perspectivas do bioetanol de cana -de -açú car no brasil

Perspectivas do bioetanol Perspectivas do bioetanol de canade cana--dede--aaçúçúcar no Brasilcar no Brasil

Amanda Pereira de Souza

Laboratório de Fisiologia Ecológica de Plantas

Departamento de Botânica

Instituto de Biociências – USP

amanda.psouza@usp.br

Etanol de 1ª Geração: utiliza somente 1/3 da energia disponível na

planta (sacarose)

1/3 =bagaço

1/3 = palha

Etanol de 2ª Geração

AUMENTAR PRODUÇÃO DE ETANOL DE 1ª GERAÇÃO

NO CAMPO

- Continuar o melhoramento genético- Melhorar performance fotossintética

NA INDÚSTRIA

-Melhorar a eficiência no processo de conversão

- 2/3 da energia ainda não é utilizada para a produção de etanol e encontra-se na parede celular

Estratégias discutidas para aumentar a produtividade de etanol de cana-de-açúcar

Estratégias discutidas para aumentar a produtividade de etanol de cana-de-açúcar

NUTRIÇÃO MINERALRELAÇÕES HÍDRICAS

FOTOSSÍNTESE-RELAÇÃO FONTE-DRENO

MELHORAMENTO DAS LEVEDURAS

ARQUITETURA DA PAREDE CELULARPRÉ - TRATAMENTOS

PROCESSOS DE HIDRÓLISEFERMENTAÇÃO DE PENTOSES

DESENVOLVER O ETANOL DE 2ª GERAÇÃO

Indústria

SIBRATEC

US$ 3mi US$ 20 mi

US$ 40 mi

US$ 5 mi

Centros Paulistas de Bioenergia

Polo Terra, São CarlosLabioen, UNICAMP

US$ 10mi US$ 47mi

US$ 500 mi

TOTAL: US$ 628 mi

CeProBIO

US$ 3mi

Planta Piloto

BNDES-FINEP

Prover os conhecimentos básicos para viabilizar a produção de bioetanol a partir de biomassa com enfase em cana-de-açúcar.

O DESAFIO DO INCT DO BIOETANOLO DESAFIO DO INCT DO BIOETANOLCoordenação : Marcos Buckeridge

Início do projeto: jan/2009

34 laboratórios em diferentes localidades do Brasil

5 centros:

1)Fisiologia Vegetal e Biologia celular2)Genômica e Melhoramento Genético 3)Expressão gênica4)Prospecção de fungos e desenvolvimento de hidrolases5)Caracterização de enzimas e engenharia de processos

ESTRATÉGIA GERAL DO INCT DO BIOETANOL

Parede celular

Parede celular

Genômica e melhoramento

Genômica e melhoramento

Fisiologia e Biologia celular

Fisiologia e Biologia celular

SacarosePré-tratamentos físicos e químicos

Pré-tratamentos físicos e químicos

Estrutura de enzimas

Estrutura de enzimas

Transcriptômica da cana

Transcriptômica da cana

Atividade enzimática

Atividade enzimática

Glicose, arabinose e

xilose

Cana-de-açúcarCana-de-açúcar

Transcriptômica de fungos

Transcriptômica de fungos

BIOETANOLBIOETANOL

LAFIECO-Bioenergia

Abordagem em todos os níveis da planta para a compreensão da partição de carbono na cana-de-açúcar

Fluxo de carbono na cana

Fluxo de carbono na cana

Fotossíntese C4Fotossíntese C4

Carboidratos não estruturais

Glc, Fru, Raf, Sac, Amido

Carboidratos não estruturais

Glc, Fru, Raf, Sac, Amido

Parede celularEstrutura fina,

arquitetura e topologia

Parede celularEstrutura fina,

arquitetura e topologia

PLANTAS COM MAIOR PRODUTIVIDADE

PLANTAS COM MAIOR PRODUTIVIDADE

TECNOLOGIA PARA O ETANOL DE 2ªGERAÇÃO

TECNOLOGIA PARA O ETANOL DE 2ªGERAÇÃO

PAREDE CELULARPAREDE CELULAR

Design: Wanderley dos Santos

Tipo I Tipo II

microfibrila

Hemiceuloses fortemente ligadas à

celulose

Hemiculoses fracamente ligadas a

celulose

Pectinas

Proteinas

Ácido ferúlico

Buckeridge et al. 2008. Parede Celular, Cap 9 in Kerbauy G.B. Fisiologia Vegetal. Guanabara Koogan

