O Laboratório de Fisiologia Ecológica de Plantas (Lafieco) da Universidade de São Paulo (USP) descobriu uma enzima na raiz da cana-de-açúcar que serve como uma chave para quebrar o bagaço e alavancar o rendimento da planta: a molécula ASD (α-L-arabinofuranosidase).
Estudos divulgados nesta última semana revelam que o uso em laboratório aumentou a liberação de açúcar pelos resíduos da cana em até seis vezes, um passo essencial para acelerar a produção de etanol de segunda geração.
Uma das maiores barreiras para o aproveitamento pleno da cana sempre foi a rigidez no material que compõe o “esqueleto” da planta, a lignocelulose. Por conta dessa dificuldade, há anos, uma empresa dinamarquesa detém o monopólio de um coquetel enzimático capaz de quebrar essa barreira, e cientistas do mundo todo investigam alternativas.
A descoberta brasileira vem de uma pesquisa de 17 anos do Lafieco, que faz parte do Instituto de Biociências da USP. Ao mapear o desenvolvimento dos aerênquimas – estruturas porosas presentes nas raízes –, os pesquisadores identificaram um conjunto de enzimas usadas pela própria planta para remodelar suas fibras. Depois, conseguiram isolar a ASD e aplicá-la em coquetéis enzimáticos comerciais, que são capazes de quebrar a lignocelulose e aumentar a sacarificação.
Descoberta revolucionária
Marcos Silveira Buckeridge, coordenador do Lafieco e coautor do trabalho publicado no Journal of Experimental Botany, explica que os coquetéis enzimáticos já existentes são originados de microrganismos – em sua maioria, fungos. É a primeira vez que cientistas apontam uma molécula de origem vegetal com tal atributo. “E não é qualquer origem vegetal, é da própria cana-de-açúcar”, ressalta o pesquisador.
Para chegar a esse ponto, a equipe precisou primeiro mapear a química e a estrutura da parede celular da cana, entendendo como a celulose se organiza. “Vários alunos do Lafieco fizeram parte da investigação durante esses 17 anos, passando o bastão uns para os outros”, relembra o biólogo, cujo grupo publicou os primeiros dados estruturais sobre isso em 2013.
O grupo já sabia que a formação dos aerênquimas nas raízes da cana envolvia um processo natural de separação de células. O aparecimento dessas estruturas costuma estar ligado à falta de oxigênio (hipóxia), mas na cana elas se formam de maneira independente.
Durante o desenvolvimento do aerênquima, a própria planta modifica e quebra as paredes de suas raízes, criando túneis de ar. Esse processo inclui a separação celular e a quebra de açúcares complexos – duas ações essenciais para facilitar o aproveitamento do bagaço na produção de etanol.
“O aerênquima aparece progressivamente na raiz da cana. Na pontinha há menos, e sua formação vai ficando mais frequente para cima”, explica Bruno Viana Navarro, pós-doutorando do Lafieco e primeiro autor do artigo. A equipe queria observar quais “ferramentas microscópicas” (enzimas) a planta ativava ao longo desse processo de remodelação de suas raízes.
Ele descreve o experimento: “Nós plantamos colmos de uma cultivar bem estudada de cana-de-açúcar [SP80-3280] e, após três meses, coletamos raízes de perfilhos (brotos novos), que foram divididas em quatro segmentos de 1 cm cada. Assim, cada pedaço apresentava uma proporção diferente de formação de aerênquima”.
A equipe focou nas enzimas com a função de agir como “tesouras químicas”, cortando as fibras da parede da célula e liberando os açúcares. Uma das doutorandas de Buckeridge, Eveline Tavares, encontrou uma molécula-chave nesse processo: a enzima ASD (α-L-arabinofuranosidase).
Posteriormente, a doutoranda Adriana Grandis detalhou sua importância na formação do aerênquima. Navarro resume a função da ASD: “Ela atua de forma muito específica no rearranjo da parede celular, quebrando as ligações de um dos materiais estruturais mais presentes na cana”.
Percebendo o potencial da ASD, o grupo – tendo à frente a pós-doutoranda Débora Pagliuso – produziu essa enzima em laboratório usando leveduras, com o objetivo de testá-la na prática. “Inserimos a ASD no coquetel comercial e testamos no bagaço da cana-de-açúcar. Só essa adição aumentou em até seis vezes a produção do açúcar que, mais tarde, é convertido em etanol”, ressalta Navarro.
Futuro promissor
Segundo o pesquisador, o estudo revela um cardápio molecular imenso. A equipe já identificou cerca de 530 sequências genéticas e classes de enzimas na cana. Isso significa que há dezenas de outras “ferramentas” biológicas aguardando para serem testadas.
“Encontramos uma segunda enzima também muito promissora, cuja função é quebrar as pectinas. Ela ataca a lamela média: os cimentos entre as células. Quando essas estruturas são quebradas, as células começam a ficar soltas, e aí é que acontece a tal ‘cana papaia’. Fica bem mais fácil degradar a estrutura e obter os açúcares, o que impacta a produção de etanol de primeira e segunda geração”, diz Navarro.
Para Buckeridge, o sucesso do estudo reforça a tese de que enzimas “da casa” (da própria planta) conseguem decodificar e quebrar a estrutura da cana melhor do que os microrganismos. “É possível que essas enzimas de plantas que estamos ofertando no artigo tenham características que as enzimas de microrganismos não têm e que podem ser a chave para a alta eficiência da conversão de resíduos em produtos mais nobres. Pode ser que tenhamos descoberto um barril de ouro, mas até agora usamos uma moeda só.”
Um dos objetivos futuros mais ambiciosos do grupo é conseguir produzir um coquetel 100% vegetal customizado. “Analisando a composição bioquímica da biomassa da cana, é possível criar o coquetel enzimático mais adequado à sua hidrólise, o que aumentaria o rendimento da produção de etanol. Esperamos chegar a isso um dia”, afirma Navarro.
Sob supervisão de Hildeberto Jr.
