Cana-de-açúcar: do campo à biotecnologia
Laboratório de Genoma Funcional
Departamento de Genética, Evolução e Bioagentes – IB UNICAMP
Prof. Marcelo Menossi
UNICAMP http://ipe.ib.unicamp.br
menossi@unicamp.br
Importância da cana-de-açúcar no Brasil
Brasil lidera a lista dos 80 países produtores
São Paulo: 60% da produção nacional
Movimenta R$ 8 bilhões por ano
Proporciona 600 mil empregos diretos
Copyright© 2003, Copersucar União
Plantio de cana no Estado de São Paulo
Principais culturas do Brasil
Fonte: Luis Cortez, Unicamp
61 Agricultura
7 21 Cana
Outros
11 Milho
150-200 22 Pastos
Soja
Area [106 ha]
Brasil: 851 106 ha
Área cultivável: 350 106 ha
Processamento da cana-de-açúcar: usinas
Fonte: Luis Cortez, Unicamp
Processamento da cana-de-açúcar: usinas
Em amarelo:
novas usinas previstas
Fonte: Luis Cortez, Unicamp
Demanda futura de etanol
Para 2025 são previstos 1,7 trilhões de litros de gasolina.
Um alvo de 10% disso sendo substituído por etanol seriam 205 bilhões de litros.
A produção atual é em torno de 100 bilhões.
Necessidade de duplicar a produção de etanol.
Fonte: Rogério Cerqueira Leite (CTBE)
Oportunidades
• Produtividade da cana: mais cana por área cultivada
• Aproveitamento da cana:
1/3 da energia da cana é açúcar (fermentação -> etanol) 1/3 está no bagaço da cana
1/3 está na palha
• Tecnologias para minimizar impactos ambientais do plantio e processamento
• Etc...
(queima para geração eletricidade hidrólise, para geração de açúcar)
Custo da cana – tecnologia atual (não enzimática)
R$/m
3 (%)Cana 390 68.5 Indústria 133 23.3 Gerenciamento 47 8.2 Total 570 100.0
Fonte: Luis Cortez (Unicamp)
Influência da seca no cultivo da cana
Amazon Rainforest Pantanal
Atlantic Forest
Other important
preservation areas Above 12% slope area
High Average
Low (World average) Inapropriate
Sem irrigação Com irrigação
Uso de fertilizantes
Organização da comunidade científica
Projeto SUCEST: o princípio dos estudos de grande porte
Projeto SUCEST
43,143 possíveis genes em cana
Quais deles deixarão a cana mais feliz ?
Longo caminho, mais caro e
arriscado.
www.prospects.co.uk
Fisiologia
Transcritoma Metaboloma
Biotecnologia Visão geral das estratégias
Proteoma
Genoma
Análise expressão de centenas de genes
Fonte: Nogueira et al. Plant Physiology 132:1811–1824 (2003)
Análise expressão de centenas de genes
Fonte: Nogueira et al. Plant Physiology 132:1811–1824 (2003)
Projeto SUCEST-FUN (http://sucest-fun.org)
Genômica genética (genetical genomics)
Análise expressão gênica em larga escala
Central de Álcool Lucélia
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de
São Paulo
Projeto Transcriptoma da cana-de-acúcar, coordenado pela Profa. Glaucia Souza
Atividade gênica em diferentes partes da cana
Papini-Terzi et al. (2005). DNA Research 12:27-38.
Genes associados com acúmulo de sacarose
Expressão em folhas de cana-de-açúcar aos 9 meses após plantio
Felix et al. (2009) Tropical Plant Biology 2:1935-9756
Genes com potencial para aumento de sacarose
Mais em internó 9
Mais em In1 e In5 Mais em In5
Cada linha representa um gene
Verde: gene mais ativo em plantas com baixo teor de açúcar Vermelho: gene mais ativo em plantas com alto teor de açúcar
Níveis de sacarose
Expressão gênica: ampliando escopo
• Hormônios: Metil jasmonato (insetos, etc), ABA (seca)
• Ataque de lagarta
• Deficiência de fosfato
• Interação com duas bactérias fixadoras de nitrogênio
• Seca
Rocha et al., (2007) BMC Genomics 8:71
Efeito de altas concentrações de gás carbônico
360 ppm CO2 720 ppm CO2
Efeito de altas concentrações de gás carbônico
Consórcio para fisiologia, ômicas e biotecnologia
Laurício Endres (UFAL)
Monalisa Sampaio Carneiro (UFSCAR) Rejane J.M.C. Mansur (UFRPE)
Tercílio Calsa Jr. (UFPE) Glaucia Mendes Souza (IQ-USP)
Marcelo Menossi (Coordenador, IB-UNICAMP)
UFRPE
Consórcio para fisiologia, ômicas e biotecnologia
Três variedades tolerante Três variedades sensíveis Experimentos de campo em SP (2), PE e Al
• fisiologia
• transcritoma
• microtranscritoma
• proteoma
• biotecnologia
Novo chip de cana com 14.522 genes
4x44k Chip image
LogRatio vs Log Processed Signal
Array 1 (Experiment 1)
Fonte: Glaucia Souza (USP)
Novo chip de miRNA de cana
z No banco de dados miRBase só existem 16 miRNAs de cana- de-açúcar.
z 114 candidatos encontrados.
