quinta-feira, 30 de junho de 2011

Co-fermentação - Xilose, Celubiose e Glucose


1 INTRODUÇÃO
Atualmente, uma grande maioria das transformações industriais são realizadas por um microrganismo unicelular denominado Saccharomyces cerevisae. Tais organismos são utilizados para transformação de açúcar em álcool – fermentação alcoólica – crescimento de pão, produções de cervejas, vinhos, cachaças. E por fermentar sacarídeos, encontrados em vegetais, também são utilizadas na produção de biocombustíveis. São organismos de fácil manutenção em laboratório com conhecimento biológico bem desenvolvido e utilizado como modelo no estudo da bioquímica, genética e biologia celular. E que por consequência motiva o presente trabalho, pelo fato de ser um organismo com grande potencial industrial e biotecnológico.
1.1 OBJETIVO
Estudar e revisar bibliografia recente que contenha dados e informações sobre os aspectos referentes à Saccharomyces cerevisae e suas aplicações biotecnológicas.
1.2 JUSTIFICATIVA
A justificativa do presente estudo retoma a introdução abordada, uma vez que as modernas características, do organismo citado são de grande relevância biotecnológica, industrial, energética e, pela junção dos últimos fatores citados, também de grande importância econômica. Além disso, os biocombustíveis como uma fonte de energia sustentável, irão diminuir o impacto do aumento do preço do petróleo, preocupações ambientais como poluição do ar e gases do efeito estufa, e proporcionará oportunidades para as comunidades rurais.

