Melhoramento genético de bactérias
para a produção de solventes verdes

Sabe-se que os microrganismos capazes de produzir determinados solventes por fermentação possuem obstáculos metabólicos que impedem a produção sob condições de interesse à realidade industrial, haja vista sua baixa tolerâncias às elevadas concentrações, tanto de matéria prima (substrato) quanto de produto. De fato, os solventes orgânicos, em geral, possuem características agressivas à natureza da célula microbiana que, em condições naturais, são sensíveis ao ataque destes compostos. Logo, as ferramentas da genética se apresentam como fundamentais para condicionar processos que ocorrem naturalmente na natureza às demandas da indústria, através da construção de microrganismos adaptados e melhorados metabolicamente.

A produção de solventes, em especial o butanol, pode ser realizada através de um processo fermentativo denominado de fermentação acetono-butanólica-etanólica, ou simplesmente fermentação ABE, pois além do butanol são produzidos, em menores quantidades, acetona e etanol. No entanto, embora a fermentação ABE seja um processo bastante conhecido, a produção destes solventes em larga escala permanecem ainda em níveis sub-ótimos, já que os microrganismos fermentadores apresentam uma série de obstáculos para executarem o processo sob produtividades elevadas.

O Clostridium tem sido uma plataforma de aprendizagem muito importante para o grupo, que trabalha com esse gênero desde de 2011. Contudo, planeja-se expandir esses conhecimentos para outras plataformas microbianas, como outros gêneros bacterianos e leveduras com o intuito de contornar as dificuldades de se trabalhar com sistemas anaeróbicos em ambientes industriais.
Assim sendo, se faz necessário o uso de ferramentas da biologia molecular (genética) para se construir microrganismos capazes de se sobreporem a tais barreiras metabólicas naturalmente constituídas. É importante destacar que, durante a última década, a aplicação combinada de técnicas moleculares e o aprimoramento de métodos de fermentação, têm resultado no desenvolvimento de linhagens de microrganismos super-produtores de solventes ABE. Porém, o Brasil ainda está longe da vanguarda da temática “melhoramento genético de microrganismos produtos de solventes”, pois não há, até o momento, nenhum grupo debruçado na questão além daquele liderado pela empresa Beta 1-4. Assim sendo, o sucesso deste projeto irá colocar o país no centro dos desenvolvimentos.

Assim, a equipe Beta 1-4, em parceria com o Laboratório de Biologia molecular da Universidade de Brasília (UNB), o Instituto SENAI de Inovação em Biomassa (ISI Biomassa) e com apoio financeiro da Empresa Brasileira  de Pesquisa e Inovação Industrial (EMBRAPII), partiu numa jornada desafiadora para desenvolver e implementar ferramenta genéticas para a melhoria de microrganismos para a produção de solventes verdes com objetivo de atender às necessidades de setores da agroindústria, em especial o sucroalcooleiro, por inovação.

A iniciativa tem grande potencial, pois o grupo ora formato, e liderado pela empresa Beta 1-4, é pioneiro na temática genética aplicada a produção de solventes verdes (em especial o butanol), e o sucesso deste desafio irá elevar o Brasil à condição de vanguardista em tecnologias para a conversão de biomassas em produtos de elevado interesse industrial.

Primeira patente do projeto depositada junto ao INPI.

Objetivos

  • Desenvolver ferramentas genéticas para manipulação de bactérias do gênero Clostridium;

  • Realizar modificações genéticas em vias relacionadas com o metabolismo de moléculas adjacentes ao processo de fermentação, concentrando a conversão dos açúcares na produção de butanol;

  • Aplicar estas ferramentas a modificação genética de diferentes bactérias deste gênero de modo a construir microrganismos mais bem adaptado às condições industriais brasileira, bem como às matérias-primas usuais (em especial a cana-de-açúcar);

 

Obviamente que, em termos específicos, os objetivos foram mais complexos e sujeitos às diversas etapas de experimentação em laboratório para modificação genética de bactérias e validação dos resultados.

Confira as etapas do projeto

Síntese química do gene da metiltransferase do fago φ3TI de Bacillus subtilis;
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Modificação genética de E. coli para inserção do gene φ3TI;
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Deleção do gene pta e buk de Clostridium acetobutylicum e saccharobutylicum;
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Clonagem do gene sadh de Clostridium beijerinckii;
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Construção de vetor para expressão do gene sadh e transformação de Clostridium acetobutylicum e saccharobutylicum;
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Seleção de clones produtores de butanol;
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Avaliar a produção de álcoois (butanol e etanol) em escala laboratorial em meio contendo sacarose;
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Análise proteômica da linhagem resultante
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Pedido de patente

Em 2017, assessorado pelo escritório Barbosa Müssnich Aragão (BMA), a equipe depositou seu primeiro pedido de patente visando proteger os métodos de modificação do genoma bacteriano. A patente denominada “Processo para Modificação de Bactérias, Vetor para Modificar Célula de Bactérias, Uso de Bactérias...” foi depositada junto ao Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) sob o número BR 10 2017 017042 0.

Em 2019, o projeto recebeu o apoio do CPNq, por meio da concessão de 3 bolsas do Programa de Doutorado Acadêmico para a Inovação (DAI), que será coordenada pelo Professor Dr. Fernando Araripe Gonçalves Torres (UNB). O objetivo será avanças nos estudos de melhoramento genético de C. acetobutylicum e desenvolver melhorias e novas habilidades metabólicas em outras espécies como C. saccharobutylicum e C.  tyrobutyricum, bem como avaliar a possibilidade de inserção das vias metabólicas produtoras de solventes em organismos aeróbicos como Zymmomonas mobilis.

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