Optimization of carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa using sugarcane bagasse hydrolysate as carbon source and mutagen ethyl methanesulfonate for biosynthesis of antioxidant

No mundo dos alimentos e da medicina, a natureza fornece uma paleta vibrante de pigmentos que fazem mais do que apenas colorir o nosso mundo; eles o protegem. Entre estes estão os carotenoides, uma família de compostos antioxidantes encontrados em cenouras, tomates e muitas outras plantas. Estas moléculas atuam como um escudo para as células vivas, neutralizando substâncias nocivas que podem danificar os tecidos e contribuir para doenças crónicas. Durante décadas, os cientistas têm procurado formas de produzir estes valiosos compostos sem depender exclusivamente da colheita de culturas, que pode ser sazonal e intensiva em termos de uso de terra. Em vez disso, voltaram-se para o mundo microscópico, utilizando organismos minúsculos como leveduras e bactérias como fábricas vivas. Estes micróbios podem ser alimentados com açúcares simples e induzidos a produzir carotenoides em grandes quantidades, oferecendo uma alternativa sustentável que não compete com os suprimentos de alimentos. O desafio, no entanto, reside em encontrar uma fonte de alimento barata e abundante para estes micróbios e, depois, treiná-los para trabalhar mais arduamente, produzindo mais pigmento do que os seus homólogos naturais jamais poderiam.

Uma equipa de investigadores na Indonésia deu um passo significativo neste esforço ao transformar resíduos agrícolas num produto de alto valor. Eles focaram-se no bagaço de cana-de-açúcar, o resíduo fibroso que resta após o sumo da cana-de-açúcar ser espremido. Este material é abundante, com centenas de milhões de toneladas produzidas globalmente todos os anos, mas é frequentemente subutilizado. Os investigadores sabiam que o bagaço é rico em celulose, um açúcar complexo que pode ser decomposto em açúcares simples como a glucose, que a levedura adora comer. O objetivo deles era transformar este resíduo num meio de cultura para Rhodotorula mucilaginosa, uma levedura vermelha conhecida pela sua capacidade de produzir carotenoides. Para tornar o processo ainda mais eficiente, não se limitaram apenas à levedura natural; utilizaram uma ferramenta química para criar uma "superlevedura" mutante que produz muito mais pigmento do que a estirpe original.

A jornada começou com a preparação do resíduo de cana-de-açúcar. Os investigadores pegaram no bagaço seco e trataram-no com uma solução alcalina suave para afrouxar a sua estrutura resistente, tornando-a mais fácil de decompor. Em seguida, adicionaram uma enzima específica, a celulase, que atua como uma tesoura molecular, cortando as longas cadeias de celulose nos açúcares simples de glucose e xylose que a levedura precisa para sobreviver. Através de testes cuidadosos de diferentes concentrações químicas, identificaram a receita perfeita: um tratamento com 0,75 molar de hidróxido de sódio seguido de hidrólise com 20 gramas de enzima por litro. Esta combinação resultou num líquido rico em açúcares fermentáveis, contendo aproximadamente 27,34 gramas de glucose e 3,59 gramas de xylose por litro. Este caldo açucarado tornou-se a nova casa para a levedura, substituindo açúcares refinados e caros por uma alternativa renovável e de baixo custo.

Com a fonte de alimento pronta, os investigadores voltaram a atenção para a melhoria da própria levedura. Eles sabiam que a estirpe natural de Rhodotorula mucilaginosa era capaz, mas queriam levar os seus limites ao extremo. Para o fazer, expuseram as células de levedura ao etil metanosulfonato, um mutagénio químico que introduz pequenas alterações aleatórias no código genético do organismo. Pense neste processo como embaralhar o baralho de cartas no manual de instruções da levedura; a maioria dos embaralhamentos resulta numa mão sem mudanças ou num erro, mas ocasionalmente, um embaralhamento cria uma combinação vencedora. Eles testaram várias concentrações do produto químico, descobrindo que uma solução a 4 por cento era o ponto ideal. Era forte o suficiente para matar a vasta maioria das células — cerca de 97,6 por cento — garantindo que apenas os sobreviventes mais robustos permanecessem, mas suave o suficiente para deixar algumas colónias viáveis que sofreram alterações genéticas benéficas.

