Prospecção de enzimas e otimização de vias metabólicas para produção de vanilina a partir de lignina do bagaço de cana de açúcar

Resumo

Lignina, um dos materiais mais recalcitrantes da natureza, consiste em um polímero tridimensional composto de vários anéis aromáticos estavelmente ligados, estando presente em combinação com celulose e hemicelulose na parede celular vegetal. A lignina se encontra fortemente associada a polissacarídeos da parede celular, o que dificulta seu aproveitamento e praticamente inviabiliza seu isolamento na forma não alterada. Portanto, a maioria dos dados sobre a estrutura da lignina é baseada na análise de frações isoladas de monômeros e dímeros derivados de sua degradação química. Os produtos solúveis em água resultantes da oxidação da lignina são predominantemente ácido p-hidroxibenzóico, vanilina e siringaldeído. Vanilina, um dos produtos da oxidação de lignina, é obtida na forma natural da vagem de orquídeas tropicais do gênero Vanilla. Devido à sua baixa produtividade e à dificuldade de cultivo fora de seu habitat natural, a produção total de vanilina natural é de apenas 40 Ton/ano, suprindo apenas cerca de 0,25% da demanda mundial total. Historicamente, esta demanda vem sendo atendida através de síntese química, primeiramente a partir de eugenol e da lignina presente no licor negro, e posteriormente substituída por síntese química a partir de recursos não renováveis como guaicol e ácido glioxílico. Recentemente, rotas fermentativas naturais têm sido desenvolvidas para a produção de vanilina a partir de fontes renováveis. Uma rota biossintética de novo foi desenvolvida em S. pombe, produzindo em torno de 45mg/L de vanilina a partir de glicose como matéria prima. A empresa Rhodia desenvolveu um método de produção de vanilina através de bioconversão microbial e vende seu produto com o nome comercial de Rhovanil Natural à $700/Kg. Por ser oriundo de fontes renováveis, este produto carrega o selo "natural" nos mercados dos EUA e da União Européia.Propomos neste projeto a utilização da fração solúvel da lignina de bagaço de cana, a qual é um resíduo da extração de celulose e hemicelulose do bagaço e é atualmente descartada. Este líquido possui quantidade considerável de compostos fenólicos derivados de lignina que podem ser utilizados como precursores para outras moléculas, entre elas a vanilina. Nosso plano de trabalho para tal consiste em estabelecer um consórcio de micro-organismos degradadores a partir do enriquecimento de uma amostra de solo de canavial cultivada em meio contendo lignina solúvel. Este consórcio será caracterizado quanto a capacidade de degradação de lignina, onde então passaremos para abordagens de metagenômica e metatranscriptômica, seguidas pela análise de dados por bioinformática, para prospecção de novas enzimas. Os genes destas enzimas serão sintetizados e caracterizados quanto à eficiência catalítica e posteriormente montados em uma via de síntese, onde utilizaremos uma técnica desenvolvida por um dos nossos parceiros internacionais que permite atenuar os níveis de co-expressão dessas enzimas utilizando "botões moleculares" denominados riboswitches. (AU)