Cientistas descobrem como proteger leveduras de danos na produção de biocombustíveis

More Than an Apple a Day: Preventing Our Most Common Diseases (Julho 2019).

Anonim

Alguns produtos químicos usados ​​para acelerar a decomposição de plantas para a produção de biocombustíveis como o etanol são venenosos para as leveduras que transformam os açúcares da planta em combustível.

Pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison e vários laboratórios do Departamento de Energia identificaram duas mudanças em um único gene que pode fazer a levedura tolerar os produtos químicos pré-tratamento. Eles publicaram suas descobertas recentemente na revista Genetics.

Mesmo em uma fábrica de ponta, transformar material vegetal como gramíneas ou sobras de milho em biocombustíveis muitas vezes imita a forma como a natureza devolve nutrientes vegetais ao solo, ar e água. De um jeito ou de outro, as células vegetais são quebradas fisicamente, quimicamente e com micróbios, quase como se decomporiam naturalmente.

"Mas o processo de decomposição de material vegetal é realmente lento. Leva anos para uma árvore cair se decompor completamente", diz Trey Sato, cientista sênior do Centro de Pesquisa de Grandes Lagos da UW-Madison e pesquisador-chefe do fermento. estude. "Esse período de tempo não é compatível com situações industriais, em que o objetivo é produzir o máximo de produtos o mais rápido possível para comercializá-lo à venda".

Assim, os fabricantes de biocombustíveis aceleram o processo, em parte, fazendo o pré-tratamento da biomassa da planta crua. O pré-tratamento pode incluir a aplicação de gás de amônia, ácidos, calor e pressão, sais chamados líquidos iônicos ou alguma combinação desses e outros esquemas.

Após o pré-tratamento, a celulose que compõe as paredes e fibras das células vegetais é quebrada com enzimas para liberar o açúcar. O açúcar é fermentado em combustível por micróbios - muitas vezes cuidadosamente criados e versões de engenharia da levedura Saccharomyces cerevisiae, também usada para fermentar vinho e cerveja e pão fermentado.

"Esses líquidos iônicos são úteis para o pré-tratamento e o início do processo", diz Sato. "O problema é que, mesmo depois de você se dar ao trabalho de remover e recuperar o máximo possível de líquidos iônicos de sua biomassa antes de fazer a fermentação, a quantidade que você não consegue obter é o suficiente para ser tóxica demais. de micróbios ".

Essa toxicidade é suficiente para tornar a levedura 70% menos eficiente na transformação de açúcar em biocombustível, uma perda incapacitante para um processo industrial.

Sato e colaboradores da UW-Madison, do Joint BioEnergy Institute e dos laboratórios nacionais de Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley e Sandia, procuraram uma maneira de superar essa barreira.

"A natureza é provavelmente o melhor engenheiro que existe. Ela teve milhões de anos de evolução para desenvolver e otimizar sistemas biológicos", diz Sato. "Assim, uma solução pode ser sair e encontrar um substituto para o fermento, um micróbio diferente que pode ser capaz de fermentar açúcares celulósicos e também engarrafar os líquidos iônicos".

Mas muitas empresas e engenheiros de biocombustíveis investiram muito tempo e recursos na melhoria de sua própria levedura e na construção de reatores de biocombustível em torno de suas variedades preferidas. Um organismo fermentador diferente pode colocá-los de volta na estaca zero.

Assim, os pesquisadores analisaram uma variedade de cepas de S. cerevisiae que foram isoladas de diferentes nichos ecológicos. Das 136 leveduras isoladas, elas encontraram uma linhagem com excelente tolerância a líquidos iônicos. Eles rastrearam sequências de DNA desta linhagem e identificaram um par de genes chave para sobreviver aos químicos tóxicos antes do tratamento. Um dos genes, chamado SGE1, produz uma proteína que se deposita na membrana celular da levedura e funciona como uma bomba para remover toxinas.

"Se você tem mais dessas bombas na superfície da célula, você pode obter mais das moléculas líquidas iônicas de sua célula", diz Sato.

Uma mudança de apenas dois nucleotídeos individuais entre mais de 12 milhões que compõem o genoma da levedura é suficiente para aumentar a produção dessas bombas celulares e proteger a levedura dos líquidos iônicos. Os pesquisadores usaram a ferramenta de edição de genes CRISPR para alterar uma linhagem de levedura iônica suscetível a líquidos, introduzindo as duas mudanças de nucleotídeo único e produzindo com sucesso uma levedura que pode sobreviver - e fermentar - juntamente com quantidades de líquido iônico que são normalmente tóxicos.

"Agora qualquer um que use este fermento pode olhar para um gene específico em sua própria linhagem e dizer se é compatível e útil com um processo de líquido iônico ou não", diz Sato. "É um procedimento de engenharia simples, que não demora muito e não é caro. E pode ser corrigido com o CRISPR em questão de uma semana ou duas."

Sato diz que o próximo passo é testar a levedura modificada fora do laboratório, incorporando o material vegetal do mundo real usado como matéria-prima de biocombustível.

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