Promissora fonte de energia

Published:

This essay has been submitted by a student. This is not an example of the work written by our professional essay writers.

Introdução

Uma abundante e promissora fonte de energia para a obtenção de álcool combustível é a biomassa celulósica, que é formada por várias matérias orgânicas ricas em carboidratos, como o bagaço da cana de açúcar (que sobra após a extração do caldo-de-cana para a produção clássica de etanol), resíduos de agriculturas e florestas, e uma porção de resíduos sólidos gerados pelos municípios e indústrias.

Essa biomassa vegetal é composta de celulose, hemicelulose e lignina. A celulose é um homopolímero altamente ordenado de glicose, enquanto a hemicelulose é um heteropolímero ramificado composta de hexoses como glicose, manose, galactose; e as pentoses, xilose e arabinose.

A lignina tem caráter químico hidrofóbico e aromático: é formada pela polimerização dos alcoóis cumarílico, coniferílico e sinapílico. A lignocelulose, complexo formado por celulose, hemicelulose e lignina, contém variáveis proporções de hexoses e pentoses. Em realidade, a proporção relativa destes açúcares depende do tipo de bagaço. A xilose, em particular, destaca-se devido a que é o açúcar mais abundante na hemicelulose.

Para poder produzir etanol a um nível economicamente rentável a partir da biomassa lignocelulósica é essencial ter um biocatalisador capaz de fermentar hexoses e pentoses baixo as condições adversas do ambiente industrial. A levedura Saccharomyces cerevisiae, aplicada exitosamente à produção industrial de álcool combustível a partir de suco e melaço de cana de açúcar em Brasil, reuni atributos que a consagram como a mais indicada para a fermentação alcoólica industrial: osmo-tolerância, alta tolerância ao etanol, tolerância a variação de temperatura, dentre outros, além da eficiente capacidade em converter açúcares rapidamente em etanol. Embora este microrganismo abrigue os genes para a utilização da xilose, estes têm baixos níveis de expressão, pelo que não metaboliza as pentoses a um nível interessante para a industria.

Em 1922, Willaman et. al. mostraram que Fusarium lini conseguia fermentar xilose a etanol. Desde esse momento, muitas bactérias que metabolizam e fermentam hexoses e pentoses tem sido achadas, mas todas elas produzem uma mistura não desejável de produtos de fermentação. Embora uma via homo-etanólica tem sido achada no bacilo Zimomonas mobilis, os substratos que pode metabolizar (glicose, fructose e sacarose) são limitados. Por outro lado, varias leveduras capazes de fermentar xilose também tem sido achadas, incluindo especies dos gêneros Candida, Pichia, Hansenula, Debaryomyces, Schwanniomyces, etc. Embora varias leveduras são capazes de fermentar xilose, sua utilização em longa escala dificulta-se por sua baixa tolerância ao etanol e aos inibidores presentes no hidrolisado, requerimento de condições microaerofílicas e sua incapacidade de fermentar xilose a pH baixo (Stambuk 2008). é, ainda, um desafio para os biólogos moleculares produzir cepas modificadas por engenharia genética que sejam capazes de co-fermentar eficientemente todos os açúcares dos hidrolisados de lignocelulose. As melhores cepas conhecidas até hoje com capacidade de fermentar xilose são: Pichia stipitis, P. tannophilus e Candida shehatae.

Pichia stipitis encontra-se altamente relacionada à leveduras endossimbiontes de escaravelhos que degradam madeira. Apresenta um conjunto de caraterísticas fisiológicas que fazem dela um microrganismo muito útil para a bioconversão de lignocelulose. Além de sua capacidade extensamente estudada de fermentar xilose, é capaz de fermentar glicose, manose, galactose e celobiose junto com os oligômeros mananos e xilanos (Jeffries 2009). Cultivos descontínuos alimentados dela produzem quase 50g/l de etanol a partir de xilose com rendimentos de 0,35-0,44g/g xilose (Hahn-Hagerdal 2004). Embora este rendimento seja adequado para algumas aplicações, a fermentação comercial para obter etanol combustível requer uma performance maior (Jeffries1999).

