Um fungo converte celulose diretamente em uma nova plataforma química
Crédito:ACS Química e Engenharia Sustentável (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c04664 O fungo Talaromyces verruculosus pode produzir o ácido eritro-isocítrico químico diretamente a partir de resíduos vegetais baratos, tornando-o interessante para utilização industrial.
Utilizando as capacidades naturais do fungo não geneticamente modificado, uma equipa de investigação de Jena descobriu um método para a conversão eficiente de celulose numa forma de ácido isocítrico. O novo método de produção poderia simplificar significativamente o processo anteriormente complexo e de vários estágios para a obtenção de produtos químicos de plataforma a partir da celulose, exigindo apenas um único bioprocesso.
Graças ao novo método económico, a molécula irmã do ácido cítrico, raramente utilizada, de uso intensivo, pode beneficiar uma economia circular sustentável – desde que haja mercado para ela.
O estudo foi publicado por uma equipe de pesquisa do Instituto Leibniz de Pesquisa de Produtos Naturais e Biologia de Infecções – Instituto Hans Knöll (Leibniz-HKI) na revista ACS Sustainable Chemistry &Engineering. .
Como produtos metabólicos naturais da maioria dos organismos vivos, o ácido cítrico e o ácido isocítrico estão entre os ácidos mais difundidos na natureza. O ácido cítrico é produzido industrialmente em grandes quantidades usando o fungo Aspergillus niger. Com uma produção anual de cerca de 2,8 milhões de toneladas em todo o mundo, é um dos produtos biotecnológicos de maior volume de todos.
Sua gama de aplicações é enorme:seja como agente descalcificante, conservante, produto de cuidado ou intensificador de sabor – o versátil produto químico natural é um aditivo importante e também barato na indústria, pois a produção biotecnológica é extremamente eficiente e descomplicada.
A produção de bioplásticos e biocombustíveis a partir do ácido cítrico também é tecnicamente possível. No entanto, como o ácido cítrico é produzido a partir do açúcar e, portanto, está em concorrência directa com a produção alimentar, estes campos de aplicação não têm sido até agora nem económicos nem sustentáveis. Na verdade, a produção de ácido cítrico consome atualmente mais de 1% da produção mundial de açúcar.
O ácido isocítrico é muito semelhante ao ácido cítrico, apenas um grupo hidroxila está posicionado em um átomo de carbono diferente. Isto torna a molécula assimétrica e existem duas variantes diferentes, conhecidas como diastereómeros, que são referidos como ácido treo e eritro-isocítrico. Cada diastereômero possui duas variantes de imagem espelhada, as formas D e L.
O ácido cítrico e o ácido isocítrico têm propriedades quase idênticas e pode-se presumir que a forma iso seria igualmente amplamente aplicável. A razão pela qual este não é o caso é que ainda não existe um processo de produção eficiente para o ácido isocítrico puro, pelo que este só está actualmente disponível como produto químico de investigação.
Um quilograma da substância custa neste momento cerca de 18 mil euros. No entanto, o novo processo de produção permite uma produção sustentável e barata a partir de resíduos vegetais e resíduos como palha, resíduos de papel ou resíduos de madeira, o que poderá tornar possível a produção de ácido isocítrico ainda mais barato do que o ácido cítrico no futuro.
Até agora, era necessário um processo complexo de três fases para utilizar tais materiais de fontes renováveis. Foram necessárias enzimas caras para primeiro decompor enzimaticamente a celulose em açúcar, para que pudesse finalmente ser utilizada pelos microrganismos.
Talaromyces verruculosus em placa de Petri Crédito:Ivan Schlembach
Um fungo – um processo
Uma abordagem promissora é o chamado bioprocessamento consolidado (CBP), no qual várias etapas do processo são combinadas em uma única, utilizando microrganismos adequados. A estrela do novo procedimento biotecnológico é o fungo Talaromyces verruculosus.
