programa de pós-graduação em genética e melhoramento de … · telefone: (0xx19) 3429-4250 /...
TRANSCRIPT
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil
Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
Aluno: Bruno Marco de LimaOrientador: Luis Eduardo Aranha Camargo
Introdução
Relembrando, o que é um combustível?
É tudo que é passível de entrar em combustão, liberando
energia
Introdução
O uso dos combustíveis em máquinas
Máquina à vapor:-Queima de combustível � Calor- Aquecimento da água � Vapor- Energia cinética
Motor de combustão interna-Queima de combustível � Explosão- Energia cinética
Introdução
“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma” - Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794)
Combustível + → CO2 + H2O + EnergiaC6H12O6 + 6 → 6 CO2 + 6 H2O + Energia
Planta armazena a glicose de em moléculas mais estáveis :- Dímeros (sacarose, maltose)- Polímeros (amido, lignina, hemiceluloses, celulose, pectina)
A Celulose
Por que utilizar a celulose?
� Componente de paredes
Polímero mais abundante da superfície terrestre
� Componente de paredescelulares das plantas
� Formado por estruturas decarbono, assim como oscombustíveis utilizados
Nelson & Cox. Lehninger’s Principles of Biochemistry, 4 ed. 2004.
A Celulose
Do que é formada a celulose???
� Origem química baseada na glicose
� Na ligação entre moléculas de glicose há perda de água (C6H10O5 � anidroglicose)
Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
Celulose = (C6H10O5)n
A Celulose
Problema: como utilizar a energia acumulada na celulose?
Características químico-físicas da celulose (em temperatura ambiente):
- Insolúvel em água- Insolúvel em solventes orgânicos neutros- Insolúvel em ácidos- Insolúvel em hidróxidos diluídos
“Cellulose has a high tensile strength,equivalent to that of steelsteelsteelsteel.... Cellulose is
- Insolúvel em hidróxidos diluídosequivalent to that of steelsteelsteelsteel.... Cellulose isalso insolubleinsolubleinsolubleinsoluble, chemicallychemicallychemicallychemically stablestablestablestable, andrelatively immuneimmuneimmuneimmune totototo chemicalchemicalchemicalchemical andandandandenzymaticenzymaticenzymaticenzymatic attackattackattackattack. These properties makecellulose an excellent structural materialfor building a strong cell wall.”
Taiz & Zeiger
Após hidrólise:
- Recupera-se até 96% da quantidade teórica de glicose- Subprodutos: Celobiose (C12H22O11)e Celotriose (C18H32O16)
Taiz & Zeiger. Plant Physiology, 3 ed. 2002.
Biocombustíveis
Como extrair a energia armazenada nas plantas?
� Simples queima;
�Processos complexos de bioconversão (termoquímicos e/ou enzimáticos)
Devem se adaptar a existente tecnologia de combustíveis,a base de petróleo (transportes)a base de petróleo (transportes)
Biocombustíveis
O que pode ser considerado um biocombustível?
- Plantas oleaginosas (soja, mamona, amendoim)- Plantas extrativas (cana-de-açúcar, milho)
- Lixo orgânico- Resíduos culturais (palhas, bagaços)
É considerado um biocombustível qualquer combustível oriundo de material biológico, de origem não-fóssil
- Resíduos culturais (palhas, bagaços)- Celulose (todas as plantas)
Combustíveis fósseis(petróleo e derivados,
carvão mineral, gás natural)
Biocombustíveis
Os biocombustíveis podem ser usadostanto isoladamente, comoadicionados aos combustíveisconvencionais.
� Etanol (cana-de-açúcar, milho)
� Biodiesel (plantas oleaginosas)
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
� Biogás (biomassa)
Preparo daPreparo daMatéria-Prima(p.e. esmagamento)
TransesterificaçãoKOH ou NaOH
Separaçãodas fases
Álcool
Biocombustíveis
das fases
Glicerina +Álcool Ésteres + Álcool
BiodieselGlicerina
Produçãodo
Biodiesel 9% 86%
Adaptado de SEBRAE. Biodiesel, 2008.