Por outro lado, o clado Spathaspora contém também varias especies de leveduras capazes de fermentar xilose, isoladas de madeira em descomposição ou de insetos que se alimentam desta classe de madeira, como por exemplo, o teleomorfo Spathaspora passalidarum (Nguyen 2006). As especies assexuais Candida jeffriesii e Candida lyxosophila, filogeneticamente próximas a S. passalidarum, também fermentam xilose.

Recentemente o grupo do Prof. Carlos Rosa tem isolado no Estado de Minas Gerais 4 cepas de uma nova especie denominada Spathaspora arborariae sp. nov (Cadete 2009). A mesma se encontra estreitamente relacionada com C. jeffriessi, S. passalidarum e Candida materiae (Barbosa 2009), segundo o análise das sequências que codificam para o gene dos domínios variáveis D1/D2 da subunidade maior do rRNA.

Justificativa

Brasil produz anualmente 5x109 galões de etanol a partir da cana de açúcar que cultiva-se em 5 milhões de hectares no pais (Stambuk2008).

Devido à importância socioeconômica da produção de etanol no Brasil e no mundo, e como fonte de combustível renovável e não poluente, estudos visando a obtenção de melhores procedimentos tecnológicos no processo fermentativo tornam-se de fundamental importância.

Infelizmente, devido à dificuldade em se extrair todos os carboidratos presentes, a maior parte do bagaço de cana não é aproveitado, pelo fato de haver pouca tecnologia que possibilita seu uso. Por isso, atualmente, existem vários projetos em diversas instituições de pesquisa do pais que têm como objetivo desenvolver tecnologias viáveis para uma conversão mais eficiente do bagaço de cana em etanol combustível fazendo assim que as biorefinerías sejam capazes de processar todas as frações desta biomassa. Desta maneira, poderia reduzir-se a expansão da monocultura da cana de açúcar minimizando a carga poluente do processo de colheita por meio da queima.

Portanto, é de interesse para esta pesquisa estudar o genes do metabolismo das pentoses (principalmente a xilose) para tentar aportar mais conhecimentos e elementos à engenharia genética aos fines de desenvolver linhagens que possam converter pentoses em etanol de forma eficaz e financeiramente viável.

No caso da levedura Pichia stipitis, o mecanismo e a regulação do metabolismo de xilose têm sido muito estudados. Os genes desta via metabólica têm sido usados para manipular o metabolismo de xilose em S. cerevisiae, mas a regulação para a produção de etanol é problemática (Jin 2004). S. cerevisiae regula a fermentação sensoreando a presença de glicose. P. stipitis, pelo contrario, induze a atividade fermentativa em resposta a uma limitação de oxigênio.

Incrementar a taxa de fermentação de P. stipitis poderia aumentar seu uso em processos comerciais. Outra alternativa possível é utilizar a conhecimento obtido a partir desta levedura fermentadora de xilose para otimizar o metabolismo de xilose em S. cerevisiae (Jeffries 2007).

Por outro lado, Spathaspora arborariae tem como característica interessante a capacidade de assimilar e fermentar D-xilose eficientemente. As cepas crescem bem tanto em glicose como em D-xilose produzindo praticamente a mesma quantidade de biomassa e etanol a partir destes açúcares. Mesmo assim, e como ocorre com outros microrganismos, é clara a preferencia pela glicose. Não obstante, dado o alto rendimento em etanol Ye/s ~ 0,50g etanol g-1 açúcar obtido durante a fermentação batch, S. arborariae pode prover uma fonte nova de genes, enzimas e/o transportadores de açúcares para engenheirar linhagens que produzam etanol eficientemente a partir de biomassa renovável (Cadete 2009).

