalmente diversificados e incluem insaturações (duplas ligações) e formas cíclicas. Alguns exemplos são o isopentenol, como substituto em motores à gasolina, e o farneseno, como substituto do diesel.  Também tem se pesquisado a aproximação sintética para sua produção em bactérias. No caso do isopentenol, foram identificados genes para a biossíntese de isopentenol nos Bacillus subtillis, para posteriormente incluí-los nas E. coli. Desta forma chegaram a produzir experimentalmente 110mg/l de isopentenol.

As rotas biossintéticas de lipídios também são extremamente importantes para a produção de combustíveis renováveis. De fato, os ácidos graxos são utilizados normalmente para a produção de biodiesel. A produção de alcanos, aldeídos e alcoóis a partir de ácidos graxos constitui um caminho viável para o desenvolvimento de outros combustíveis alternativos.

A síntese de biodiesel a partir de ácidos graxos segue duas estratégias principais: produção de alcoóis de cadeia curta e esterificação posterior in vivo mediante a adição exógena de ácidos graxos ou o contrário, a produção de ácidos graxos livres que podem ser utilizados para esterificá-los in vitro. A esterificação é uma reação química destinada a produzir ésteres, que são moléculas formadas pela união de um ácido carboxílico (neste caso, um ácido graxo) e um álcool. No primeiro caso, se faz uso de vias metabólicas de síntese de etanol de Zymomonas mobilis para transplantá-las às E. coli, junto com a expressão de uma aciltransferase de Acinetobacter baylyi. A segunda aproximação tem se centrado na busca de algas oleaginosas, leveduras e até bactérias que por si mesmas consigam produzir uma quantidade de ácido graxos de 60 a 80%.

À parte disto, também se tentou produzir ácidos graxos nas E. coli com o uso da engenharia de enzima como a tiosterase e a acetilcoenzima A carboxilase, as quais são centrais no metabolismo dos ácidos graxos.

Talvez a aproximação mais ambiciosa, ainda que pode ser também a mais direta, consista na produção de biocombustíveis manipulando as rotas de fixação direta do carbono atmosférico. As plantas levam toda sua existência gerando compostos de carbono desta maneira por meio da fotossíntese. Supostamente, o uso da biomassa vegetal para a produção de biocombustíveis já está se desenvolvendo, ainda que na realidade esta aproximação aproveite os produtos intermediários desta fixação fotossintética do carbono para produzir biocombustíveis por meio de modificações posteriores. O ideal, entretanto seria que um organismo produzisse diretamente um biocombustível a partir do CO2 atmosférico e de luz. As cianobactérias têm despertado o interesse dos biólogos sintéticos como candidatas para solucionar este problema. Nos últimos anos, tem se investigado a possibilidade de as cianobactérias produzirem biocombustíveis avançados, como o isobutiraldeído, isobutanol e isopreno. Ainda que os resultados sejam promissores, este tipo de produção deverá no futuro proporcionar soluções escaláveis que proporcionem o rendimento requerido (não nos esqueçamos que necessitamos de luz para este processo).

 

Cyanobacteria. Fonte: Google Imagens

 

Em definitivo, a biologia sintética trata de oferecer alternativas artificiais para a produção de biocombustíveis. Seu objetivo é desenhar novas rotas metabólicas destinadas a produzir diretamente biocombustíveis ou compostos precursores em grandes quantidades, partindo de rotas centrais do metabolismo de diferentes micro-organismos e tomando como ferramentas genes e elementos reguladores.

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