2 DISCUSSÃO
Dentre os microrganismos, as leveduras têm se destacado como uma excelente fonte de proteínas, não apenas pela sua capacidade de sintetizá-las e a outros compostos, mas também por suas características não patogênicas, podendo ser usadas tanto como alimento humano quanto como ração (RODRIGUES et al., 2001). Com o progresso da tecnologia de bebidas, as linhagens de levedura foram sendo selecionadas segundo características desejáveis ao processo e ao produto. A produtividade e a eficiência de fermentação, a tolerância ao etanol e à temperatura, a resistência às altas concentrações de açúcares, a habilidade de flocular e de produzir ou não certos componentes do aroma das bebidas e a propriedade de produzir metabólitos anti-contaminantes são constantes fontes de interesse. A experimentação científica com leveduras vem ganhando impulso nas últimas décadas, pois existem vários fatores a serem estudados para melhor aproveitamento das mesmas já que estas leveduras sedimentam no fundo das dornas de fermentação não metabolizando todo o açúcar fermentescível do mosto. Em decorrência deste açúcar residual são obtidos baixos rendimentos. O processo biotecnológico de produção de aguardente de cana segue ainda princípios rudimentares de fermentação que impedem não só a escolha, a seleção e o uso de linhagens adequadas de leveduras, como também impossibilita um controle de processo e de qualidade de produto pela existência de um padrão tecnológico muito incipiente (SALVATO, 2010).
Atualmente, um grande desafio mundial é a busca de alternativas ao petróleo, combustível fóssil, com reserva em declínio, altamente poluente e com preços voláteis. A busca por alternativas para os combustíveis derivados de petróleo têm aumentado a fim de reduzir a dependência mundial dos recursos não renováveis. A segurança energética e as mudanças climáticas requerem uma substituição em larga escala dos combustíveis a base de petróleo. Recentemente, o combustível renovável mais comum é o etanol derivado da cana-de-açúcar (sacarose) e milho (amido). Uma das grandes vantagens dos biocombustíveis é que eles podem ser produzidos em qualquer lugar do mundo a partir da matéria-prima local e utilizando tecnologias simples. O Brasil, por exemplo, produz etanol a partir da cana-de-açúcar e biodiesel a partir da soja e da mamona; a Malásia e a Indonésia produzem etanol a partir do óleo de palma; o Canadá utiliza o milho e o arroz e os Estados Unidos utiliza as sementes e forragens de milho. SALVATO, Flávia 2010 cita que o passo limitante do processo de fermentação é a resposta fisiológica da levedura S. cerevisiae frente à concentração de açúcares presentes no meio. Enquanto que as enzimas da via glicolítica, assim como vários outros genes, foram conservados durante a evolução de S. cerevisiae, os mecanismos que controlam a metabolização das diferentes fontes de carbono e a produção de energia, se adaptam às necessidades de cada linhagem no setor industrial na qual estão inseridas.
Para superar essa limitação e com o intuito de aperfeiçoar este importante processo industrial foi desenvolvida, uma linhagem de S. cerevisae, através do sequenciamento genético e mutação genética. Chamada CAT-1 e selecionada ao longo de quase 20 anos de pesquisa por cientistas da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) da Universidade de São Paulo (USP) em  parceria com a Fermentec, empresa de consultoria especializada em fermentação alcoólica. E Hoje é amplamente utilizada em grande escala para a produção de bilhões de litros de álcool combustível todo ano. Tal levedura foi desenvolvida para consumir simultaneamente dois açúcares encontrados nas plantas, glicose e xilose, um processo que poderia tornar a produção de biocombustível mais rápida, barata e eficiente. Hoje, a indústria do biocombustível utiliza a S. cerevisiae para transformar açúcares vegetais em bioetanol. Embora a S. cerevisiae seja adepta a utilização da glicose, ela não pode usar xilose, um dos principais componentes da lignocelulose encontrada em caules e folhas. Essas leveduras metabolizam xilose lentamente, aumentando o tempo e o custo de produção de biocombustível. (Combustíveis de celulose, 2011).
A glicose, glucose ou dextrose, um monossacarídeo, é o carboidrato mais importante na biologia. As células a usam como fonte de energia e intermediário metabólico. A glucose é um dos principais produtos da fotossíntese e inicia a respiração celular em procariontes e eucariontes. Industrialmente é obtida a partir do amido e no metabolismo, a glucose é uma das fundamentais fontes de energia. A xilose também se apresenta como um monossacarídeo, mais especificamente uma aldopentose que é obtida em níveis industriais pela hidrólise da xilana com ácidos diluídos (GLICOSE, 2011). A CAT-1 possui também, advindo da manipulação genética um transportador específico de Celobiose que resumidamente é um precursor da glicose metabolicamente falando. A Celobiose é uma parte da parede celular das plantas, e é composta por dois açúcares de glicose ligados entre si. A Celobiose é tradicionalmente convertida em glicose no exterior da célula da levedura, antes de entrar na célula através dos transportadores de glicose para a conversão em etanol. Ter um transportador Celobiose significa que a levedura pode trazer a Celobiose diretamente para dentro da célula. Esta abordagem elimina a etapa de adicionar uma enzima degradadora de Celobiose à produção de biocombustíveis. Essa abordagem também tem a vantagem de contornar a preferência da levedura por glicose. Como a glicose pode agora “entrar” na levedura em forma de Celobiose, os transportadores de glicose podem se concentrar na elaboração de xilose para a célula. (Brasil sequencia DNA..., 2008).
A fermentação usando apenas Celobiose ou xilose leva 48 horas. Mas se ocorrer a co-fermentação com Celobiose e xilose, o dobro da quantidade de açúcar é consumida na mesma quantidade de tempo, e produz mais que o dobro da quantidade de etanol. A nova cepa é, pelo menos, 20% mais eficiente na conversão de xilose em etanol do que outras cepas, o que é ótimo para a indústria de biocombustíveis, ainda mais para os governos que estimulam a produção de etanol e biocombustível (Combustíveis de celulose, 2011).
A eficiência média do processo de fermentação nas destilarias brasileiras hoje é de 88%. Com a CAT-1, o índice pode chegar de 93% a 95% e com grande capacidade de resistir às mudanças ambientais e a outros tipos de estresse. Nas palavras dos cientistas: “Para sobreviver, essa levedura desenvolve uma capacidade impressionante de promover mudanças internas que a tornaram mais resistente a condições adversas”. A manipulação do genoma dessas estirpes poderá permitir a criação de uma nova geração de organismos industrial, ideal para uso como veículos de entrega para as tecnologias de bioenergia no futuro.
3 CONCLUSÃO
Decididamente a biotecnologia é a ciência do futuro, e de fato, ciência também do presente. A utilização de bioprocessos vem se manifestando como solução para os problemas de política energética e de problemas sociais tais como os altos preços de combustíveis. Fica claro com a leitura do trabalho apresentado, que o potencial energético contido na biomassa pode ser largamente explorado através do emprego de novas tecnologias como a manipulação genética da S. cerevisae, resultante a CAT-1. O estudo desses potenciais não só gera grandes resultados para o planeta, mas também para os profissionais envolvidos. Além de tais tecnologias serem economicamente viáveis, como citado no texto acima, tais estudos poderão dar novo impulso à fabricação do biocombustível no país e por que não dizer, no planeta.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Brasil sequencia DNA de levedura que produz etanol. Disponível em: http://www.ie.ufrj.br/infosucro/ver_clipping.php?Area=2&Mes=1&Ano=2008. Acesso em 02 jun. 2011.
Combustíveis de celulose. Disponível em: http://hypescience.com/levedura-manipulada-pode-aumentar-producao-de-bioetanol/. Acesso em: 01 jun 2011.
Glicose. Dísponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Glicose. Acesso em: 13 jun. 2011.
SALVATO, Flavia. Fermentação de mosto industrial por linhagens de Saccharomyces cerevisiae com transportador de sacarose e sobreexpressão de invertase interna: estudo comparativo com linhagens com alta e baixa atividade de invertase externa - Dissertação (Mestrado) Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, Piracicaba, 2010. 
STAMBUK, B; GHARIZADEH, B; WANG, C; JALILI, R; BABRZADEH, F; SHOKRALLA, S; ROBINSON-MOSHER, A; SHAFER, B; SHERLOCK, G; DUNN, B; SCHLOGL, P; BASSO, L; LOPES, M; AMORIM, H. A seqüencia genômica de CAT-1, uma linhagen de Saccharomyces cerevisiae utilizada na eficiente produção industrial de álcool combustível no Brasil. 54º Congresso Brasileiro de Genética, 2008.
RODRIGUES; SANT'ANNA. Efeito do cloreto de sódio na produção de proteínas (Saccharomyces cerevisiae) em fermentação semi-sólida. Ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, v. 21, n. 1, jan. 2001 . Disponível em <http://www.scielo.br/scielo.
RIBEIRO; HORII. POTENCIALIDADES DE LINHAGENS DE LEVEDURA Saccharomyces cerevisiae PARA A FERMENTAÇÃO DO CALDO DE CANA. Sci. agric., Piracicaba, v. 56, n. 2, 1999. Disponível em <http://www.scielo.br/scielo>
Alunos: Bruno Tavares Scalco e Michel Smeja, Biomedicina
Orientador: Prof. André Bellin  Mariano, D.Sc.

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