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Prof. Marcelo Menossi UNICAMP

Cana-de-açúcar: do campo à biotecnologia

Laboratório de Genoma FuncionalDepartamento de Genética, Evolução e Bioagentes – IB

UNICAMP

Prof. Marcelo Menossi

UNICAMP

http://[email protected]


Importância da cana-de-açúcar no Brasil

Brasil lidera a lista dos 80 países produtores

São Paulo: 60% da produção nacional

Movimenta R$ 8 bilhões por ano

Proporciona 600 mil empregos diretos

Copyright© 2003, Copersucar União


Plantio de cana no Estado de São Paulo

Copyright© 2003, Copersucar União


Principais culturas do Brasil

Fonte: Luis Cortez, Unicamp

61Agricultura

721

CanaOutros

11Milho

150-200

22

Pastos

Soja

Area[106 ha]

Brasil: 851 106 ha

Área cultivável: 350 106 ha


Processamento da cana-de-açúcar: usinas



Processamento da cana-de-açúcar: usinas

Em amarelo: novas usinas

previstas



Demanda futura de etanol

Para 2025 são previstos 1,7 trilhões de litros de gasolina.

Um alvo de 10% disso sendo substituído por etanol seriam 205 bilhões de litros.

A produção atual é em torno de 100 bilhões.

Necessidade de duplicar a produção de etanol.

Fonte: Rogério Cerqueira Leite (CTBE)


Oportunidades

• Produtividade da cana: mais cana por área cultivada

• Aproveitamento da cana:

1/3 da energia da cana é açúcar (fermentação -> etanol)1/3 está no bagaço da cana1/3 está na palha

• Tecnologias para minimizar impactos ambientais do plantio e processamento

• Etc...

(queima para geração eletricidadehidrólise, para geração de açúcar)


Custo da cana – tecnologia atual (não enzimática)

R$/m3 (%)

Cana 390 68.5Indústria 133 23.3Gerenciamento 47 8.2Total 570 100.0

Fonte: Luis Cortez (Unicamp)


Influência da seca no cultivo da canaAmazon RainforestPantanalAtlantic Forest

Other importantpreservation areas Above 12% slope

area

HighAverageLow (World average)Inapropriate

Sem irrigação Com irrigação

Fonte: Luis Cortez (Unicamp)


Uso de fertilizantes


Organização da comunidade científica

Projeto SUCEST: o princípio dos estudos de grande porte


Projeto SUCEST

43,143 possíveis genes em cana

Quais deles deixarãoa cana mais feliz ?

Longo caminho, mais caro e arriscado.


www.prospects.co.uk

Fisiologia

Transcritoma Metaboloma

Biotecnologia

Visão geral das estratégias

Proteoma

Genoma


Análise expressão de centenas de genes

Fonte: Nogueira et al. Plant Physiology 132:1811–1824 (2003)


Projeto SUCEST-FUN (http://sucest-fun.org)


Genômica genética (genetical genomics)


Análise expressão gênica em larga escala

Central de Álcool Lucélia

Fundação de Amparo àPesquisa do Estado de

São Paulo

Projeto Transcriptoma da cana-de-acúcar, coordenado pela Profa. Glaucia Souza


Atividade gênica em diferentes partes da cana

Papini-Terzi et al. (2005). DNA Research 12:27-38.


Genes associados com acúmulo de sacarose

Expressão em folhas de cana-de-açúcar aos 9 meses após plantio

Felix et al. (2009) Tropical Plant Biology 2:1935-9756


Genes com potencial para aumento de sacarose

Mais em internó 9

Mais em In1 e In5

Mais em In5

Cada linha representa um geneVerde: gene mais ativo em plantas com baixo teor de açúcarVermelho: gene mais ativo em plantas com alto teor de açúcar

Níveis de sacarose


Expressão gênica: ampliando escopo• Hormônios: Metil jasmonato (insetos, etc), ABA (seca)• Ataque de lagarta• Deficiência de fosfato• Interação com duas bactérias fixadoras de nitrogênio• Seca

Rocha et al., (2007) BMC Genomics 8:71


Efeito de altas concentrações de gás carbônico

360 ppm CO2 720 ppm CO2


Efeito de altas concentrações de gás carbônico


Consórcio para fisiologia, ômicas e biotecnologia

Laurício Endres (UFAL)

Monalisa Sampaio Carneiro (UFSCAR)

Rejane J.M.C. Mansur (UFRPE)

Tercílio Calsa Jr. (UFPE)

Glaucia Mendes Souza (IQ-USP)

Marcelo Menossi (Coordenador, IB-UNICAMP)

UFRPE


Consórcio para fisiologia, ômicas e biotecnologiaTrês variedades toleranteTrês variedades sensíveis

Experimentos de campoem SP (2), PE e Al

• fisiologia• transcritoma• microtranscritoma• proteoma• biotecnologia


Novo chip de cana com 14.522 genes

4x44k Chip image

LogRatio vs Log Processed Signal

Array 1 (Experiment 1)

Fonte: Glaucia Souza (USP)


Novo chip de miRNA de cana

No banco de dados miRBase só existem 16 miRNAs de cana-de-açúcar.

