Desenvolvimento de linhagens de Saccharomyces cerevisiae através da expressão heteróloga de celulases e engenharia evolutiva visando a sacarificação e fermentação simultânea da biomassa lignocelulósica

• Processo: 16/04602-3
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa BIOEN - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2016
• Data de Término da vigência: 31 de outubro de 2018
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Química - Processos Industriais de Engenharia Química
• Pesquisador responsável: Rosana Goldbeck Coelho
• Beneficiário: Rosana Goldbeck Coelho
• Instituição Sede: Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Francisco Maugeri Filho ; Gleidson Silva Teixeira
• Assunto(s): Bioenergia Bioetanol Celulase Saccharomyces cerevisiae Sacarificação Fermentação Biomassa
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Bioetanol | Celulases | cerevisiae | engenharia evolutiva | expressão heteróloga | S | sacarificação e ferementação simultânea | Biotecnologia Industrial

Resumo

A fim de reduzir a dependência das fontes de energia fósseis e aumentar a segurança energética, vários países estão à procura de alternativas sustentáveis, como o bioetanol. Uma abordagem promissora para aumentar a produção de bioetanol é o uso da biomassa lignocelulósica, tais como o bagaço e palha de cana de açúcar, resíduos industriais gerados no processo de produção do etanol de primeira geração. Duas estratégias podem ser empregadas para produção de bioetanol - SHF (hidrólise e fermentação separadas) e SSF (sacarificação e fermentação simultânea) - e embora o primeiro processo seja o mais utilizado, o segundo (SSF) é mais otimizado e menos oneroso, resultando na hidrólise da lignocelulose e fermentação dos açúcares redutores dentro do mesmo compartimento. No entanto, a S. cerevisiae não consegue metabolizar carboidratos complexos em etanol, como por exemplo, a celulose, componente majoritário do bagaço e da palha de cana de açúcar. Neste sentido, a expressão de celulases originárias de outros micro-organismos em S. cerevisiae pode ser uma alternativa, possibilitando a sacarificação e fermentação simultânea da biomassa lignocelulolítica em bioetanol. Também é importante salientar que as linhagens de leveduras industriais são submetidas a condições de fermentação (temperatura e pH) diferentes das condições ótimas de hidrólise das enzimas (celulases) exigindo adaptação da população, como por exemplo, elevação da temperatura durante o processo SSF. Em face disto, este projeto objetiva empregar o processo de SSF para a produção de bioetanol, inserindo celulases de Acremonium strictum (isolado do bioma Brasileiro) em linhagens industriais de S. cerevisiae (PE-2 e SA-1) e subsequente realização de engenharia evolutiva para selecionar linhagens mais adaptadas às condições de hidrólise. Perante isto, espera-se obter linhagens de S. cerevisiae que possam expressar celulases a fim de melhorar a hidrólise da biomassa lignocelulósica e, assim, aumentar a disponibilidade da glicose. Após evolução das linhagens modificadas, esperamos alcançar maior secreção e atividade das enzimas e, consequentemente, maiores níveis de etanol no meio em comparação com as linhagens inalteradas. Para expressão heteróloga das celulases de Acremonim strictum em S. cerevisiae utilizaremos a metodologia de CRISPR/Cas9, que permite a integração dos genes de interesse no genoma da levedura, com muita precisão, além de eficiência e flexibilidade. Para a evolução das linhagens será empregado o uso do agente mutagênico EMS para estimular a ocorrência de mutações aleatórias e em seguida ocorrerá pressão seletiva em meios de cultivo desfavoráveis como forma de selecionar linhagens capazes de resistir ás condições de stress. Após evolução e confirmação da expressão das enzimas, serão realizadas fermentações empregando diferentes substratos, dentre eles bagaço e palha de cana pré-tratados. As fermentações serão realizadas em shakers em anaerobiose em condições pré-determinadas através da engenharia evolutiva. Os produtos gerados durante as fermentações serão quantificados por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Dentre as fermentações realizadas, a que apresentar melhor fator de conversão de substrato em produto (YS/P), será conduzida em fermentador de bancada, a fim de simular as condições das usinas e de tal modo produzir bioetanol de 2ª geração a partir da sacarificação e fermentação simultânea da biomassa lignocelulósica. (AU)