Mas, ao ser um microrganismo descoberto recentemente não se têm informações disponível respeito de suas sequências, com exceção de aquelas correspondentes ao genes do rRNA discutidas anteriormente. é assim que se torna sumamente interessante e promissório sequenciar e anotar o genoma desta levedura para pesquisar as possibilidades que oferece. Tanto o genoma de S. cerevisiae como o genoma de P. stipitis, assim como outras leveduras com capacidade de fermentar xilose (Debaryomyces hansenii por exemplo), têm sido sequenciados e anotados e encontram-se disponível nos bancos de dados públicos aos fines de estudos comparativos (Clayton 1997, Jeffries 2007).

Objetivos

Objetivo geral

Sequenciar, montar e anotar o genoma da levedura Spathaspora arborariae aos fines de poder realizar estudos de genômica comparativa, com especial ênfase nos genes envolvidos no metabolismo de pentoses.

Objetivos específicos

Sequenciar o genoma de Spathaspora arborariae utilizando a plataforma 454 da Roche disponível no Laboratório Nacional de Computação Científica em Petrópolis.

Montar o genoma utilizando os recursos computacionais do LCC-CENAPAD disponíveis no ICEx, UFMG.

Anotar o genoma, ou seja, juntar informação útil à sequência genômica de DNA crua para obter uma imagem compreensível que serva para plantear novos interrogantes. Consiste em determinar onde, em cada cromossomo, se encontram as regiões que codificam genes, assim como em determinar a caraterização funcional deles.

Realizar análises de genômica comparativa tanto homologia dependente como homologia independente, assim como estudos de sintenia dos genomas de leveduras com capacidade de fermentar xilose, em particular, dos genes envolvidos no metabolismo de pentoses. Busca-se um panorama geral do organismo estudado, em termos de suas funcionalidades biológicas em comparação com outros organismos filogeneticamente próximos ou não.

Metodologia

Preparação das amostras e sequenciamento: O DNA genômico de Spathaspora arborariae será obtido de acordo ao protocolo proposto por Cheng (2006). (perguntar o kit usado em Santa Catarina)

Os genomas das leveduras Pichia pastoris (DeSchutter 2009) e duma cepa de Saccharomyces cerevisiae usada para a produção de bioetanol (Argueso 2009) foram recentemente publicados. Os mesmos foram sequenciados utilizando de maneira total ou parcial a plataforma 454 Life Sciences Genome Sequencer FLX da Roche respectivamente. De acordo a DeSchutter (2009), devido à alta cobertura que apresenta o sequenciamento com 454 pode-se efetivamente obter um genoma de grande precisão. Por isso, será realizado o protocolo descrito por Margulies (2005) nas condições standards recomendadas pelo fabricante respeito da preparação das amostras.

Montagem do genoma: Na literatura encontram-se muitas opções de algoritmos para montagem de novo de genomas com 'reads' gerados pela tecnologia 454, por exemplo: Celera/CABOG (Miller 2008), Euler-SR (Chaisson 2009), MIRA (Chevreux 2005), SR-AMS (Blazewicz 2009) e Velvet (Zerbino 2008), de código aberto; NextGENe (Softgenetics), Newbler (Roche) e SeqMan NGen (DNASTAR), comerciais; e Phrap (Green 1994), que pode ser adquirido enviando um e-mail ao autor. Também apresentam-se softwares para realizar a montagem tendo como referência um genoma filogeneticamente próximo, como por exemplo, AMOScmp-shortReads (Pop 2004b). Se pretende utilizar pelo menos dois dos programas disponíveis de código aberto, com diferentes heurísticas, aos fines comparativos, por exemplo Celera/CABOG e SR-AMS -para montagem de novo- e AMOScmp-shortReads, de abordagem comparativa. Os software Bambus (Pop 2004a) e ABACAS (Assefa 2009) serão utilizados para alinhar, ordenar e orientar os contigs. As sequências obtidas (scaffolds) serão alinhadas ao genoma filogeneticamente mais próximo (usado como referência) com o software MUMmer (Kurtz 2004). As comparações dos genomas serão visualizadas com a plataforma Artemis Comparison Tool (Carver 2005) ou EagleView (Huang 2008).