Produçãodo
Etanol
Biocombustíveis
Cana-de-açúcar
Extração do caldo
Fermentação
Bagaço
Leveduras
EtanolRetirada das
leveduras
Destilação
EtanolVinhaça
Biocombustíveis
Produçãodo
Etanol Celulósico
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Etanol Celulósico
Etapas de produção
Pré-tratamento Termoquímico:-Torna os polímeros de celulose maisacessíveis às enzimas e há liberaçãodas hemiceluloses
Hidrólise da celulose:
Há algumas pesquisas em andamento que já combinam em um passo a hidrólise e fermentação (SSF)
Fermentação:-Bactérias os Leveduras
Hidrólise da celulose:-Celulases � produção de açúcaressimples
Degradação da biomassa e produção do etanol
- Atuais tratamentos são dependentes de ácidos e aquecimento
- Dificuldade em encontrar enzimas estáveis nessas condições
Problemas enfrentados pelo Etanol Celulósico
Pode ser utilizada a mesma infra-estrutura para a produção do etanol atualmente, porém...
Problema do uso de enzimas para degradação:
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
estáveis nessas condições
- Poucos organismos candidatos (dificuldade de cultivo in vitro)
Otimização é essencial, diante do alto custo da sacarificação, já que as celulases
são o maior impedimento para o uso desse tipo de biocombustível
Problema: grande diversidade de açucares produzidos
Ex. hexoses são fermentáveis pela S.
cerevisiae, porém pentoses não são...
Produção de Matéria-PrimaProdução de
Matéria-Prima
Etanol Celulósico
Organismos fermentadores
Organismos fermentadores
Degradação da parede celularDegradação da parede celular
Adaptado de Breaking the biological barriers to cellulosic ethanol: A joint research agenda. U.S. Department of Energy. 2006.
Etanol Celulósico
Espécies em potencial
Plantas C3- Populus spp.- Eucalyptus spp.
Plantas C4 (em regiões mais quentes)
Condições para escolha da espécieFora do espectrofotossinteticamente ativo
Refletido e transmitido
Ineficiente Fotoquimicamente
Síntese de Carboidratos
Fotorrespiração
Respiração
PERDAS DE ENERGIASOL
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
Plantas C4 (em regiões mais quentes)- Panicum spp.- Miscanthus spp.- Cana-de-açúcar (que ainda possuí a sacarose)
Adaptado de Zhu et al. Current Opinion in Biotechnology, vol. 19, p. 153-159, 2008.
Uso em terras pobres em fertilidade ecapacidade hídrica, não competindo emterras para produção de alimentos.
Respiração
Biomassa 46kJ Biomassa 60kJ
- Maximizar a biomassa total produzida ha/ano
- Manutenção da sustentabilidade, minimizando “inputs”
- Maximizando a quantidade de combustível produzida por unidade de biomassa
Miscanthus x giganteus
Espécies e Estádio de Melhoramento
Características:-Alta produção-Baixa necessidade de fertilizantes e baixa necessidade de pesticidas
Produtividade:-Em média 25 ton/ha/ano (ms) � Europa- Há grande variabilidade na produção- Pode ser mantido por de 3 a 5 anos
Produção de
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
- Pode ser mantido por de 3 a 5 anos (reprodução vegetativa)
Poucos trabalhos de melhoramento da espécie (Europa e Illinois)
- Triploidia (Miscanthus x giganteus) dificulta os trabalhos de melhoramento
Lewandowski, I. et al. Biomass & Bio Energy, vol. 19, p. 209-227, 2000.
Saccharum spp. (Cana-de-açúcar)
Espécies e Estádio de Melhoramento
Inicio das hibridações em 1888 em Java e Barbados
Objetivo principal dos programas de melhoramento:- Doenças- Produção de sacarose
-Resistência ao tombamento
- Resistência a penetração de pragas
Balanço energético da indústria
Dados IBGE (Brasil):
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
Cana-de-açúcar
Caldo86 a 92%
Fibra8 a 14%
Produção de açúcar e álcool
Lavanholi, M.G.D.P. In: Cana de Açúcar, 2008.
Dados IBGE (Brasil):- Produtividade média: 79,5 ton/ha- Área colhida 2008: 8,2 milhões de ha
- ~ 11% Fibra = 71 710 000 ton de fibra/ano
Espécies florestais
Espécies e Estádio de Melhoramento
EUA: Populus spp.Brasil: Eucalyptus spp.