A partir dos sobreviventes deste desafio químico, os investigadores selecionaram sete colónias distintas para ver qual delas tinha melhorado mais. Eles cultivaram cada uma num caldo de nutrientes padrão e mediram quanto carotenoide produzia. Embora várias mutantes tenham mostrado promessa, uma estirpe, designada M7, destacou-se pela sua consistência e alto rendimento. Quando a equipa comparou este mutante com a levedura original, não modificada, a diferença foi impressionante. O mutante M7 produziu 33,12 microgramas de carotenoide para cada grama de biomassa de levedura seca, um aumento de 1,46 vezes em relação à estirpe nativa, que produzia apenas 22,64 microgramas por grama. Esta melhoria não foi apenas uma questão de ter mais pigmento dentro das células; o mutante também converteu o açúcar no caldo de bagaço em carotenoide de forma muito mais eficiente. Para cada grama de glucose consumida, o mutante rendeu 5,15 microgramas de carotenoide, enquanto a estirpe nativa rendeu menos de metade desse valor.

O desempenho do mutante estendeu-se também ao volume total de produção. No mesmo período de tempo, a estirpe M7 gerou uma concentração total de carotenoide de 66,80 microgramas por litro de líquido, quase o dobro dos 33,51 microgramas produzidos pela estirpe nativa. Isto traduziu-se numa velocidade de produção duas vezes mais rápida, com o mutante a criar 0,46 microgramas de carotenoide por litro a cada hora, comparativamente aos 0,23 da original. Para além dos números, os investigadores observaram que o mutante estava melhor adaptado ao ambiente da cana-de-açúcar. Enquanto a levedura nativa levou seis horas para se ajustar ao novo caldo antes de começar a crescer, o mutante M7 começou a multiplicar-se imediatamente, sugerindo que as alterações genéticas o tornaram mais resiliente e pronto para trabalhar.

Finalmente, a equipa testou se este aumento de produção resultava, de facto, num antioxidante mais poderoso. Eles utilizaram um teste padrão que mede a eficácia de uma substância em neutralizar radicais livres, uma função fundamental dos antioxidantes. O extrato do mutante M7 apresentou uma atividade de sequestro de radicais de 46,94 por cento, superior aos 35,75 por cento observados na estirpe nativa. No entanto, a análise estatística revelou que esta diferença não era significativa o suficiente para ser considerada uma melhoria definitiva sobre a original. Isto sugere que, embora o mutante tenha produzido mais carotenoide no total, a mistura específica de pigmentos que criou pode ter mudado. A levedura produz vários tipos de carotenoides, incluindo beta-caroteno, toruleno e torularodina, que têm diferentes forças como antioxidantes. É possível que o mutante tenha produzido mais de um tipo que é menos potente neste teste específico, ou que o aumento total de pigmento simplesmente não tenha sido suficiente para mostrar uma diferença estatística clara neste ensaio.

O estudo conclui que a combinação de resíduos agrícolas com a melhoria genética é um caminho viável para a produção sustentável de carotenoides. Ao utilizar o bagaço de cana-de-açúcar, os investigadores demonstraram que não são necessários açúcares caros de grau alimentar para alimentar estas fábricas microbianas. Ao utilizar a mutagénese química, mostraram que as estirpes naturais de levedura podem ser melhoradas para trabalhar mais arduamente e de forma mais eficiente. Embora o poder antioxidante do produto final exija estudos mais detalhados para compreender exatamente quais os pigmentos presentes, o processo em si oferece uma estrutura promissora. Transforma um resíduo num recurso valioso e cria um organismo mais produtivo, apontando para um futuro onde os pigmentos naturais podem ser produzidos de forma barata e sustentável sem sobrecarregar os sistemas alimentares do planeta.