Existe muita energia dentro das plantas, mas nem sempre é fácil acessá-la. As paredes celulares são construídas a partir de celulose, que mantém as células vegetais rígidas. Infelizmente, a celulose é notoriamente difícil de quebrar. Alguns animais podem processá-lo, mas não é simples. Um novo papel, por Adriana Grandis e colegas, analisa como a cana-de-açúcar pode quebrar a celulose para formar o aerênquima.

O aerênquima não é rígido. É um tecido esponjoso, repleto de espaços e canais para a passagem de ar. O Prof. Marcos Buckridge, um dos autores do estudo, explicou por que o aerênquima é tão crucial para a cana-de-açúcar: “Acredita-se que o aerênquima radicular esteja relacionado ao aumento da capacidade de manter o fluxo de oxigênio dentro do tecido radicular. Dessa forma, ele protege a raiz contra a hipóxia (falta de oxigênio) provocada pelo alagamento ou inundação. Temos buscado variedades de cana-de-açúcar sem aerênquima, mas ainda não as encontramos, pelo menos não nas variedades brasileiras que investigamos. Muitas gramíneas, incluindo arroz, sorgo e milho, formam aerênquima. O milho foi mais exaustivamente estudado e, nesse caso, o aerênquima nas raízes só se forma quando a planta é alagada ou encharcada. Arroz, sorgo e cana-de-açúcar formam aerênquima radicular independentemente da indução por um sinal externo (ou seja, o aerênquima é constitutivo).”

Uma maneira de ter uma ideia melhor de como o aerênquima funciona seria alterar uma planta, para que ela tenha menos deles. E este é o trabalho em que a equipe do Prof. Buckeridge está trabalhando. “Temos tentado suprimir a formação de aerênquima na cana-de-açúcar. Tentamos, por exemplo, adicionar substâncias que inibem a sinalização do hormônio etileno (Tavares et al., 2018), que é bem conhecido por induzir a formação de aerênquima, mas ainda não poderia fazê-lo. Também tentamos aumentar um repressor da primeira etapa (degradação da pectina), o fator de transcrição scRAV1 (caracterizado por Tavares et al., 2019), mas descobriu que existem mecanismos que parecem “proteger” a formação do aerênquima, neste caso um micro RNA que tem como alvo o fator de transcrição.”

“É possível que o aerênquima seja importante também para a melhoria do crescimento da cana-de-açúcar, pois pode proporcionar oxigenação das raízes, independente de alagamento ou encharcamento. É bem conhecido pelos criadores que raízes mais profundas e de crescimento rápido melhoram a produção de cana-de-açúcar. O aerênquima pode ter sido selecionado cegamente pelos criadores, em busca de maior crescimento, produção de açúcar e biomassa.”

É a forma como o aerênquima se forma que os torna uma característica tão útil para estudar. A cana não cresce com esses canais de ar pré-formados. Em vez disso, há um processo de demolição dentro da planta à medida que ela cresce. O Prof. Buckeridge disse que isso já pode ser familiar para os leitores do Botany One. “A formação do aerênquima pode ser dividida em módulos (Crescer et al., 2014, Tavares et al., 2015). O fenômeno é descrito em Leite et al. 2017, e um filme de sua formação dentro da raiz está disponível para download como material suplementar ou diretamente do Botany One. O primeiro passo é a sinalização. Provavelmente uma única célula do córtex “sente” o equilíbrio entre etileno (produzido localmente) e auxina (proveniente das folhas) e entra no segundo estágio que se caracteriza por duas características: separação celular (ataque de enzimas à lamela média) e expansão celular. Ao mesmo tempo, inicia-se a morte celular programada (veja também o artigo anterior no Botany One). À medida que as células morrem, elas produzem enzimas sincronicamente para modificar a composição da parede celular (Grandis et al., 2019), formando um composto (Leite et al., 2017) que se torna gradualmente recalcitrante às hidrolases (Crescer et al., 2019) e acabam criando canais que supostamente são impermeáveis ​​a gases e formam uma série de vias interligadas que conduzem o oxigênio pela raiz.

Ao examinar como as formas de aerênquima podem parecer esotéricas, é uma questão valiosa. Pode haver uma grande recompensa em entender como ele se forma. O Prof. Buckeridge disse: “Nosso artigo pode ser interessante para aqueles que gostariam de saber mais sobre como podemos manipular as plantas para produzir mais bioenergia a partir da biomassa vegetal. Para isso, é fundamental obter os açúcares de substâncias como a celulose. Ao quebrá-lo, produz-se glicose que pode ser dada à levedura que fermenta o açúcar e produz etanol. No entanto, isso é muito difícil porque as paredes celulares (o composto que fica do lado de fora de todas as células vegetais) são muito mais complicadas e possuem vários outros polímeros além da celulose. Nosso artigo descreve como os genes são ativados para produzir proteínas (enzimas) que podem quebrar esses polímeros. Isso faz parte de uma estratégia para fazer com que o canavial se comporte como uma fruta, tornando-se macio e fácil para a indústria obter os açúcares para a produção de etanol.”

Aprimorar esse processo de conversão de açúcares em etanol pode ajudar a reduzir as emissões de dióxido de carbono. O Prof. Buckeridge disse: “A cana-de-açúcar é uma das principais culturas de bioenergia do planeta. Além de ser a principal fonte de açúcar (sacarose) utilizado para fins alimentícios, é também uma das principais fontes de etanol para uso como biocombustível. A expansão da cana-de-açúcar no Brasil sem qualquer efeito na produção de alimentos ou na conservação de biomas, inclusive da floresta tropical, seria suficiente para deslocar até 6% da gasolina utilizada na usina e também diminuir as emissões de CO₂ em até 14% na base de 2014 (jaiswal et al., 2017). Para atingir objetivos como esse, precisaríamos usar não apenas os açúcares livres (sacarose) já disponíveis nos tecidos da cana, mas também obter os açúcares das paredes celulares. Assim, um dos processos críticos para produzir etanol a partir da biomassa das plantas é chamado de hidrólise. Este último processo é necessário porque mais de 60% da massa (exceto água) de uma planta é composta por paredes celulares. É o que chamamos de Bioetanol de 2ª Geração (2G).