Em testes de triagem, o primeiro autor Ivan Schlembach descobriu que o tipo selvagem de T. verruculosus isolado da natureza pode converter a lignocelulose diretamente em ácido eritro-isocítrico, em massa e de forma muito eficiente, em um único processo no qual o próprio fungo produz todas as enzimas necessárias para esse.
Em experimentos, os pesquisadores determinaram as condições ideais para a degradação da celulose e a produção de ácido isocítrico, incluindo fatores como teor de nitrogênio, valor de pH, temperatura e concentração de nutrientes. Eles também desenvolveram novos métodos para medir com precisão a atividade da enzima celulase, crucial para a degradação da celulose, durante o processo de fermentação. Isto permite um controle ideal do processo de produção.
Miriam Rosenbaum dirige a Bio Pilot Plant da Leibniz-HKI e é professora de Biotecnologia Sintética na Friedrich Schiller University Jena. Ela explica:“T. verruculosus tem a capacidade única de converter lignocelulose diretamente em ácido eritro-isocítrico com notável eficiência.
“Ele faz isso a uma taxa comparável à conversão da glicose, que é usada em laboratório como matéria-prima para o processo de fermentação. Com o fungo, desenvolvemos um processo mais simples e barato”.
Produto busca mercado
O ácido isocítrico pode ser facilmente convertido quimicamente em ácido itacônico, para o qual já existe uma grande demanda para a produção de plásticos e revestimentos sustentáveis. Se o ácido eritro-isocítrico estiver prontamente disponível, não deverá haver falta de clientes.
Contudo, existe o mesmo obstáculo que qualquer nova substância:como o ácido eritro-isocítrico não está disponível em grandes quantidades até à data, o mercado para o mesmo deve primeiro ser estabelecido.
O processo significativamente mais barato que foi agora desenvolvido abre novas possibilidades e aplicações.
Outra característica especial é o fato de que no processo apenas se forma ácido eritro-isocítrico e não uma mistura de diferentes diastereômeros. Isto torna a molécula particularmente interessante para aplicações especiais, por exemplo na indústria farmacêutica.
No caso de medicamentos, muitas vezes apenas um diastereómero é eficaz, pelo que tem de ser laboriosamente isolado da mistura de ambas as variantes. O ácido eritro-isocítrico pode servir como um valioso bloco de construção quiral para sínteses químicas.
As propriedades biológicas específicas do ácido eritro-isocítrico foram pouco estudadas até o momento. No entanto, muitas propriedades úteis foram demonstradas para a molécula irmã do ácido treo-isocítrico.
Este último pode ser uma adição valiosa ao ácido cítrico, particularmente nas indústrias médica, farmacêutica, cosmética ou alimentar, por exemplo, como agente quelante, como anticoagulante em amostras de sangue, como suplemento alimentar funcional, como ingrediente em cosméticos, como conservante ou como composto antienvelhecimento em produtos de estilo de vida.
As descobertas sublinham que organismos como o T. verruculosus podem permitir a utilização sustentável de resíduos biológicos e tornar economicamente viável a produção de produtos químicos valiosos a partir de biomassa renovável.
"A natureza tem um enorme potencial para enfrentar os desafios globais de sustentabilidade. O fungo T. verruculosus estabelece as bases para uma tecnologia verde de baixo custo, e há também muitos usos industriais para o ácido isocítrico. A única coisa que falta neste momento é a abertura do mercado para o novo processo", enfatiza Ivan Schlembach.
A equipe de pesquisa está agora trabalhando para otimizar ainda mais o processo e elucidar as reações bioquímicas envolvidas na formação do ácido isocítrico. Ao refinar os parâmetros bioquímicos, os investigadores de Jena esperam contribuir para a transição para uma bioeconomia sustentável e eficiente em termos de recursos.
No futuro, pretendem trabalhar com parceiros industriais interessados para descobrir se o procedimento, agora patenteado, também pode ser válido no mercado.