• 1117 sequências únicas de plantas (versão 14.0 do miRBase)
• Mais de 150 miRNA sondas hidridadas por chip
• 14 famílias foram identificadas como relacionadas ao estresse hídrico após análise estatística.
Análise global de miRNA de cana
www.prospects.co.uk
Fisiologia
Transcritoma Metaboloma
Biotecnologia Visão geral das estratégias
Proteoma
Genoma
Biotecnologia: busca de promotores
Fonte: Helaine Carrer (Esalq/USP) e Glaucia Souza (USP)
Parcerias com empresas
Avaliação de genes de cana em arroz
Produção de plantas transgênicas
Cana
(Helaine Carrer, Esalq/USP)
Tabaco
Produção de plantas transgênicas
Zhang et al. (2008). Plant Mol Biol 68:131-143.
Programa FAPESP de Pesquisa em Bioenergia (Bioen)
Coordenadora: Glaucia M. Souza (USP)
Pesquisa sobre biomassa, com foco no melhoramento da cana-de-açúcar Processo de fabricação de biocombustíveis
Aplicações do etanol para motores automotivos Estudos sobre biorrefinarias e alcoolquímica
Impactos sociais e ambientais do uso de biocombustíveis
A chamada de projetos prevê investimentos de cerca de R$ 38 milhões, divididos entre a FAPESP (R$ 19 milhões) e o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) – R$ 10,2 milhões em bolsas e R$ 8,8 milhões do Programa de Apoio aos Núcleos de Excelência, o Pronex.
Fonte: Revista Fapesp. Vias para avançar como líder do etanol. Edição 149, Julho 2008
INCT Bioetanol
Coordenador: Marcos Buckeridge (USP)
Congrega 29 laboratórios em 6 estados brasileiros e o Distrito Federal
Áreas de atuação:
1) Fisiologia Vegetal e Biologia Celular;
2) Expressão gênica e transformação de cana;
3) Melhoramento da cana;
4) Prospecção de fungos e desenvolvimento de enzimas;
5) Caracterização enzimática e engenharia de processos.
Centro de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE)
Pertence ao MCT e está localizado em Campinas
Focos:
•Planta Piloto para Desenvolvimento de Processos (PPDP)
•Mecanização de baixo impacto para o plantio direto de cana-de- açúcar
•Sustentabilidade
•Ciência básica
•Biorrefinaria Virtual
O Estado de São Paulo vai investir cerca de 100 milhões nas três
universidades (USP, UNESP e UNICAMP) especificamente para a montagem de centros de bioenergia.
Centro de Pesquisa em Bioenergia no Estado de São Paulo
Produção científica e patenteamento
Há ampla margem para aumentar a relação entre artigos e patentes
• Inovações dependerão de uma miríade cada vez maior de tecnologias protegidas
• Maior complexidade na negociação para uso e licenciamento
Fonte: Gurumustuk Singh
Pensando como empresa
arroz normal arroz dourado
Incorporação de três genes aumentou o teor de pró-vitamina A
Patente concedida, mas quem licenciar a patente poderá vender o produto?
Case: arroz dourado
A combinação dos três genes é uma novidade, mas o uso individualizado de cada DNA está protegido
Arroz dourado: 72 patentes, 40 organizações (Kryder et al., 2000).
Case: arroz dourado
Product clearance Freedom to operate
Como proceder ?
Quais ingredientes, processos e combinações serão usadas para obter o produto?
Genes, promotores, marcadores seletivos, metodologias de transformação...
queimandonavios.zip.net
Product clearance
www.medicalpatent.se/
Habilidade de realizar pesquisa ou desenvolvimento de produto comercial a partir de produto ou processo patenteado com o mínimo risco de infringir patentes não licenciadas ou propriedade tangível de terceiros
Material transfer agreements (termos de transferência de material): podem travar a aplicação do conhecimento
Liberdade de operação
Novo vetor de DNA para transformação de cana
Considerações finais
Temos à disposição um enorme conjunto de dados para melhoramento da cana
A enorme organização da comunidade científica que trabalha com bioetanol é um fato
Há ciência de alto nível na área de bioetanol Existem recursos abundantes para projetos ambiciosos