Anotação do genoma:

Genes codificadores de proteínas serão preditos com EuGène, uma plataforma integrada para predição gênica em eucariotos (Foissac 2008) e os sítios de splicing, com NetAspGene (Wang 2009), um software desenvolvido especificamente para fazer predições em Aspergillus, um Ascomycota. Para a predição gênica ab inicio podem também ser usados os softwares AUGUSTUS (Stanke 2005) e Exonerate (Slater 2005), utilizando como dados de treino ORFs curados do organismo referencia obtidos de 'http://yeastgenome.org', assim como o software GlimmerHMM, um sistema para achar genes eucariotos (Majoros 2004). Os genes preditos serão comparados mediante BLASTP contra o banco de dados de proteínas de leveduras, contra UniProt e contra o banco de dados de proteínas fúngicas RefSeq. Os termos GO (Gen Ontology), as vias metabólicas do KEGG (Kyoto Encyclopedia for Genes and Genomes) e os números EC (Enzyme Commission) serão anotados por annot8r (Schmid 2008).

Análise genômica comparativa:

Será utilizado o software DAGchainer (Haas 2004), que permite computar cadeias de genes sinténicos em genomas completos, pudendo minerar regiões conservadas, duplicadas, etc. Também se utilizará Sybil, um pacote com interfase Web para análise genômica comparativa, que permite explorar interativamente um ou mais datasets, visualizar os genomas dos organismos, o gradiente de sintenia, clusters de proteínas, informações de genes, etc (TIGR 2005). O uso de codons será determinado com o software ANACONDA (Pinheiro 2006). árvores filogenéticas serão construídas usando TREE-PUZZLE (Schmidt 2002) e PHYLIP (Felsenstein 1996), fazendo uso prévio do software MUSCLE para alinhamento múltiplo de sequências (Edgar 2004).

Cronograma de execução

  • Durante o primeiro semestre de 2009 e parte do segundo semestre se completaram 25 créditos (cursados e dispensados), dos quais 21 foram utilizados para integralização dos 30 créditos exigidos. As notas obtidas foram ''A'' em 6 disciplinas e ''B'' em uma disciplina. No momento me encontro cursando uma disciplina de 3 créditos. Se prevê a integralização dos créditos no primeiro semestre de 2010.

Viabilidade

(Escrever aqueles projetos nos quais esta proposta estaria inserida e dos quais dependeria economicamente.)

2007-2010 Bioetanol: desenvolvimento de leveduras industriais Brasileiras para fermentação eficiente dos açúcares presentes na biomassa. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - Auxílio financeiro ???

cluster ICEx

Santa Catarina

Referências

Writing Services

Essay Writing
Service

Find out how the very best essay writing service can help you accomplish more and achieve higher marks today.

Assignment Writing Service

From complicated assignments to tricky tasks, our experts can tackle virtually any question thrown at them.

Dissertation Writing Service

A dissertation (also known as a thesis or research project) is probably the most important piece of work for any student! From full dissertations to individual chapters, we’re on hand to support you.

Coursework Writing Service

Our expert qualified writers can help you get your coursework right first time, every time.

Dissertation Proposal Service

The first step to completing a dissertation is to create a proposal that talks about what you wish to do. Our experts can design suitable methodologies - perfect to help you get started with a dissertation.

Report Writing
Service

Reports for any audience. Perfectly structured, professionally written, and tailored to suit your exact requirements.

Essay Skeleton Answer Service

If you’re just looking for some help to get started on an essay, our outline service provides you with a perfect essay plan.

Marking & Proofreading Service

Not sure if your work is hitting the mark? Struggling to get feedback from your lecturer? Our premium marking service was created just for you - get the feedback you deserve now.

Exam Revision
Service

Exams can be one of the most stressful experiences you’ll ever have! Revision is key, and we’re here to help. With custom created revision notes and exam answers, you’ll never feel underprepared again.