A produtividade média do eucalipto no Brasil chega a até 40 m³/ha/ano
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
Em algumas regiões passa de 60 m³/ha/ano
Melhoramento iniciado no começo do século XX, o que gerou acréscimos consideráveis na produtividade.
Momento marcante: Clonagem (1979)
Problema: ciclo longo da cultura
Conteúdo de Celulose
Aumentando a biomassa das plantas
Genômica funcional e estudos com mutantes:
- Genes envolvidos na síntese de celulose e hemicelulose
Modelos da biossíntese de celulose são ainda apenas teóricos
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
teóricos
Exemplos práticos:
- Mutantes de Giberelina: aumento de biomassa (Eriksson et al., 2000)
- ADP-glucose pyrophosphorylase (AGP, amido em endosperma) expressa em níveis mais altos (através de promotores de endosperma) em arroz: aumento inesperado de 20% na biomassa total (Smidansky et al., 2003)
Conteúdo de Lignina
Lignina também é um polímero, porém fenólico
Dá rigidez a parede celular:Dificulta o contado das enzimas de hidrólise com o a celulose e hemicelulose
Repressão da lignina
Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
Gera a necessidade de um pré-tratamento termoquímico
Conteúdo de Lignina Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
Hu, W.J. et al. Nature Biotechnology, vol. 17, p. 808-812, 1999.
Decrescendo a necessidade de pré-tratamento
Vários trabalhos supressão de metabólitos da via da lignina resultaram em diminuição da quantidade de lignina
� 4CL: Populus spp. (Hu et al., 1999)
� CCR: Tabaco (Chabannes et al., 2001)
� CAD: Alfalfa e Populus spp. (Baucher et al., 1999; Pilate et al., 2002)
Conteúdo de Lignina Matéria-Prima
Matéria-Prima
Parede Celular
Fermentação
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Degradação da Parede Celular
Hidrólise enzimática: uma idéia nova?
Matéria-Prima
Parede CelularParede Celular
Fermentação
Degradação da Parede Celular
Hidrólise da celulose
- Celulases: são necessário três tipos (endoglucanase, exoglucanase e β-glucosidase)- Hemicelulases: necessárias para que as
Enzimas desconstrutoras de parede celular:
Uso de Celulossomos:
-Maquinário supramolecular extracelular- Sintetizado por alguns microorganismos anaeróbicos - Capaz de degradar a celulose cristalina e outros polissacarídeos da parede celular
Matéria-Prima
Parede CelularParede Celular
Fermentação
- Hemicelulases: necessárias para que as celulases possam entrar em atividade- Ligninases
Sticklen, M.B. Nature Reviews Genetics, vol. 9, p. 433-443. 2008
Uma proteína “scaffolding” com várias enzimas (celulases) ligadas.
Degradação da Parede Celular
As Celulossomas
Matéria-Prima
Parede CelularParede Celular
Fermentação
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
As Celulossomas
Interesse no estudo da expressão e regulação de genes dessas enzimas
Em estudos de expressão, os genes eram expressos em abundancia quando as
bactérias cresciam em meios feitos de polissacarídeos e baixa expressão em
meios de monossacarídeos.
-Potencial de transformação de organismos não-degradadores de celulose em degradadores.
- Construção e uso de designer
celulossomas para fins específicos (mini-scaffoldings).
Degradação da Parede Celular Matéria-Prima
Parede CelularParede Celular
Fermentação
Em Clostridium thermocellum foram identificadas 26 enzimas celulossômicas
(polivalente)
meios de monossacarídeos.
CATABOLITE-REPRESSION-LIKE mechanism
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
As Celulossomas
- Realiza a troca de domínios funcionais em proteínas, podendo gerar, e.g., enzimas degradadoras de celulose e
Recombinação in vitro ou “DNA shuffling”
Degradação da Parede Celular Matéria-Prima
Parede CelularParede Celular
Fermentação
tolerantes a altas temperaturas
Doi, R.H.; Kosugi, A. Nature Reviews: Microbiology, vol. 2, p. 541-551. 2004.