3nm

Microfibrilahemicelulose

Brandão, Leite & Buckeridge, resultados não publicados

MudanMudançças na as na parede celular parede celular

durante o durante o desenvolvimentodesenvolvimento

As paredes celulares mudam a composição durante o

desenvolvimento: beta-glucanos são degradados e arabinoxilanos

são sintetizados

Estudo da parede Estudo da parede celular da palha da celular da palha da

canacana--dede--aaçúçúcar car durante a durante a

degradadegradaçção no ão no campocampo

5 cm

Estudo da Estudo da degradadegradaçção da ão da

parede celular por parede celular por meio da formameio da formaçção ão do aerênquima em do aerênquima em

raraíízes de canazes de cana

• Formação do aerênquima

54,543,50,5 1 1,5 2 2,5 3

PER

FIL

GLI

CÔ

MIC

OP

ERFI

L G

LIC

ÔM

ICO

D. Leite, A.de Souza, S.Pattathil, M. Hahn & M. Buckeridge, unpublished

results LAFIECO & CCRC

De 1999 a 2001, o Programa SUCEST produziu 238.000 ESTs de vários tecidos da cana-de-açúcar

469 genes relacionados com a parede celular (Lima et al. 2001, GMB)

Estrutura fina do arabinoxilano (GAX)Estrutura fina do arabinoxilano (GAX)

XYL XYL XYL XYL XYL XYL XYLXYL

GlcA

beta-(1,4) ARAalpha-(1,3)

alpha-(1,6)

Estudo da estrutura fina Estudo da estrutura fina dos polissacardos polissacaríídeos de deos de

parede celularparede celular

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 55,0-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200 Oxg Xylogluan-ArabinoXylan #10 Cana 0,5U 24H ECD_1nC

min

1 - 3,783

2 - 5,908

3 - 9,200

4 - 11,542

5 - 13,017

6 - 15,142

7 - 16,608

8 - 20,092

9 - 21,092

10 - 21,492

11 - 22,025 12 - 29,200

HPAEC/PAD

Arabinoxilano digerido com endo-xilanase

Augusto Crivellari & Marcos Buckeridge

Fração 4M digerida com celulase Xiloglucano em cana-de-açúcar

Augusto Crivellari, Theodora Tryfona, Paul Dupree & Marcos Buckeridge

549.0 750.4 951.8 1153.2 1354.6 1556.0

Mass (m/z)

3.7E+4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

% In

tens

ity

4700 Reflector Spec #1[BP = 791.1, 37068]

791.

1256

953.

1426

790.

1419

952.

1572

731.

1195

1115

.157

7

689.

1211

658.

1320

629.

1124

923.

1402

1247

.154

2

893.

1346

569.

1030

1085

.154

7

591.

1304

820.

1544

851.

1406

1013

.157

4

1055

.147

8

773.

1310

1277

.166

6

672.

1699

718.

1840

554.

1529

795.

1479

957.

1606

834.

1621

759.

1301

607.

1249

643.

1682

994.

1776

745.

1707

1216

.185

2

1149

.184

7

1408

.181

8

1033

.164

2

879.

1555

1540

.158

1

1379

.165

0

1186

.182

9

XG

XXGG

XXXG

XXGGG/XLGG

XLXG/XXLG

GLC GLC GLC GLC GLC GLC

XYL XYL

XYL

GAL

alpha (1,6)

beta (1,2)

Action of XTH and cellulases

XYL

XYL

Estrutura fina do xiloglucanoEstrutura fina do xiloglucano

Dos Santos, Pimentel & Buckeridge, Unpublished

Arquitetura da Arquitetura da parede celularparede celular

Dos Santos, Pimentel & Buckeridge, Unpublished

Paredes celulares de colmo: Microscopia de força atômica

Primary walls: Cell Suspension

Paredes celulares de células em suspensãoMET com difração de elétrons

Tiné, Bettini, Portugal & Buckeridge, Unpublished

Microfibrilas de celulose são apontadas com setas vermelhas. Material amorfo presente corresponde possivelmente às hemiceluloses e pectinas presentes na parede

Arquitetura da parede celular de canaArquitetura da parede celular de cana

3nm 12nm

Hemicelulose fortemente ligada

à celuloseXILOGLUCANO? Macrofibrila

Microfibrila

HipóteseMicro e macro fibrilas estão cobertas por uma fina camada de xiloglucano embebida em uma matriz de arabioxilano e beta-glucano.

FOTOSSFOTOSSÍÍNTESE ENTESE EMETABOLISMO DE CARBONO METABOLISMO DE CARBONO

CanaCana--dede--aaçúçúcar possui fotosscar possui fotossííntese Cntese C44

CO2CO2

CO2

CO2

Células do mesofiloCélulas da bainha vascular

Amanda P. de Souza & Marcos Buckeridge – Photosynthesis in Sugarcane, Cortes, L. 2010