114 candidatos encontrados.


• 1117 sequências únicas de plantas (versão 14.0 do miRBase)• Mais de 150 miRNA sondas hidridadas por chip• 14 famílias foram identificadas como relacionadas ao estresse hídrico após

análise estatística.

Análise global de miRNA de cana


www.prospects.co.uk

Fisiologia

Transcritoma Metaboloma

Biotecnologia

Visão geral das estratégias

Proteoma

Genoma


Biotecnologia: busca de promotores

Fonte: Helaine Carrer (Esalq/USP) e Glaucia Souza (USP)


Parcerias com empresas

Avaliação de genes de cana em arroz


Produção de plantas transgênicas

Experimentos em andamento e em sigilo

Cana(Helaine Carrer,Esalq/USP)

Tabaco


Produção de plantas transgênicas

Zhang et al. (2008). Plant Mol Biol 68:131-143.


Programa FAPESP de Pesquisa em Bioenergia (Bioen)

Coordenadora: Glaucia M. Souza (USP)

Pesquisa sobre biomassa, com foco no melhoramento da cana-de-açúcar

Processo de fabricação de biocombustíveis

Aplicações do etanol para motores automotivos

Estudos sobre biorrefinarias e alcoolquímica

Impactos sociais e ambientais do uso de biocombustíveis

A chamada de projetos prevê investimentos de cerca de R$ 38 milhões, divididos entre a FAPESP (R$ 19 milhões) e o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) – R$ 10,2 milhões em bolsas e R$ 8,8 milhões do Programa de Apoio aos Núcleos de Excelência, o Pronex.

Fonte: Revista Fapesp. Vias para avançar como líder do etanol. Edição 149, Julho 2008


INCT Bioetanol

Coordenador: Marcos Buckeridge (USP)

Congrega 29 laboratórios em 6 estados brasileiros e o Distrito Federal

Áreas de atuação:

1) Fisiologia Vegetal e Biologia Celular;

2) Expressão gênica e transformação de cana;

3) Melhoramento da cana;

4) Prospecção de fungos e desenvolvimento de enzimas;

5) Caracterização enzimática e engenharia de processos.


Centro de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE)

Pertence ao MCT e está localizado em Campinas

Focos:

•Planta Piloto para Desenvolvimento de Processos (PPDP)

•Mecanização de baixo impacto para o plantio direto de cana-de-açúcar

•Sustentabilidade

•Ciência básica

•Biorrefinaria Virtual


O Estado de São Paulo vai investir cerca de 100 milhões nas trêsuniversidades (USP, UNESP e UNICAMP) especificamente para a montagem de centros de bioenergia.

Centro de Pesquisa em Bioenergia no Estado de São Paulo


Produção científica e patenteamento

Há ampla margem para aumentar a relação entre artigos e patentes


• Inovações dependerão de uma miríade cada vez maior de tecnologias protegidas• Maior complexidade na negociação para uso e licenciamento

Fonte: Gurumustuk Singh

Pensando como empresa


arroz normal arroz dourado

Incorporação de três genes aumentou o teor de pró-vitamina APatente concedida, mas quem licenciar a patente poderá vender o produto?

Case: arroz dourado


A combinação dos três genes é uma novidade, mas o uso individualizado de cada DNA estáprotegido

Arroz dourado: 72 patentes, 40 organizações (Kryder et al., 2000).

Case: arroz dourado


Product clearance

Freedom to operate

Como proceder ?


Quais ingredientes, processos e combinações serão usadas para obter o produto?

Genes, promotores, marcadores seletivos, metodologias de transformação...

queimandonavios.zip.net

Product clearance


www.medicalpatent.se/

Habilidade de realizar pesquisa ou desenvolvimento de produto comercial a partir de produto ou processo patenteado com o mínimo risco de infringir patentes não licenciadas ou propriedade tangível de terceiros

Material transfer agreements (termos de transferência de material): podem travar a aplicação do conhecimento

Liberdade de operação


Novo vetor de DNA para transformação de cana


Considerações finais

Temos à disposição um enorme conjunto de dados para melhoramento da cana

A enorme organização da comunidade científica que trabalha com bioetanol é um fato

Há ciência de alto nível na área de bioetanol

Existem recursos abundantes para projetos ambiciosos

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