Pesquisadores do Laboratório de Fisiologia Ecológica de Plantas (Lafieco), localizado na Universidade de São Paulo (USP), descobriram uma enzima nas raízes da cana-de-açúcar que atua como um catalisador para a degradação do bagaço, potencializando o rendimento da planta: a ASD (α-L-arabinofuranosidase).
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Pesquisas recentes revelaram que experimentos em laboratório possibilitaram um aumento de até seis vezes na liberação de açúcar a partir dos resíduos da cana, um avanço crucial para acelerar a produção de etanol de segunda geração.
Uma das principais dificuldades para maximizar o uso da cana-de-açúcar é a resistência do material lignocelulósico que forma seu “esqueleto”. Devido a essa limitação, há anos uma empresa dinamarquesa monopoliza um coquetel enzimático capaz de quebrar essa barreira, enquanto cientistas ao redor do mundo buscam alternativas viáveis.
A pesquisa desenvolvida pelo Lafieco ao longo de 17 anos fez parte do Instituto de Biociências da USP. Os cientistas mapearam o crescimento dos aerênquimas – estruturas porosas nas raízes – e identificaram um conjunto de enzimas que a própria cana utiliza para remodelar suas fibras. A partir daí, conseguiram isolar a ASD e incorporá-la em coquetéis enzimáticos comerciais que facilitam a degradação da lignocelulose e aumentam a sacarificação.
Descoberta revolucionária
Marcos Silveira Buckeridge, líder do Lafieco e coautor do artigo publicado no Journal of Experimental Botany, destaca que os coquetéis enzimáticos atuais são majoritariamente derivados de microrganismos, principalmente fungos. Esta é a primeira vez que se identifica uma molécula com tais propriedades oriunda de uma planta. “E não é uma planta qualquer; é da própria cana-de-açúcar”, enfatiza Buckeridge.
Para chegar a essa descoberta, foi necessário primeiro entender a química e a estrutura celular da cana, analisando como se organiza sua celulose. “Vários alunos do Lafieco participaram dessa pesquisa ao longo dos 17 anos, passando adiante o conhecimento”, recorda o biólogo, cujo grupo publicou os primeiros dados estruturais sobre esse tema em 2013.
Os pesquisadores já sabiam que o desenvolvimento dos aerênquimas nas raízes envolvia um processo natural de separação celular. Embora essas estruturas geralmente surjam em condições de baixa oxigenação (hipóxia), na cana elas se formam independentemente desse fator.
Durante o crescimento dos aerênquimas, a planta altera e destrói as paredes celulares das raízes, criando espaços para circulação de ar. Esse processo envolve tanto a separação celular quanto a quebra de açúcares complexos – duas etapas essenciais para otimizar o uso do bagaço na produção de etanol.
“O aerênquima se forma progressivamente nas raízes da cana; ele é menos frequente na ponta e aumenta conforme subimos”, explica Bruno Viana Navarro, pós-doutorando do Lafieco e principal autor do estudo. A equipe buscava identificar quais “ferramentas microscópicas” (enzimas) eram ativadas pela planta durante esse processo de remodelação das raízes.
Navarro detalha como foi conduzido o experimento: “Plantamos colmos de uma variedade bem estudada de cana [SP80-3280] e, após três meses, coletamos raízes novas divididas em quatro segmentos de 1 cm cada. Cada segmento apresentava diferentes proporções na formação dos aerênquimas”.
O foco da equipe estava nas enzimas que atuam como “tesouras químicas”, rompendo as fibras das paredes celulares e liberando açúcares. Uma doutoranda sob supervisão de Buckeridge, Eveline Tavares, foi responsável por identificar uma molécula essencial nesse processo: a ASD.
Em seguida, Adriana Grandis explicou com mais profundidade a importância dessa enzima na formação dos aerênquimas. Navarro resume: “A ASD tem um papel muito específico no rearranjo das paredes celulares, quebrando as ligações entre alguns dos componentes estruturais mais abundantes na cana”.
Reconhecendo o potencial da ASD, o grupo liderado pela pós-doutoranda Débora Pagliuso conseguiu produzir essa enzima em laboratório utilizando leveduras para testes práticos. “Adicionamos a ASD ao coquetel comercial e testamos no bagaço da cana-de-açúcar. Essa simples adição resultou em um aumento de até seis vezes na produção do açúcar que posteriormente é convertido em etanol”, salienta Navarro.
Futuro promissor
Conforme ressalta Navarro, esta pesquisa abre um vasto leque molecular. A equipe já catalogou aproximadamente 530 sequências genéticas e categorias de enzimas presentes na cana-de-açúcar. Isso indica que existem muitas outras “ferramentas” biológicas ainda por serem exploradas.
“Identificamos também uma segunda enzima muito promissora que atua na degradação das pectinas. Essa enzima ataca as lamelas médias: os elementos que conectam as células. Quando essas estruturas são destruídas, as células tornam-se mais soltas, facilitando assim o processo conhecido como ‘cana papaia’. Isso torna muito mais fácil degradar essa estrutura e extrair açúcares relevantes para a produção tanto do etanol convencional quanto do etanol avançado”, explica Navarro.
Buckeridge acredita que os resultados alcançados reforçam a ideia de que enzimas originárias da própria planta são mais eficazes na decomposição da estrutura da cana comparadas às provenientes de microrganismos. “É possível que essas enzimas vegetais apresentem características únicas que não estão presentes nas enzimas microbianas e possam ser fundamentais para otimizar a conversão dos resíduos em produtos valiosos. Pode ser que tenhamos encontrado algo extraordinário; no entanto, até agora utilizamos apenas uma pequena fração desse potencial.”
Um dos objetivos futuros mais ambiciosos da equipe é desenvolver um coquetel enzimático totalmente vegetal e personalizado. “Ao analisar detalhadamente a composição bioquímica da biomassa da cana-de-açúcar, podemos criar um coquetel enzimático ideal para sua hidrólise, aumentando assim os rendimentos na produção de etanol. Nossa esperança é alcançar isso algum dia”, conclui Navarro.
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