Uma equipe liderada pelo Sandia National Laboratories demonstrou mais rapidamente, maneiras mais eficientes de transformar matéria vegetal descartada em produtos químicos no valor de bilhões. As descobertas da equipe podem ajudar a transformar a economia de fabricação de combustíveis e outros produtos de fontes renováveis ​​cultivadas internamente.

Lignina, o material resistente que sobrou da produção de biocombustíveis, contém compostos que podem ser convertidos em produtos como náilon, plásticos e medicamentos. É um dos principais componentes das paredes celulares das plantas, e dá às plantas integridade estrutural, bem como proteção contra ataques microbianos.

Produtos feitos de lignina convertida podem subsidiar a produção de biocombustíveis, tornando o custo dos biocombustíveis mais competitivo com o petróleo. Infelizmente, A resistência da lignina também dificulta a extração de seus valiosos compostos. Os cientistas lutaram por décadas para desconstruí-lo. Como resultado, a lignina geralmente permanece sem uso em pilhas gigantes.

A bioengenheira Sandia Seema Singh e sua equipe demonstraram duas novas rotas para a conversão de lignina que combinam as vantagens dos métodos anteriores, ao mesmo tempo que minimizam suas desvantagens. As descobertas recentes da equipe são descritas no jornal Relatórios Científicos .

Um caminho híbrido químico e biológico adiante

Para quebrar as ligações entre os compostos que constituem a lignina, os cientistas empregaram produtos químicos ou organismos minúsculos, como bactérias ou fungos. Os métodos biológicos mais suaves permitem a produção de compostos direcionados específicos. Mas para quebrar totalmente a lignina usando essa abordagem pode levar semanas ou até meses.

Por outro lado, produtos químicos agressivos podem desconstruir a lignina em horas ou até minutos. Mas este método requer catalisadores caros e às vezes é tóxico, e, portanto, insustentável. Pior, os métodos químicos levam a uma mistura de compostos que aparecem em quantidades extremamente pequenas.

"Você obtém um pouco de vários produtos químicos quando quebra a lignina dessa forma, "explicou Singh." As quantidades produzidas não são muito úteis. "

Sua equipe demonstrou duas novas técnicas que incorporam a velocidade de um método químico e a precisão de um biológico. Em ambos os casos, A equipe de Singh acabou produzindo produtos químicos de alto valor que atualmente são derivados apenas do petróleo:ácido mucônico e pirogalol.

O ácido mucônico pode ser facilmente transformado em náilon, plásticos, resinas ou lubrificantes, e o pirogalol tem aplicações anticancerígenas. Juntos, Relata Singh, esses produtos químicos têm um valor de mercado combinado de US $ 255,7 bilhões. "O ácido mucônico é o que chamamos de uma plataforma química. A partir daí, criar novos produtos é realmente apenas uma questão de imaginação, " ela disse.

A bioengenharia encurta ainda mais o processo de conversão

O primeiro novo método de conversão da equipe é um processo de vários estágios que começa com o pré-tratamento da lignina com uma solução fraca de peróxido de hidrogênio e água. Moléculas intermediárias de vanilina e seringar resultam do tratamento.

Uma cepa de E. coli especialmente modificada pelo microbiologista Sandia Weihua Wu, em seguida, consome esses compostos de estágio intermediário, vários compostos adicionais surgem na mistura, e, em última análise, o processo resulta nos dois produtos químicos finais.

Contudo, Singh não ficou satisfeito com a quantidade de ácido mucônico produzida neste processo. Então, ela e sua equipe se desafiaram a encontrar uma maneira de maximizar a produção de ácido mucônico, e testou um segundo método de conversão.

O segundo método ignora o processo de decompor a lignina por completo. Em vez de, a equipe projetou geneticamente uma planta de tabaco. À medida que cresce, a planta produz grandes quantidades de protocatecuato composto intermediário, conhecido como PCA. Então, as únicas etapas restantes eram extrair esse composto e usar a E. coli modificada para fazer o ácido mucônico.

"Basicamente, pulamos três quartos das etapas que estávamos fazendo anteriormente ao projetar a planta para cultivar produtos químicos intermediários, "Disse Singh." O PCA pode ser facilmente extraído do tabaco modificado e convertido em ácido mucônico com pouco esforço. "

Esta rota de engenharia da planta não é apenas mais eficiente, mas também resolve com sucesso o desafio autoimposto pela equipe de maximizar o rendimento de ácido mucônico em até 34 por cento em relação aos métodos de conversão anteriores.

Métodos híbridos são essenciais para esforços futuros

Sandia financiou a maior parte do trabalho neste projeto por meio de seu programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório. O trabalho de engenharia da fábrica de tabaco foi feito pelos colaboradores de Singh da divisão de matéria-prima do Joint BioEnergy Institute em Emeryville, Califórnia, incluindo Dominique Loque e Aymerick Eudes.

Singh dirige o programa de pré-tratamento de biomassa no instituto, que é composta por cientistas de um consórcio de laboratórios, incluindo o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Ela acredita que pesquisas futuras sobre o aumento do valor econômico da lignina serão fortemente influenciadas pelas demonstrações de sua equipe.

O maior desafio neste campo será maximizar ainda mais o rendimento de produtos químicos valiosos e a taxa na qual eles podem ser produzidos. "Todos entendem que as abordagens híbridas são fundamentais para a valorização da lignina, "Singh disse.

A adoção industrial dessa tecnologia dependerá da capacidade de produzir rapidamente grandes quantidades de produtos de alto valor. "Se você só pode fazer quantidades de miligramas em um mês com um bug, isso não vai funcionar, "Singh disse." Você quer que os organismos façam quantidades de quilogramas em menos de uma hora, idealmente."