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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
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
