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A levedura tem sido usada há milhares de anos na produção de cerveja e vinho e para adicionar penugem e sabor ao pão. Eles são as minúsculas fábricas da natureza que podem se alimentar de açúcares encontrados em frutas, grãos e outros nutrientes – e desse cardápio produzir álcool para bebidas e dióxido de carbono para fazer o pão crescer.
Pesquisadores da Escola de Engenharia da Universidade Tufts relatam a produção de fermento modificado que pode se alimentar de uma ampla gama de materiais, muitos dos quais podem ser derivados de subprodutos agrícolas que não usamos – folhas, cascas, caules e até lascas de madeira – o que costuma ser chamado de “biomassa residual”.
Por que é importante fazer fermento que possa se alimentar dessas sobras agrícolas?
Nos últimos anos, os cientistas modificaram a levedura para produzir outros produtos úteis, como produtos farmacêuticos e biocombustíveis. É uma maneira inteligente de deixar a natureza fazer nosso trabalho de uma forma que não requer produtos químicos tóxicos para a fabricação. A tecnologia – conhecida como “biologia sintética” – ainda é jovem, mas olhando para um futuro em que a produção biossintética de levedura operaria em grande escala, precisamos alimentar a levedura com algo diferente do que nós mesmos precisamos comer.
Muito para mastigar – levedura de engenharia para crescer em açúcares de biomassa
A nova levedura produzida pela equipe da Tufts pode se alimentar de açúcares como xilose, arabinose e celobiose, que podem ser extraídos das partes lenhosas indigeríveis de culturas que muitas vezes são jogadas fora após a colheita, como talos de milho, cascas e folhas e talos de trigo. Cerca de 1,3 bilhão de toneladas dessa biomassa residual são produzidas a cada ano, fornecendo açúcares mais do que suficientes para impulsionar uma vasta indústria de biossíntese de levedura.
“Se conseguirmos que a levedura se alimente da biomassa residual, podemos criar uma indústria biossintética com baixa pegada de carbono”, disse Nikhil Nair, professor associado de Engenharia Química e Biológica da Tufts School of Engineering. “Por exemplo, quando queimamos biocombustíveis feitos de levedura, produzimos muito dióxido de carbono, mas esse dióxido de carbono é reabsorvido pelas plantações no ano seguinte, do qual a levedura se alimenta para produzir mais biocombustível e assim por diante.”
Engenharia mínima para produção máxima
Nair e sua equipe pensaram que a melhor chance de consumo eficiente de resíduos de açúcares de biomassa poderia ser modificar um “painel” genético existente que a levedura usa para regular o consumo de galactose (um açúcar comumente encontrado em produtos lácteos). O painel, chamado regulon, inclui genes para sensores que detectam a presença de açúcar e acionam enzimas para a decomposição química do açúcar, de modo que seus componentes de carbono e oxigênio possam ser reconstruídos em novos componentes. Os novos componentes são principalmente pequenas moléculas e proteínas que a própria levedura precisa para sobreviver, mas também podem ser novos produtos que os cientistas podem ter projetado na levedura.
Em um estudo anterior, os pesquisadores modificaram o regulon da galactose para que o sensor detectasse a xilose do açúcar da biomassa e acionasse as enzimas para processar a xilose em vez da galactose.
“Obter levedura para crescer em xilose foi um avanço importante”, disse Sean Sullivan, um estudante de pós-graduação do laboratório Nair que co-liderou o estudo recente, “mas a reengenharia de diferentes organismos de levedura para crescer em cada açúcar de biomassa não é a melhor abordagem.
Sullivan fez apenas mudanças mínimas no regulon já projetado para xilose, alterando a proteína do sensor para aceitar xilose, arabinose e celobiose de forma mais geral. Além de algumas mudanças menores, o novo regulon permitiu que o organismo da levedura crescesse nesses três açúcares a taxas comparáveis às leveduras cultivadas nos açúcares nativos glicose e galactose.
“Ao usar redes regulatórias nativas ligadas ao crescimento e sobrevivência celular, poderíamos adotar uma abordagem de engenharia mínima para modificar e otimizar o consumo de açúcar”, disse Vikas Trivedi, pesquisador de pós-doutorado que co-liderou o estudo. “Acontece que a levedura tem o maquinário para crescer em açúcares não nativos, desde que adaptemos sensores e regulons para reconhecer esses açúcares”.
Melhorando o back-end da produção
A remodelação da levedura para crescer em resíduos de açúcares de biomassa prepara o terreno para uma produção melhorada de produtos biossintetizados, que inclui drogas como insulina, hormônio de crescimento humano e anticorpos. A levedura também foi projetada para produzir vacinas expressando pequenos fragmentos de vírus que estimulam o sistema imunológico.
Na verdade, a levedura pode ser reprojetada para produzir compostos naturais usados para fabricar medicamentos, que de outra forma são difíceis de obter porque precisam ser extraídos de plantas raras. Estes incluem a escopolamina, usada para aliviar o enjôo e a náusea pós-operatória, a atropina, usada para tratar pacientes com doença de Parkinson, e a artemensina, usada para tratar a malária.
O etanol é um conhecido biocombustível produzido por levedura, mas os pesquisadores também projetaram o organismo para produzir outros combustíveis, como isobutanol e isopentanol, que podem fornecer mais energia por litro do que o etanol.
A levedura de bioengenharia também pode produzir blocos de construção de bioplásticos, como o ácido polilático, que pode ser usado para fabricar uma variedade de produtos, incluindo materiais de embalagem e bens de consumo, sem a necessidade de extração de fontes de petróleo.
“Enquanto a comunidade de pesquisa continua inovando a levedura para fazer novos produtos, estamos preparando o organismo para crescer eficientemente com biomassa de resíduos agrícolas, fechando um ciclo de carbono que até agora iludiu a fabricação de combustíveis, produtos farmacêuticos e plásticos”, disse Nair.
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