Engineering Cupriavidus necator for medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production under two-stage fed-batch fermentation

Plásticos que se decompõem naturalmente no meio ambiente têm sido há muito tempo um objetivo para cientistas que buscam substituir os materiais persistentes que entopem aterros sanitários e oceanos. Entre os candidatos mais promissores estão uma família de plásticos biodegradáveis chamados polihidroxialcanoatos, ou PHAs. Estes não são produtos químicos sintéticos fabricados em laboratório, mas sim materiais de armazenamento naturais que certas bactérias produzem quando têm mais comida do que precisam. Pense nessas bactérias como minúsculas fábricas que estocam energia na forma de grânulos de plástico dentro de suas células. As propriedades do plástico resultante dependem fortemente dos blocos de construção, ou monômeros, que compõem a cadeia. Blocos de construção mais curtos criam um material rígido e quebradiço que quebra facilmente, enquanto blocos mais longos introduzem flexibilidade e elasticidade, tornando o plástico mais parecido com a borracha. Por décadas, pesquisadores lutaram para fazer com que as bactérias mais eficientes produzissem esses blocos mais longos e flexíveis, limitando a gama de aplicações para esses materiais ecológicos.

Uma equipe de pesquisadores da Agência Nacional de Desenvolvimento de Ciência e Tecnologia da Tailândia deu um passo significativo para resolver este problema. Eles trabalharam com uma bactéria bem conhecida chamada Cupriavidus necator, famosa por sua capacidade de transformar vários produtos de resíduos em plástico. No entanto, esta bactéria nativa produz naturalmente apenas os blocos de construção curtos e quebradiços. Para mudar isso, os cientistas modificaram a bactéria adicionando um gene específico de um tipo diferente de bactéria, a Pseudomonas putida, conhecida por sua capacidade de montar os blocos mais longos e flexíveis. Esta modificação genética criou uma nova linhagem, que os pesquisadores nomearam mcl-C19. Quando esta nova linhagem foi alimentada com uma mistura de melaço e óleo de cozinha usado, começou a produzir um plástico híbrido contendo tanto os blocos curtos e rígidos quanto os mais longos e flexíveis. Esta combinação resultou em um material com uma gama mais ampla de propriedades, potencialmente tornando-o útil para muito mais aplicações do que as versões quebradiças produzidas pelas bactérias originais.

Os pesquisadores não pararam apenas em criar a nova linhagem; eles também desenvolveram uma estratégia de alimentação específica para maximizar a produção. As bactérias precisam de uma dieta equilibrada para crescer suas células, mas só começam a estocar plástico quando são privadas de certos nutrientes enquanto ainda têm bastante carbono. Para explorar isso, a equipe utilizou um processo de dois estágios. No primeiro estágio, alimentaram as bactérias com uma mistura rica em nutrientes para ajudá-las a se multiplicar rapidamente e construir uma grande população. Uma vez que a população estava alta, eles mudaram para o segundo estágio, onde adicionaram pulsos de comida rica em carbono — especificamente melaço e óleo de palma usado — sem adicionar nitrogênio extra. Isso criou um ambiente desequilibrado que forçou as bactérias a desviar sua energia para a fabricação de plástico em vez de crescer novas células. Ao controlar cuidadosamente este processo em um grande tanque, as bactérias modificadas acumularam uma quantidade massiva de plástico, atingindo uma concentração de 13 gramas por litro, o que representava quase metade do peso total das células.

O que torna este feito particularmente notável é a diversidade do plástico produzido. As bactérias modificadas não criaram apenas um tipo de bloco longo; elas criaram uma mistura complexa contendo seis tipos diferentes de blocos de construção, variando de cadeias curtas de quatro átomos de carbono a cadeias mais longas de dez. A mistura específica desses blocos mudava dependendo de como as bactérias eram alimentadas. Quando os pesquisadores usaram um processo de lote simples onde tudo era adicionado de uma vez, o plástico tinha uma composição. Quando usaram o método de alimentação por pulsos de dois estágios, as proporções dos diferentes blocos mudaram. Isso sugere que os cientistas podem ajustar as propriedades físicas do plástico — tornando-o mais rígido ou mais elástico — simplesmente ajustando o cronograma de alimentação e o tipo de alimento de resíduo usado. O estudo confirmou que o uso de uma mistura de melaço e óleo de palma usado era a maneira mais eficaz de gerar os desejados blocos de cadeia longa, com a nova linhagem produzindo quatro vezes mais desses componentes flexíveis do que a linhagem parental não modificada.

O trabalho também demonstrou que este processo pode ser escalonado de pequenos frascos para grandes biorreatores industriais sem perder a eficiência. Os resultados em um tanque de dois litros foram quase idênticos aos de recipientes menores, indicando que o método é robusto o suficiente para produções maiores. Embora a quantidade de plástico produzida tenha sido alta, os pesquisadores observaram que a porcentagem do peso celular composta por plástico ainda poderia ser melhorada. Eles reconheceram que novos ajustes genéticos poderiam ser necessários para impulsionar as bactérias a converter ainda mais de seus recursos em plástico em vez de outros componentes celulares. No entanto, os resultados atuais mostram que, ao combinar uma mudança genética simples com uma estratégia de alimentação inteligente, é possível transformar materiais de resíduos comuns em um plástico biodegradável versátil, com propriedades que podem ser adaptadas para necessidades específicas. Esta abordagem oferece um caminho prático para uma economia de base biológica onde a produção de plástico depende de recursos renováveis e gera materiais que podem retornar com segurança ao meio ambiente.