HIDRÓLISE ENZIMÁTICA DA BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA

LIGNOCELULÓSICA

Na natureza, os fungos filamentosos produzem enzimas que degradam a lignocelulose para obtenção de carbono a partir da biomassa de vegetal. Estas enzimas são representadas basicamente pelas celulases, hemicelulases, lignases, pectinases e um grupo enzimas acessórias. Entre as enzimas lignocelulolíticas, as celulases são as mais estudadas, seguido das hemicelulases (CAMASSOLA; DILLON, 2007; HALTRICH et al., 1996; MALGAS et al., 2017).

3.4.1. As celulases

As celulases possuem uma ampla aplicação na indústria incluindo produção de alimentos, ração animal, fabricação de cerveja e vinho, agricultura, refinaria de biomassas, polpas e papéis, têxtil e lavanderias (NATHAN et al., 2014; SINGHANIA et al., 2006). Estas enzimas correspondem a cerca de 20% do mercado global de enzimas. Porém, espera-se que a demanda aumente com a perspectiva da produção de etanol celulósico em escala industrial (BEHERA; RAY, 2016). Entretanto, o sucesso das aplicações bem-sucedidas de materiais lignocelulósicos como fontes de carbono renováveis dependem do desenvolvimento de tecnologias de processo economicamente viáveis para a produção de celulases. Os estudos demonstraram que a produção de celulases corresponde à etapa mais cara durante a produção de etanol a partir de biomassa lignocelulósica, o que corresponde a aproximadamente 40% do custo total (ARORA; BEHERA; KUMAR, 2015). Logo, existe a necessidade da redução

significativa dos custos de produção para aumentar a viabilidade comercial das celulase e consequentemente do etanol celulósico (BEHERA; RAY, 2016).

Para conversão bioquímica completa da celulose em açúcares monoméricos é necessário a ação sinérgica de várias classes de enzimas (PHITSUWAN; SAKKA; RATANAKHANOKCHAI, 2016). No caso das celulases, inclui enzimas que atuam nas extremidades da cadeia da celulose, conhecidas como exoglucanases (EC 3.2.1.91), que compreende as 1,4-β-celobiosidases ou celobiohidrolases, cuja função é hidrólisar o polímero liberando unidades de celobiose a partir da extremidade redutora (CBH1) e da extremidade não redutora (CBH2). As celulases do tipo endo-β-1,4-glucanases (EC 3.2.1.4) clivam ligações glicosídicas internas das cadeias da celulose, gerando novas cadeias com regiões terminais. Já as β-glucosidases (BGL; EC 3.2.1.21) hidrolizam as ligações das celodextrinas (oligossacarídeos) e da celobiose para glicose (Figura.3) (BORIN et al., 2015; FUJII et al., 2009; YANG et al., 2011). Em sistemas naturais de conversão de biomassas, as celulases são acompanhadas por uma ampla gama de hemiceluloses e enzimas degradantes de lignina trabalhando em conjunto para decompor a lignocelulose (GARAJOVA et al., 2016; YANG et al., 2011).

Figura 3: Representação da hidrólise enzimática da biomassa lignocelulósica.

3.4.2. Mono-oxigenases de polissacarídeos líticos (LPMOS)

A descoberta recente de uma nova classe de enzimas oxidativas, conhecidas como mono-oxigenases de polissacarídeos líticos (Lytic Polysaccharide Mono-Oxygenases - LPMOs), tem ampliado drasticamente o conceito de hidrólise enzimática de polissacarídeos da parede celular vegetal (CHYLENSKI et al., 2017). As LPMOs representam as principais enzimas celulolíticas que atuam na superfície das fibras, onde medeiam a clivagem oxidativa de cadeias de polissacarídeos. Na indústria, a adição de LPMOs aos coquetéis celulolíticos leva à redução da carga de enzimas necessária para a sacarificação eficiente da biomassa celulósica (JOHANSEN, 2016).