Há ainda estudos de sinergia
- Combinações de enzimas específicas podem resultar em atividade ainda maior de celulases
Fermentação de pentoses
Organismos Fermentadores
Leveduras fermentadoras de Xilose
-Pichia stipitis � levedura nativa com maior capacidade de fermentação de xiloses
- Vive em endossimbiose com um besouro apodrecedor de madeira
Produção de Matéria-
Prima
Parede Celular
Fermentação
Fermentação
besouro apodrecedor de madeira
Jeffries, T.W. et al. Nature Biotechnology, vol. 25, n. 03. 2007.
Já tentou-se manipular genes de P. stipitis
em S. cerevisiae:Problema: Regulação com mecanismos diferentes
Sequenciamento de seu genoma forneceu informações a respeito dessa sua capacidade de fermentação
Há outros organismos etanol-produtores:- E. coli KO11 (mutante)- Zymomonas mobilis
*Não resistem a altas [ ] de etanol
Fermentação de pentoses
Organismos Fermentadores Produção de Matéria-
Prima
Parede Celular
Fermentação
Fermentação
Transformação de Saccharomyces cerevisiae com genes de Thermus thermophilus
Uso do gene xylA de Xilose Isomerase de T. thermophilus
Thermus thermophilus
Xilose Isomerase
Xilose � Etanol
Vantagens:
- Suporta altas temperaturas (85˚C)
- S. cerevisiae passa a fermentar todos os tipos de açucares oriundos da celulose e hemicelulose
Walfridsson, M. et al. Appl Env Microbiol, vol. 62, n. 12, p. 4648-4651, 1996.
Genômica e o Etanol Celulósico
Projetos genoma existentes
Importância dos projetos genoma:
Uma série de projetos genoma tem sido feitosfocando organismos importantes no processode produção do Etanol Celulósico
Produção de Matéria-
Prima
Produção de Matéria-
Prima
Degradação da parede
celular
Degradação da parede
celular
Desenvolvimento de
fermentadores
Desenvolvimento de
fermentadores
Rubin, E.M. Nature Reviews, vol. 454, n. 14. 2008.
Importância dos projetos genoma:
- Conhecimento de genes envolvidos na síntesede celulose e hemiceluloses
- Alterações nas taxas e estruturas de váriasmacromoléculas formadoras da parede celular
- Identificação de genes codificadores deenzimas degradadoras e organismosfermentadores mais eficientes e adaptados
Mercado do Etanol
Produção mundial
Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008. Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
(US$/quantidade) US$/GJPetróleo 314/m³ 8,7Gasolina 0,44/L 13,7
Custos e Rendimento
Valores de produção
Adaptado de Lynd et al. Nature Biotechnology, vol. 26, n. 2, p. 169-172. 2008.
Gasolina 0,44/L 13,7Gás Natural 0,212/m³ 7,9Carvão 20/ton 0,9Eletricidade 0,04/kWh 11,1Óleo de Soja 105/ton 13,8Culturas Celulósicas 50/ton 3,0
Situação Mundial
Plantas sendo construídas nos EUA
Expectativa de produzir 500 milhões de litros de álcool por ano
(Brasil prevê produzir na safra 2008/2009 24 bilhões de litros de etanol de sacarose)
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008. Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Situação Mundial
Plantas sendo construídas nos EUA
Waltz, E. Nature Biotechnology, vol. 26, n.1, p. 8-9. 2008.Service, R.F. Science, vol. 315, p. 1488-1491, 2007
Biocombustível
Contexto ambiental
Schubert, C. Nature Biotechnology, vol. 24, n. 7, p. 777-784. 2006
Conclusões
Em que áreas atuar para ganhos de produção?
Produção de Matéria-PrimaProdução de
Matéria-Prima
Açúcares otimizados das plantasRedução de toxinasRedução dos custos de MP
Polissacarídeos mais disponíveisRedução da Lignina
Enzimas de digestão in planta
Adaptado de Breaking the biological barriersto cellulosic ethanol: A joint research agenda.U.S. Department of Energy. 2006.
Desenvolvimento de organismos fermentadores
Desenvolvimento de organismos fermentadores
Degradação da parede celularDegradação da parede celular
Maiores produtividades de açúcarMenor custo de capitalMenor custo de enzimas
Etanol Celulósico
Kleiner, K. Nature Reports Climate Change, vol. 2, p. 9-11. 2008.
Obrigado pela atenção
http://www.biodieselbr.com/