Produção sustentável e de base biológica de 1,3-propanodiol a partir de fontes de C5/C3 por clostrídios metabolicamente modificados

Resumo

Esta proposta de pesquisa conjunta concentra-se na produção sustentável e de base biológica da commodity química 1,3-propanediol (PPD) por bactérias do gênero Clostridium. O PPD pode ser fabricado por síntese química ou por fermentação. Atualmente, cerca de 150000 toneladas de PPD são produzidas por ano, e espera-se que valor aumente para cerca de 225000 toneladas até 2022. A proposta de pesquisa se baseia em duas fontes renováveis de matéria-prima, ou seja, a fração C5 da hidrólise de lignocelulose e a fração C3 de glicerol residual da produção de biodiesel. Ambos são produzidos em grande quantidade tanto Alemanha quanto no Estado de São Paulo, decorrentes da produção de biodiesel e da hidrólise de lignocelulose em biorrefinarias. Assim, o projeto contempla vários tópicos deste edital, ou seja, o desenvolvimento de bioprodutos sustentáveis pelo uso/processamento de biomassa para a obtenção de produtos de base biológica visando o aproveitamento de matérias primas residuais. A utilização de duas diferentes matérias-primas de base biológica será realizada de forma a propiciar o crescimento das bactérias em pentoses (C5) com a geração de equivalentes redutores em excesso (NADH), que permitirão a conversão completa de glicerol em PPD. As vias de fermentação atuais do Clostridium para a utilização do glicerol são dificultadas pelo fato de que 50 % do glicerol precisa ser oxidado para produzir NADH, necessário para a redução de outros 50 % de glicerol em PPD. Assim, o emprego de C5 para propiciar o crescimento da bactéria com produção de NADH levará a uma alta conversão de glicerol em PPD. Isto será alcançado pela construção de mutantes de Clostridium sem a capacidade de utilizar equivalentes redutores para a produção de etanol, hidrogênio, isopropanol e lactato, obtidos através da inativação dos respectivos genes. Experimentos de fermentação revelarão quais matérias-primas são mais adequadas e se o uso simultâneo de pentose e glicerol será dificultado pela repressão catabólica. Nesse caso, a mutagênese direcionada também será empregada para inativar o regulador responsável repressão CcpA. A cepa de clostrídio prevista neste projeto empregará uma glicerol-desidratase independente da vitamina B12. Outro objetivo da proposta conjunta é a engenharia direcionada e a expressão de uma glicerol-desidratase dependente de vitamina B12 de Klebsiella pneumoniae, a fim de aumentar a sua atividade. Finalmente, também queremos abordar um futuro uso de energia renovável, empregando bioeletroquímica. Assim, testaremos se a eletricidade gerada por energia solar, eólica ou hídrica pode ser usada como fonte de equivalentes redutores para a redução de glicerol em PPD. Cepas de clostrídios selvagem e recombinantes serão imobilizadas em eletrodos e os biofilmes serão testados para captação e uso dos elétrons fornecidos para produzir PPD por eletrofermentação em uma célula eletrolítica microbiana (MEV). A proposta de pesquisa conjunta ainda será complementada por programas de intercâmbio de estudantes de pós-graduação e pesquisadores que serão financiados por programas internacionais, independentes deste projeto. (AU)