Publicações científicas

(7)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

MENDES LOPES, ALBERTO MOURA; FELIX DE MELO, ALLAN HENRIQUE; PROCOPIO, DIELLE PIERROTI; TEIXEIRA, GLEIDSON SILVA; CARAZZOLLE, MARCELO F.; DE CARVALHO, LUCAS MIGUEL; ADELANTADO, NURIA; PEREIRA, GONCALO A. G.; FERRER, PAU; MAUGERI FILHO, FRANCISCO; et al. Genome sequence of Acremonium strictum AAJ6 strain isolated from the Cerrado biome in Brazil and CAZymes expression in thermotolerant industrial yeast for ethanol production. Process Biochemistry, v. 98, p. 139-150, NOV 2020. (16/04602-3, 15/02007-8, 16/02506-7)

AVILA, PATRICIA F.; FRANCO CAIRO, JOAO PAULO L.; DAMASIO, ANDRE; FORTE, MARCUS B. S.; GOLDBECK, ROSANA. Xylooligosaccharides production from a sugarcane biomass mixture: Effects of commercial enzyme combinations on bagasse/straw hydrolysis pretreated using different strategies. Food Research International, v. 128, FEB 2020. (15/20630-4, 15/50612-8, 17/22669-0, 16/04602-3)

AZAMBUJA, SUEELLEN P. H.; TEIXEIRA, GLEIDSON S.; ANDRIETTA, MARIA G. S.; TORRES-MAYANGA, PAULO C.; FORSTER-CARNEIRO, TANIA; ROSA, CARLOS A.; GOLDBECK, ROSANA. Analysis of metabolite profiles of Saccharomyces cerevisiae strains suitable for butanol production. FEMS Microbiology Letters, v. 366, n. 13, JUL 2019. (18/05999-0, 15/50612-8, 15/20630-4, 16/04602-3, 16/02506-7)

LACHOS-PEREZ, DANIEL; BASEGGIO, ANDRESSA M.; TORRES-MAYANGA, PAULO C.; AVILA, PATRICIA F.; TOMPSETT, G. A.; MAROSTICA, MARIO; GOLDBECK, ROSANA; TIMKO, MICHAEL T.; ROSTAGNO, MAURICIO; MARTINEZ, JULIAN; et al. Sequential subcritical water process applied to orange peel for the recovery flavanones and sugars. JOURNAL OF SUPERCRITICAL FLUIDS, v. 160, JUN 1 2020. (18/14582-5, 18/05999-0, 11/19817-1, 16/04602-3)

SANTOS, BRUNO A. S.; AZAMBUJA, SUELLEN P. H.; AVILA, PATRICIA F.; PACHECO, MARIA TERESA B.; GOLDBECK, ROSANA. n-Butanol production bySaccharomyces cerevisiaefrom protein-rich agro-industrial by-products. Brazilian Journal of Microbiology, v. 51, n. 4, SEP 2020. (19/08542-3, 16/04602-3, 15/50612-8, 15/20630-4)

DE MELO, ALLAN H. F.; NUNES, ALEXIA L.; CARVALHO, PRISCILA H.; DA SILVA, MARCOS F.; TEIXEIRA, GLEIDSON S.; GOLDBECK, ROSANA. Evaluation of Saccharomyces cerevisiae modified via CRISPR/Cas9 as a cellulosic platform microorganism in simultaneously saccharification and fermentation processes. Bioprocess and Biosystems Engineering, v. N/A, p. 9-pg., 2022-08-06. (16/04602-3, 15/20630-4)

TORRES-MAYANGA, P. C.; AZAMBUJA, S. P. H.; TYUFEKCHIEV, M.; TOMPSETT, G. A.; TIMKO, M. T.; GOLDBECK, R.; ROSTAGNO, M. A.; FORSTER-CARNEIRO, T.. Subcritical water hydrolysis of brewer's spent grains: Selective production of hemicellulosic sugars (C-5 sugars). JOURNAL OF SUPERCRITICAL FLUIDS, v. 145, p. 19-30, MAR 2019. (13/04304-4, 18/05999-0, 16/04602-3, 11/19817-1)