A biologia sintética na produção sustentável de biocombustíveis

Abstract

Preocupações crescentes com a dependência de combustíveis fósseis instigaram a demanda pela produção de biocombustíveis a base de culturas agrícolas, maximizando a concorrência por terras agricultáveis e modificando o seu uso. Tais mudanças podem impactar significativamente na segurança alimentar e nas condições ambientais das futuras gerações. Pensando em uma economia baseada em recursos renováveis, a produção de bens e mercadorias não devem impactar na produção de alimentos e nem causar degradação ambiental ou consequências socioeconômicas negativas. Na tentativa de superar tais desafios, novas possibilidades biotecnológicas pautadas no uso de abordagens de biologia sintética estão sendo consideradas para suprir a demanda por alimento e energia a longo prazo. Apesar de recente, a biologia sintética está revolucionando as diferentes cadeias industriais. Na produção de biocombustíveis, os avanços ferramentais em microrganismos contribuem significativamente para esse progresso a partir de matérias-primas não alimentares que não contenham amido ou açúcares em sua formulação. Além de aliviar as preocupações em relação ao meio ambiente, a sustentabilidade e a segurança alimentar e energética, a biologia sintética pode inaugurar uma nova bioeconomia, a base de biomassa. Novos produtos químicos e materiais atualmente fabricados a partir do petróleo poderão ser produzidos a partir dessa matéria-prima. No entanto, ainda há muitas dúvidas acerca das novas direções científicas e tecnológicas das ferramentas de biologia sintética em microrganismos para a produção de biocombustíveis e quais serão seus impactos em uma economia de base biológica. Visando aproximar o trabalho desenvolvido por inúmeros pesquisadores sintéticos à realidade brasileira, primeiramente analisamos a literatura científica (Capítulo 4) mapeando seu desenvolvimento científico e seus impactos. Considerando os últimos vinte anos (1999-2018), capturamos e visualizamos o domínio científico (países, instituições e autores) e as possibilidades tecnológicas emergentes. Por ser um espaço de pesquisa altamente tecnológico, inúmeras empresas estão surgindo circunscritas pela biologia sintética e orientadas para a produção de combustíveis e químicos renováveis, o capitulo 5 se propõe a fornecer uma visão geral dos caminhos, aplicações e tendências em biologia sintética relacionadas a etanol celulósico mediante a análise de patentes. Nessa análise, diferentes indicadores geopolíticos, mercadológicos e análise de conteúdo forneceram uma visão geral dos esforços de P&D para o campo analisado. Os dados obtidos (Capítulo 4 e 5) nos permitem inferir que as abordagens de biologia sintética aplicadas a produção de biocombustíveis vêm evoluindo nos últimos anos. Diferentes abordagens e ferramentas baseadas em omics, engenharia de genoma, engenharia genética e metabólica está sendo empregadas no desenvolvimento de microorganismos para torná-los fábricas vivas robustas as atividades industriais necessárias a produção de biocombustíveis. Destacamos ainda que as abordagens de biologia sintética reverberam o conceito de bioeconomia na busca pelo desenvolvimento de novas formas de produção de bioenergia e no desenvolvimento de novos produtos com maior valor agregado, utilizando recursos biológicos renováveis como matéria-prima.

Increasing concerns about dependence on fossil fuels instigated the demand for the production of biofuels based on agricultural crops, maximizing competition for agricultural land and modifying its use. Such changes can significantly impact food security and the environmental conditions of future generations. Thinking of an economy based on renewable resources, the production of goods and commodities should not impact on food production nor cause environmental degradation or negative socioeconomic consequences. In an attempt to overcome these challenges, new biotechnological possibilities based on the use of synthetic biology approaches are being considered to supply the demand for food and energy in the long term. Although recent, synthetic biology is revolutionizing different industrial chains. In the production of biofuels, tooling advances in microorganisms contribute significantly to this progress from non-food raw materials that do not contain starch or sugars in their formulation. In addition to alleviating concerns about the environment, sustainability and food and energy security, synthetic biology can usher in a new bioeconomy, based on biomass. New chemicals and materials currently made from petroleum may be produced from this raw material. However, there are still many doubts about the new scientific and technological directions of synthetic biology tools in microorganisms for the production of biofuels and what will be their impacts on a bio-based economy. To bring the work developed by countless synthetic researchers closer to the Brazilian reality, we first analyzed the scientific literature (Chapter 4) mapping its scientific development and its impacts. Considering the last twenty years (1999-2018), we capture and visualize the scientific domain (countries, institutions, and authors) and the emerging technological possibilities. Because it is a highly technological research space, numerous companies are emerging circumscribed by synthetic biology and oriented towards the production of renewable fuels and chemicals, chapter 5 proposes to provide an overview of the paths, applications, and trends in synthetic biology related to ethanol cellulosic by analyzing patents. In this analysis, different geopolitical, market and content analysis indicators provided an overview of R&D efforts for the analyzed field. The data obtained (Chapters 4 and 5) allow us to infer that synthetic biology approaches applied to the production of biofuels have been evolving in recent years. Different approaches and tools based on omics (metagenomics, metaproteomic, metabolomics), genome engineering, genetic and metabolic engineering are being employed in the development of microorganisms to make them robust living plants and the industrial activities necessary for the production of biofuels. We also highlight that synthetic biology approaches reverberate the concept of bioeconomy in the search for the development of new forms of bioenergy production and the development of new products with greater added value, using renewable biological resources as raw material.