Ao contrário das celulases, que realizam a catálise através da hidrólise, LPMOs são metaloenzimas, que quebram as ligações glicosídicas por meio de um mecanismo oxidativo envolvendo oxigênio molecular ou através de um mecanismo alternativo recentemente sugerido, o peróxido hidrogênio e um doador de elétrons. Catalisada por LPMOs, a clivagem da ligação glicosídica resulta na formação de extremidades de cadeia oxidadas, tanto no carnobo C1 e/ou carbono C4. Até agora, tem sido mostrado que LPMOs clivam ligações glicosídicas em quitina, celulose, celoligossacarídeos, hemicelulose e amido (CHYLENSKI et al., 2017). As LPMOs são agrupadas no banco de dados CAZy (Carbohydrate Active

Enzymes) em quatro famílias AA9, AA10, AA11 e AA13. A família de LPMOs AA9 é

encontrada exlusicamente em fungos. Além disso, estudos tem mostrado sinergismo entre a família de LPMOS AA9 e enzimas celulases, de forma a maximizar a hidrólise de biomassas (Figura 3) (GARAJOVA et al., 2016; HU et al., 2014).

3.4.3. As hemicelulases

A hemicelulose é encontrada em grandes quantidades nas paredes celulares vegetais. Plantas distintas mostram diferenças significantes na composição e estrutura da hemicelulose (EBRINGEROVA; HROMADKOVA; HEINZE, 2005). Devido à heterogeneidade e natureza química complexa da hemicelulose, a sua hidrólise em constituintes mais simples (monômeros, dímeros ou oligômeros) requerer a ação de um amplo espectro de enzimas com especificidade catalítica e modos diversos de ação. Por causa disso, os microrganismos produzem um arsenal de enzimas hemicelulolíticas na tentativa de hidrolisar por completo a hemicelulose (CAMASSOLA; DILLON, 2007; MANJU; SINGH CHADHA, 2011; SHALLOM; SHOHAM, 2003).

Diferentemente do observado na celulose, a hemicelulose é mais fácil de ser hidrolisada por apresentar estrutura mais amorfa. Entretanto, assim como para a celulose, a total hidrólise da hemicelulose requer sinergismo enzimático. No grupo das hemicelulases, incluem-se enzimas tais como xilanases (EC 3.2.1.8), mananases (EC 3.2.1.78), β-xilosidases (EC 3.2.1.37) e β-manosidases (EC 3.2.1.25) (MANJU; SINGH CHADHA, 2011; SHALLOM; SHOHAM, 2003). Entretanto, as hemicelulases mais estudadas são as que hidrolisam o componente mais abundante da hemicelulose, a xilana (GRIGOREVSKI-LIMA et al., 2013). Usualmente a xilana é desramificada antes ou em conjunto com a despolimerização da cadeia principal. São requeridas diferentes enzimas dependendo do tipo específico de xilana a ser hidrolisada. As endoxilanases (EC 3.2.1.8) quebram as ligações β- 1,4 da xilana em pequenos fragmentos como xilotriose e xilobiose. Já as 1,4-β-xilosidases (EC 3.2.1.37) hidrolisam a xilobiose e oligossacarídeos em regiões não redutoras até a xilose (HALTRICH et al., 1996; MANJU; SINGH CHADHA, 2011; RODRIGUES, P. O. et al., 2016). Adicionalmente, uma variedade de enzimas de desmembramento, isto é, as α- arabinofuranosidases (EC 3.2.1.55), α-glucuronidases (EC 3.2.1.139), acetil xilana esterases (EC 3.1.1.72), α-galactosidases (EC 3.2.1.22) e furosil esterases (EC 3.1.1.73) são necessários para uma eficiente da hidrólise da xilana - Figura 4 (MANJU; SINGH CHADHA, 2011; SHALLOM; SHOHAM, 2003).

Figura 4: Modelo esquemático da degradação da xilana por hemicelulases.

Tanto para as celulases como para as hemicelulases, a sinergia entre as enzimas durante a degradação da biomassa pode ser influenciada por vários fatores além das características das enzimas utilizadas, incluindo: a) o tempo de reação enzimática; b) presença de inibidores; c) as características e concentração do substrato; e) a concentração de enzimas na mistura reacional (MALGAS et al., 2017).