Ciclo diCiclo diáário de rio de fotossfotossííntese, ntese, produproduçção de ão de aaçúçúcares e cares e

metabmetabóólitoslitos

OAS

Glycine

Cysteine

Fumarate

Aspartate

Homoserine

Threonine

Lysine

Methionine

ß- Alanine

Asparagine

G6P

F6P

3 PGA

Trehalose

Maltose

Galactose

Erythritol

Serine

RiboseArabinose

Uracil

Citrate

Citramalate

cis- Aconitate

Ketoglutarate

Isocitrate

Glutamate Glutamine

GABA

Arginine ProlinePutrescineSpermidine

Succinyl- CoASuccinate

Malate

Oxaloacetate

Maleate

t4-HO-proline

Myo-inositol Inositol- 1P

Glycerate Glycerol Glycerol- 3P

PEG

Pyruvate

Acetyl- CoA

Leucine

Valine

Isoleucine

Alanine

Saccharate

Benzoate

Shikimate

QuinatePhenylanaline

Tryptophan

Tyrosine

Fructose

Mannitol

Sorbitol

Glucose

SucroseGluconateGalactonate

Raffinose

Melibiose

Glucuronate

5-Oxoproline

Ornithine

FA 9:0

Palmitoleate

FA 22:0

ArabitolMannose

RhamnoseThreonate

Galacturonate

L- Ascorbate

Dehydroascorbate

FucoseSaccharate

Isomaltose

Sorbose

> 1.4x

redução < -1.4x

aumento

Galactinol

Sinapate

Urea

Xylulose

Agmatine

3-indole-acetonitrile

Histidine

Xylose

Cellobiitol

Nicotinate

Nicotinamide

4-Hydroxybenzoate

Caffeate

Riboflavin

7 10 13 16

19 22 1 4 7

Horas avaliadas

FOLH

AFO

LHA

Metabolismo de Metabolismo de celulosecelulose

ProduProduçção de ão de pectinaspectinas

Expansão da Expansão da parede parede

celular/Crescimencelular/Crescimentoto

7h

16h

4h 10h

13h

19h

1h

22h

ProduProduçção de ão de hemiceluloseshemiceluloses

Queda do conteQueda do conteúúdo do de Glc, Fru, Sac, Raf de Glc, Fru, Sac, Raf

e amido / e amido / Fornecimento de Fornecimento de carbono noturnocarbono noturno

AcAcúúmulo de mulo de Glc, Fru, Sac, Glc, Fru, Sac, Raf e AmidoRaf e Amido

Baixo status de Baixo status de carbono/ Aumento carbono/ Aumento da forda forçça de drenoa de dreno 7h

19h

7h

16h

4h 10h

13h

19h

1h

22h

Queda do conteQueda do conteúúdo de do de Glc, Fru, Sac, Raf e Glc, Fru, Sac, Raf e

amido / Fornecimento amido / Fornecimento de carbono noturnode carbono noturno

AcAcúúmulo de mulo de Glc, Fru, Sac, Glc, Fru, Sac, Raf e AmiRaf e Ami

Baixo status de Baixo status de carbono/ Aumento da carbono/ Aumento da

forforçça de drenoa de dreno

19h

7hProduProduçção de pectinasão de pectinas

Expansão da parede Expansão da parede celular/Crescimentocelular/Crescimento

7h

16h

4h 10h

13h

19h

1h

22h

ProduProduçção de ão de hemiceluloseshemiceluloses

Queda do conteQueda do conteúúdo de do de Glc, Fru, Sac, Raf e amido Glc, Fru, Sac, Raf e amido

/ Fornecimento de / Fornecimento de carbono noturnocarbono noturno

FotossFotossííntesentese

AcAcúúmulo de Glc, mulo de Glc, Fru, Sac, Raf e Fru, Sac, Raf e AmidoAmido

Baixo status de Baixo status de carbono/ Sinalizacarbono/ Sinalizaçção ão

para fotosspara fotossííntesentese

19h

7h

Transporte de aTransporte de açúçúcarescares

Transporte de aTransporte de açúçúcarescares

SinalizaSinalizaççãoão

SinalizaSinalizaççãoão

FOLHAFOLHA

COLMOCOLMO

RAIZRAIZ

COCO22 AmbienteAmbiente

COCO22 AmbienteAmbiente

Elevado COElevado CO22

Elevado COElevado CO22

Cultivo em alto COCultivo em alto CO22

20 %20 %

178 %178 %

30% na taxa fotossintética

ColmoColmo

50 % na condutância estomática

Cultivo em alto COCultivo em alto CO22

Relação C/N

COCO22 AmbienteAmbiente Elevado COElevado CO22

PROTEÔMICAPROTEÔMICA

��180 spots identificados em CO180 spots identificados em CO22 ambienteambiente��169 spots identificados em alto CO169 spots identificados em alto CO22

EXPRESSÃO GÊNICAEXPRESSÃO GÊNICA

PEPc TOC1 PSII-K

FotossFotossííntesentese

CrescimentoCrescimento

CSL 9 CesA 7

MudanMudançça na expressão em a na expressão em alto COalto CO22 coincide com o coincide com o acacúúmulo de biomassa na mulo de biomassa na

folhafolha

CWI

Invertase de parede celularInvertase de parede celular

Menor expressão em alto Menor expressão em alto COCO22 coincide com a maior coincide com a maior

taxa de exportataxa de exportaçção de ão de fotoassimiladosfotoassimilados

COCO22 AmbienteAmbiente

Elevado COElevado CO22

Uso da teoria de Uso da teoria de redes para redes para

compreender o compreender o sistema de sistema de

funcionamento da funcionamento da planta como um planta como um

todotodo

Obrigada!Obrigada!

Amanda P. de Souza amanda.psouza@usp.br