Proteínas de bactérias podem aumentar em até 30% rendimento do etanol de segunda geração

Fotos: Igor Alisson 
Inova Unicamp

Cooperação internacional de pesquisa entre Unicamp, Dartmouth College e Terragia Biofuel pode resolver um dos gargalos da produção de biocombustíveis 2G. Nova tecnologia foi licenciada a empresa dos EUA para novos testes

Por Ana Paula Palazi

Inova Unicamp

Uma modificação genética desenvolvida por pesquisadoras da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) no âmbito de um acordo internacional de pesquisa, com duas instituições dos Estados Unidos, pode aumentar em até 30% o rendimento da produção de bioetanol.

A invenção utiliza uma rota alternativa para destravar a produção de biocombustíveis de segunda geração (2G), baseada no uso de bactérias geneticamente modificadas. A tecnologia foi protegida com pedido de patente e licenciada, com a estratégia da Agência de Inovação Inova Unicamp, para a empresa norte-americana Terragia Biofuel, que busca avançar a fase de testes em escala ampliada.

A nova tecnologia é fruto da pesquisa de doutorado de Layse Costa de Souza, realizada no Centro de Biologia Molecular e Engenharia Genética (CBMEG) da Unicamp. O desenvolvimento da tecnologia foi realizado no âmbito de um acordo de pesquisa, desenvolvimento e inovação (PD&I) entre a Unicamp, o Dartmouth College (EUA) e a empresa licenciada.

O trabalho integra as atividades do Advanced Second Generation Biofuel Laboratory ou Laboratório de Biocombustíveis Avançados de Segunda Geração (A2G), sediado na Unicampe financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), por meio do programa São Paulo Excellence Chair (SPEC).

O projeto SPEC de cooperação internacional é voltado a atrair pesquisadores de prestígio internacional para criar núcleos de investigação de ponta em universidades paulistas, como o laboratório A2G da Unicamp.

O gargalo e a cooperação internacional

O etanol de segunda geração (2G) tem potencial para contribuir com a mitigação das mudanças climáticas e o desenvolvimento econômico, além de ser um intermediário promissor para a produção de combustíveis de aviação sustentáveis ​​e produtos químicos básicos. No entanto, o custo de produção é atualmente superior ao dos combustíveis fósseis e ao do etanol de primeira geração (1G).

Esse gargalo econômico ocorre porque o processo atual de produção, feito a partir de resíduos como o bagaço e a palha da cana-de-açúcar, depende de leveduras para a fermentação. Esse método tradicional exige etapas prévias de tratamento termoquímico, sob altas temperaturas, e o uso de enzimas hidrolíticas para quebrar a hemicelulose e transformar a celulose em glicose. “Juntas, essas duas etapas elevam consideravelmente o custo de produção do biocombustível”, explica Luana Walravens Bergamo, pesquisadora do CBMEG e integrante do estudo.

A proposta de rota alternativa parte do chamado de Consolidated Bioprocessing (CBP) ou Bioprocessamento Consolidado, em tradução livre, uma estratégia que simplifica o processo produtivo ao substituir as leveduras por bactérias anaeróbias termofílicas. Esses microrganismos possuem a capacidade natural de desconstruir a biomassa lignocelulósica e realizar a fermentação em um único processo, dispensando as etapas de pré-tratamento.

A alternativa é estudada há mais de três décadas pelo grupo coordenado pelo professor Lee Lynd, da Dartmouth College, com foco na bactéria Clostridium thermocellum. A limitação, porém, é que embora esse microrganismo degrade a celulose com excelência, sua produção natural de etanol é muito baixa.

O pesquisador da Terragia Biofuel, Christopher David Herring, explica que as leveduras atuaissão muito úteis economicamente, mas limitadas nos tipos de carboidratos que fermentam. Já as bactérias do estudo conseguem fermentar uma variedade maior, mas exigem engenharia genética para alcançar a mesma eficiência.

“Essas bactérias utilizam uma via metabólica diferente para produzir etanol e, embora já conhecêssemos as enzimas envolvidas na conversão de carbono, pouco sabíamos sobre como outras enzimas equilibravam o hidrogênio e os elétrons. Essa lacuna no conhecimento prejudicava nossa capacidade de produzir etanol com a mesma eficiência das leveduras”, explica o pesquisador.

Unindo o melhor de dois microrganismos

Para contornar esses obstáculos e ampliar o conhecimento científico, as pesquisadoras brasileiras e o pesquisador norte-americano trabalharam com uma segunda bactéria, uma espécie de ‘prima’ da Clostridium thermocellum, inicialmente estudada.

Trata-se da Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, uma bactéria também anaeróbia e termofílica, mas que tem como grande diferencial a capacidade de produzir etanol. “Tínhamos, portanto, dois microrganismos complementares: um que produz muito etanol, mas não degrada celulose, e outro que degrada a biomassa com excelência, mas não gera um bom rendimento do biocombustível”, comenta Bergamo.