“Porque trabalhei toda a minha carreira (agora com 38 anos) com o processo endógeno de degradação da parede celular em sementes (Buckeridge et al., 2005), quando a questão da bioenergia ganhou destaque em meados da década de 2000, resolvi buscar processos de desenvolvimento na cana-de-açúcar onde as paredes celulares estavam sendo degradadas. Na época, um dos meus alunos de doutorado trabalhava com desenvolvimento de mamão. Estávamos observando processos bastante interessantes em que as células da fruta se separam (o cimento – lamela média – é degradado por enzimas) e a maciez da fruta madura entrega o sabor doce ao consumidor. Achei que talvez pudéssemos encontrar processos de desenvolvimento na cana-de-açúcar que seriam análogos ao que estudei em sementes e frutas e tentar usar isso para reestruturar a cana-de-açúcar para amolecer como uma fruta. A partir dessa época, batizei esse projeto de “cana de mamão”. Primeiro procuramos isso na senescência da folha, mas não encontramos nenhum sinal de modificação da parede celular (Martins et al., 2016). Continuamos procurando até encontrar o aerênquima. Ficamos impressionados porque todo o córtex das raízes desabou, deixando restos de paredes celulares. Meu grupo foi então direcionado para investigar o aerênquima da cana-de-açúcar em relação aos eventos associados às paredes celulares. A descrição do processo foi publicado em 2017 em Annals of Botany, e agora relatamos os mecanismos de expressão gênica, produção de proteínas e atividade enzimática envolvida na formação do aerênquima”.

“Juntamente com outros capítulos e artigos publicados (Grandis et al., 2014,  Buckeridge e De Souza, 2014, Tavares et al., 2015, e outros), estamos chegando perto do que deve ser a cana de mamão. Temos boas evidências de que um ataque às pectinas na lamela média (como acontece no fruto) é o que inicia o desenvolvimento do aerênquima e poderia fazer o trabalho de amaciar a biomassa da cana. Usando um fator de transcrição descoberto por Tavares et al. (2019), que controla a primeira etapa do processo, produzimos plantas geneticamente modificadas. Elas estão sendo analisadas para ver se podem estar próximas do que esperamos que seja a cana de mamão.”

Embora o artigo responda a algumas perguntas sobre como o aerênquima se forma, ainda há muito trabalho pela frente. O Prof. Buckeridge disse: “Um dos principais objetivos desta linha de pesquisa em meu laboratório é entender os mecanismos que podem ser usados ​​para controlar a hidrólise de paredes celulares para amolecer todo o corpo da planta de cana. Agora pensamos que isso pode ser feito desencadeando a primeira etapa da formação do aerênquima, ou seja, a separação celular. Só essa primeira etapa pode ser suficiente para ajudar a diminuir a demanda de energia para o processo de produção de bioetanol 2G a partir da cana-de-açúcar.”

“O segundo objetivo está relacionado à produção de hidrolases mais eficientes. Nosso trabalho contribui para o desenvolvimento de coquetéis enzimáticos específicos para a hidrólise da celulose e hemiceluloses da cana-de-açúcar, de modo que a biomassa triturada possa ser pré-tratada e hidrolisada com mais facilidade. A ideia é que as hidrolases da parede celular produzidas pela planta contra suas próprias paredes celulares possam ser mais eficientes em um processo industrial. De uma coleção de aproximadamente 1,200 enzimas diferentes relacionadas à parede celular da cana-de-açúcar que encontramos até o momento (a serem publicadas), utilizamos o conhecimento adquirido com os estudos que realizamos sobre o aerênquima da cana-de-açúcar para selecionar duas enzimas candidatas. Clonamos e caracterizamos esses genes (uma endopoligalacturonase e uma alfa-arabinofuranosidase) e os expressamos heterologamente em levedura. Essas enzimas estão sendo caracterizadas e pretendemos adicioná-las aos coquetéis enzimáticos utilizados na indústria e testar a hipótese de que a eficiência aumentaria com enzimas vegetais.”

“Um dos principais desafios que enfrentamos, e ainda enfrentamos, é a falta de uma sequência completa do genoma da cana-de-açúcar. Mas isso tem avançado bastante recentemente, e agora temos acesso a rascunhos do genoma que estão ajudando a obter sequências completas, promotores e muitos outros detalhes das enzimas. Já temos uma lista de 29 hidrolases da cana-de-açúcar que parecem ser boas candidatas para serem usadas como aditivos em coquetéis enzimáticos comerciais. Com as sequências completas obtidas do genoma e a subsequente expressão heteróloga dessas enzimas em microrganismos, os coquetéis enzimáticos poderiam ser significativamente aprimorados. Outra via seria a ativação de consórcios enzimáticos dentro dos tecidos da cana-de-açúcar para promover a endo-hidrólise, de modo que o processo industrial pudesse se tornar independente de pré-tratamentos. Para atingir esse objetivo, precisaríamos “instalar” um sistema de formação de aerênquima em outros órgãos da planta da cana-de-açúcar. À medida que reunimos ferramentas e compreendemos os mecanismos, acredito que este seja um desafio empolgante da biologia sintética para o futuro próximo.”