Uma equipe de cientistas da Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveu um bioprocesso usando levedura modificada que converteu matéria vegetal de forma completa e eficiente que consiste em acetato e xilose em bioprodutos de alto valor.

Lignocelulose, o material lenhoso que dá estrutura às células vegetais, é a matéria-prima mais abundante do planeta e há muito tempo é considerada uma fonte de energia renovável. Ele contém principalmente acetato e os açúcares glicose e xilose, todos os quais são liberados durante a decomposição.

Em um artigo publicado em Nature Communications , a equipe descreveu seu trabalho, que oferece um método viável para superar um dos principais obstáculos que impedem a comercialização de biocombustíveis lignocelulósicos - a toxicidade do acetato para micróbios em fermentação, como o fermento.

“Esta é a primeira abordagem para demonstrar a utilização eficiente e completa de xilose e acetato para a produção de biocombustível, "disse o professor de ciência alimentar e nutrição humana Yong-Su Jin. Afiliado do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica, Jin liderou a pesquisa com o então estudante graduado Liang Sun, o primeiro autor do artigo.

Sua metodologia utilizou totalmente a xilose e o acetato das paredes celulares do switchgrass, transformar o acetato de um subproduto indesejado em um substrato valioso que aumentou a eficiência da levedura na conversão dos açúcares nos hidrossolatos.

"Descobrimos que podemos usar o que é considerado tóxico, substância inútil como fonte de carbono suplementar com xilose para produzir economicamente produtos químicos finos ", como ácido triacético lactona, ou TAL, e vitamina A, que são derivados da mesma molécula precursora, acetil coenzima A, Jin disse.

TAL é um produto químico de plataforma versátil obtido atualmente pelo refino de petróleo e é usado para produzir plásticos e ingredientes alimentícios, disse o sol, atualmente é um estudante de pós-doutorado na Universidade de Wisconsin, Madison.

Em trabalhos anteriores, coautor Soo Rin Kim, em seguida, um membro do Instituto de Biociências de Energia, projetou uma cepa da levedura Saccharomyces cerevisiae para consumir xilose de forma rápida e eficiente. Kim é atualmente membro do corpo docente da Kyungpook National University, Coreia do Sul.

No estudo atual, eles usaram switchgrass colhido na U. of I. Energy Farm para criar hidrolisados ​​de hemicelulose. As células de levedura projetadas foram usadas para fermentar a glicose, xilose e acetato nos hidrosalatos.

Quando glicose e acetato foram fornecidos juntos, S. cerevisiae rapidamente converteu a glicose em etanol, diminuindo o nível de pH da cultura de células. Contudo, o consumo de acetato foi fortemente inibido, fazendo com que a cultura se torne tóxica para as células de levedura em condições de baixo pH.

Quando a xilose foi fornecida com acetato, "essas duas fontes de carbono formaram sinergias que promoveram o metabolismo eficiente de ambos os compostos, "Disse Sun." A xilose apoiou o crescimento celular e forneceu energia suficiente para a assimilação do acetato. Portanto, a levedura poderia metabolizar o acetato como substrato de maneira muito eficiente para produzir uma grande quantidade de TAL. "

Ao mesmo tempo, o nível de pH da mídia aumentou conforme o acetato foi metabolizado, que por sua vez promoveu o consumo da xilose pela levedura, Sun disse.

Quando eles analisaram a expressão do gene de S. cerevisiae por sequenciamento de RNA, eles descobriram que os principais genes envolvidos na captação e metabolismo do acetato foram dramaticamente regulados positivamente pela xilose em comparação com a glicose, Sun disse.

As células de levedura que foram alimentadas com acetato e xilose acumularam maior biomassa, junto com aumentos de 48% e 45% em seus níveis de lipídios e ergosterol, respectivamente. O ergosterol é um hormônio fúngico que desempenha um papel importante na adaptação ao estresse durante a fermentação.

A co-utilização de acetato e xilose também aumentou o suprimento de acetil-CoA da levedura, uma molécula precursora de ergosterol e lipídios, e forneceu um atalho metabólico - convertendo o acetato em acetil-CoA, trazendo a produção TAL um passo mais perto, Sun disse.

"Ao co-utilizar xilose e acetato como fontes de carbono, fomos capazes de melhorar a produção de TAL dramaticamente - produção 14 vezes maior do que a relatada anteriormente usando S. cerevisiae projetada, "Disse Sun." Empregamos essa estratégia para a produção de vitamina A também, demonstrando seu potencial de superprodução de outros bioprodutos de alto valor derivados de acetil-CoA, como esteróides e flavonóides. "

Como o processo usou exaustivamente as fontes de carbono na biomassa lignocelulósica, Jin e Sun disseram que ele pode ser perfeitamente integrado às biorrefinarias celulósicas.

"É sobre a sustentabilidade da nossa sociedade, "Disse Sun." Precisamos utilizar totalmente esses recursos inexplorados para construir um futuro sustentável. Esperamos que em 50 ou 100 anos, dependeremos principalmente dessas matérias-primas renováveis ​​e abundantes para produzir a energia e os materiais de que precisamos para nossa vida diária. Esse é o nosso objetivo. Mas para agora, estamos apenas fazendo pequenas coisas para garantir que isso aconteça gradualmente. "