Estratégias colaborativas para uso de microorganismos na produção de moléculas com valor agragado a partir de hidrolisado lignocelulósico

• Processo: 22/14156-1
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de março de 2023
• Data de Término da vigência: 29 de fevereiro de 2024
• Área do conhecimento: Ciências Biológicas - Microbiologia - Microbiologia Aplicada
• Acordo de Cooperação: Technische Universität München (TUM)
• Proposta de Mobilidade: SPRINT - Projetos de pesquisa - Mobilidade
• Pesquisador responsável: Ana Paula Jacobus
• Beneficiário: Ana Paula Jacobus
• Pesquisador Responsável no exterior: Bastian Blombach
• Instituição Parceira no exterior: Technical University of Munich, Straubing (TUM) , Alemanha
• Instituição Sede: Instituto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN). Universidade Estadual Paulista (UNESP). Campus de Rio Claro. Rio Claro , SP, Brasil
• Município da Instituição Sede: Rio Claro
• Vinculado ao auxílio: 17/24453-5 - Rede de colaboração: abordagens genéticas modernas para aumentar a tolerância de leveduras a hidrolisados lignocelulósicos enriquecidos, AP.BIOEN.JP
• Assunto(s): Biotecnologia Micro-organismos Corynebacterium glutamicum Materiais lignocelulósicos Biocombustíveis Biorrefinarias Vibrio
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: biofuels | biorefinery | Corynebacterium glutamicum | Lignocellulosic Hydrolysate | Sacharomyces cerevisiae | Vibrio natriegens | Biotecnologia de Microorganismos

Resumo

As questões das alterações climáticas e a prevista escassez de petróleo exigem uma mudança da matriz energética para favorecer a produção de produtos químicos e combustíveis a partir de recursos baratos e renováveis. A esse respeito, a biomassa vegetal (ou seja, a matéria-prima lignocelulósica) fornece a matéria-prima mais sustentável e abundante disponível globalmente. A matriz lignocelulósica que constitui as paredes das células vegetais é composta por polímeros de celulose, hemicelulose e lignina. As frações celulósicas e hemicelulósicas são uma rica fonte de açúcares C6 (glicose, manose, galactose) e C5 (xilose e arabinose) que podem ser processados via fermentação microbiana em compostos de alto valor, como moléculas biologicamente ativas, pigmentos, bioplásticos, surfactantes, biocatalisadores e combustíveis. Um excelente exemplo é a produção de etanol a partir de biomassa vegetal por meio de unidades industriais de ponta no Brasil, EUA, Canadá, Noruega, Itália e Romênia. Particularmente no Brasil, a produção de etanol de primeira geração (1G) a partir de caldo de cana e melaço produz fibras de bagaço como resíduo. Esse subproduto tem sido utilizado por empresas como Raízen e GranBio para produção de etanol de segunda geração (2G) via processamento de biomassa e fermentação com Saccharomyces cerevisiae geneticamente modificado. A fração de lignina de polímeros de células vegetais também é um importante recurso de biomassa. A lignina é um polímero composto por unidades fenilpropanóides que, ao serem despolimerizadas, fornecem compostos aromáticos adequados para conversão microbiana em produtos alvo, ou servindo como alternativas sustentáveis às matérias-primas aromáticas de base petroquímica. Portanto, um conceito de (bio)refinarias lignocelulósicas deve ser encarado como um importante motor de uma nova bioeconomia que substituirá as tecnologias baseadas em fósseis. Um aspecto crítico para a implementação de bioprocessos usando matéria-prima lignocelulósica é que a biomassa deve ser processada por um pré-tratamento físico-químico, seguido de hidrólise dos polímeros (hemi)celulósicos para liberar açúcares C5/C6 para biotransformação microbiana. O licor fermentável resultante dessa etapa de processamento é chamado de hidrolisado lignocelulósico (LCH), que, infelizmente, é enriquecido em compostos derivados de lignocelulósicos tóxicos aos microrganismos. Estes incluem inibidores de fermentação, como ácidos fracos, fenóis e aldeídos furanos, que representam um desafio significativo para a eficiência e sustentabilidade econômica da fermentação industrial de LCHs. Uma possibilidade de superar esse problema é alavancar a resiliência microbiana para tolerar ou desintoxicar os inibidores de LCH (abordagem de PI Jacobus). Organismos como S. cerevisiae podem sofrer engenharia metabólica ou evolutiva para resistir aos efeitos tóxicos durante a produção de etanol a partir de matérias-primas de biomassa. Uma abordagem alternativa e engenhosa é o uso de inibidores de LCH, como ácidos fórmico e acético, ou compostos fenólicos, como substratos químicos para produção metabólica de moléculas de valor agregado por microrganismos, como Corynebacterium glutamicum e Vibrio natriegens (abordagem de PI Blombach). Assim, a mitigação da toxicidade de LCH é acoplada à formação do produto alvo. Este projeto visa combinar a expertise dos grupos Jacobus e Blombach para implementar novas estratégias metabólicas e evolutivas para conversão microbiana de LCHs em moléculas de valor agregado. (AU)