A tese de Layse focou em desvendar o metabolismo da bactéria de alta performance na produção de etanol, para identificar as proteínas-chave responsáveis por essa eficiência. “Uma vez mapeadas as rotas capazes de suportar esse nível de produção, transferimos os genes dessas proteínas para a nossa bactéria-chave do processo CBP, aquela que degrada a celulose. Como resultado dessa engenharia genética, conseguimos obter uma produção de etanol significativamente elevada”, diz Souza.

Como a pesquisa foi conduzida

Boa parte dos experimentos que resultaram na invenção foi feita quando Souza cumpria um ano de doutorado-sanduíche no laboratório de Lynd, nos Estados Unidos, após dois anos de pesquisa no Brasil. Lá, ela mapeou rotas metabólicas da bactéria boa fermentadora, identificou proteínas-chave e, por meio de um plasmídeo (molécula de DNA circular usada como vetor), transferiu o gene para a bactéria do CBP, até então incapaz de fermentar bem.

Todos os testes, até agora, foram feitos em escala de bancada, em frascos, sem biorreatores industriais. Os dados já embasaram o pedido da patente nos Estados Unidos e no Brasil. Em paralelo, Souza conduziu ensaios bioquímicos para comprovar que a proteína é a peça central do mecanismo, em outra frente da tese defendida na Unicamp.

Segundo Herring, a nova rota traz respostas sobre o funcionamento celular que antes limitavam o avanço do uso dessas bactérias na produção. “Neste estudo, apresentamos um novo modelo do mecanismo de equilíbrio de hidrogênio e elétrons e demonstramos como ele pode ser utilizado para aprimorar a engenharia de bactérias fermentadoras de biomassa — um avanço que pode gerar um grande impacto econômico ao viabilizar a conversão eficiente de biomassa em combustível”, comenta o cientista.

Hidrogênio: de vilão a intermediário da produção

O achado central da pesquisa contraria uma suposição antiga da bioquímica microbiana: hidrogenases, enzimas que produzem hidrogênio, eram vistas como concorrentes do etanol, por sequestrarem elétrons que poderiam ir para esse produto final.

A equipe identificou que umahidrogenase específica, a HfsD, tem efeito oposto: sem ela, a célula não recicla a ferredoxina, passo indispensável para transformar açúcar em etanol, nem produz o cofator NADPH (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo Fosfato), exigido pela etapa final da reação.

Esse cofator funciona como uma espécie de chave que liga o “motor” da enzima para ela realizar o trabalho químico necessário. “Identificamos como regular esse metabolismo para que o hidrogênio não seja um vilão, e sim um intermediário da reação”, descreve Souza.

A hipótese foi batizada de redox balance via hydrogen cycling (na tradução livre, balanço redox por ciclagem por hidrogênio), apresentada na defesa do doutorado de Souza, na Unicamp, em abril de 2026. Como a HfsD gera excesso de cofator, uma segunda proteína acessória precisa equilibrar o processo, o que explica a equipe ter testado duas linhagens, cada uma com uma combinação distinta.

“A maioria das tentativas de engenharia metabólica se concentra em melhorar a cinética de uma proteína ou eliminar vias que competem por carbono. Nossa hipótese mostra que isso não basta: é preciso também equilibrar os cofatores e os carregadores de elétrons”, resume Souza.

Resultados e próximos desafios

Nos testes de bancada, as linhagens modificadas alcançaram aumento de rendimento de até quase 30% frente às bactérias não modificadas. Em uma delas, batizada A2G-0053, o rendimento subiu de 59,8% para 88,5% do máximo teórico após a inserção da hidrogenase-chave, comparado à outras bactérias modificadas. “Já testamos outras modificações usando proteínas heterólogas. Em geral, o aumento fica entre 5% e 10%. Esse foi um resultado bem mais expressivo”, avalia Bergamo.

O foco do projeto é a produção de etanol à partir do bagaço de cana, mas outros substratos também podem ser utilizados, como agave, palha de milho e folha de eucalipto. Apesar dos números favoráveis, novos testes precisam ser realizados para que a tecnologia possa ser aplicável à indústria.

“Um desafio comum a todas as linhagens é saber qual o limite que a bactéria alcança até que o próprio etanol tenha efeito reverso e iniba a produção”, diz Bergamo.

Os pesquisadores também citam a necessidade de avaliar a competitividade da linhagem modificada diante de bactérias invasoras em um biorreator industrial. O passo seguinte é o escalonamento, testando se o desempenho de bancada se repete em bateladas maiores. Essa etapa será conduzida pela empresa norte-americana, que licenciou a tecnologia.