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Tapa

Las vías para avanzar como líderes en etanol

La FAPESP presenta un programa destinado a dar impulso a la investigación en bioenergía

Eduardo CesarInvestigadores del estado de São Paulo están siendo convocados a participar en un gran esfuerzo de investigación destinado a incrementar la productividad del etanol brasileño y avanzar tanto en ciencia básica como en desarrollo tecnológico, todo ligado a la generación de energía a base de biomasa. El Programa FAPESP de Investigación en Bioenergía (Bioen), presentado el pasado día 3, tiene como ambición estimular y articular las actividades de investigación en instituciones paulistas, y perfeccionar la aptitud existente en el área. “Brasil tiene grandes ventajas en la producción de etanol de primera generación hecho con base en la fermentación de sacarosa, pero existen varios desafíos que debemos encarar para mejorar su productividad”, afirma el director científico de la FAPESP, Carlos Henrique de Brito Cruz. “También existen oportunidades importantes de desarrollo tecnológico del etanol de segunda generación, producido a partir de celulosa, que viene siendo objeto de investigaciones en muchos países. El Bioen actúa en ambos frentes”, afirma.

El programa tendrá cinco vertientes. Una de éstas es la de la investigación en biomasa, con foco en la mejora de la caña de azúcar. La segunda es el proceso de fabricación de biocombustibles. La tercera está vinculada a las aplicaciones del etanol para motores de automóviles. La cuarta está ligada a los estudios sobre biorrefinerías y alcoholquímica. Y la quinta se abocará a los impactos sociales y ambientales del uso de los biocombustibles. “El desafío consiste en establecer un nuevo modelo de investigación y desarrollo que promueva un impacto efectivo en la mejora de cultivares, en el incremento de la eficiencia de los procesos para la producción de etanol y en la evaluación del impacto que el uso de los biocombustibles puede generar en diversos sectores de la sociedad”, explica Glaucia Mendes Souza, investigadora del Instituto de Química de la USP y coordinadora del Bioen.

La convocatoria a la presentación de proyectos prevé inversiones por alrededor de 38 millones de reales, divididos entre la FAPESP (19 millones de reales) y el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) -10,2 millones de reales en becas y 8,8 millones de reales del Programa de Apoyo a los Núcleos de Excelencia, el Pronex. También se sellaron convenios en el ámbito del Bioen que articulan el esfuerzo de investigación con empresas y otras entidades. Uno de ellos es la primera convocatoria a la presentación de propuestas para el Convenio FAPESP/ Dedini de Apoyo a la Investigación de Procesos Industriales para la Fabricación de Etanol de Caña de Azúcar, que invertirá inicialmente 20 millones de reales en proyectos cooperativos involucrando a especialistas de la empresa y de universidades e instituciones de investigación paulistas. El Convenio FAPESP/ Dedini prevé inversiones del orden de los 100 millones de reales en cinco años, divididos en partes iguales por ambos socios.

Dedini no es la única empresa socia de la FAPESP en el campo de la investigación en biocombustibles. En 2006, la Fundación, en asociación con el BNDES, suscribió un convenio con Oxiteno, del Grupo Ultra, para el desarrollo de siete proyectos cooperativos en el marco de los cuales se investiga desde el proceso de hidrólisis enzimática del bagazo de la caña de azúcar para la obtención de azúcares hasta la bioproducción de etanol de celulosa. A comienzos de este año, la FAPESP y Braskem también establecieron un convenio para el desarrollo de biopolímeros. Además de los convenios con las tres empresas, también forma parte del Programa Bioen un pliego por valor de 5 millones de reales para el convenio entre la FAPESP y la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica de Minas Gerais (Fapemig) de investigación en biocombustibles. Por último, el programa también se ve beneficiado con el aporte de la FAPESP de 10 millones de reales para auxilios regulares y para el programa de Apoyo a Jóvenes Investigadores. El conjunto de convocatorias anunciado a comienzos de junio abarca inversiones por valor de 73 millones de reales.

El agronegocio de la caña de azúcar mueve 40 mil millones de reales por año en Brasil. La zafra 2007-2008 ascenderá a 547 millones de toneladas de caña de azúcar, un 15,2% mayor que la anterior. La mitad se destina a la fabricación de etanol, lo que hace de Brasil el segundo productor de ese combustible en el mundo. El primer lugar le cabe a Estados Unidos, que extrae etanol del maíz a costa de pesados subsidios. Dos terceras partes de la producción brasileña salen del estado de São Paulo. Se estima que Brasil tendrá que duplicar su  producción en un horizonte de 5 a 7 años si es que pretender suplir las demandas locales e internacionales de este combustible. Esto requerirá la construcción de nuevas centrales, la expansión de las áreas plantadas, mejoras en el manejo y principalmente incremento de productividad.

Una de las metas principales del Bioen consiste en crear conocimiento que contribuya a acelerar el desarrollo de nuevas variedades de caña de azúcar, capaces de promover ese avance. En São Paulo, el aumento de la productividad podrá alcanzarse mediante la producción de cultivares más ricos en sacarosa por ejemplo, toda vez que la expansión del cultivo tropieza en la escasa disponibilidad de tierras libres. En tanto, en la Meseta Central la expansión es más factible -existen áreas de gran potencial relevadas en el norte del estado de Tocantins y en el sur de Maranhão, Mato Grosso, Goiás y en la región conocida como Triângulo Mineiro. Lo que falta es desarrollar un conjunto mayor de variedades adaptadas a la oferta escasa de agua. “La disponibilidad de cultivares resistentes a la sequía será necesaria para la expansión del cultivo de caña en esta zona, pues eso viabilizará la utilización de pastajes y podrá disminuir la presión de la expansión sobre áreas de sabana y selvas”, dice Glaucia Souza. “Productores del nordeste también se beneficiarán con cultivares resistentes a la sequía que podrían aumentar significativamente la productividad de la región”, afirma.

Variedades de caña adaptadas a los diversos climas y suelos brasileños, altamente productivas y con alto tenor de azúcar o fibra, han venido desarrollándose desde hace años mediante técnicas tradicionales de mejoramiento genético. El Bioen apunta a ayudar a acelerar el desarrollo de esas variedades mediante la manipulación genética del metabolismo energético de las plantas cultivadas, generando así ventajas competitivas para la producción brasileña.

El punto de partida del Bioen fue la interacción de un grupo de investigadores que estudia fragmentos de genes funcionales de la caña, las llamadas etiquetas de secuencias expresadas (EST’s), en el ámbito del Programa FAPESP Sucest (Sugar Cane EST). Más conocido como Genoma Caña, este proyecto se realizó entre 1999 y 2003 y contó con la participación de alrededor de 240 investigadores liderados por el biólogo Paulo Arruda, con financiamiento de la FAPESP y de la Cooperativa de Productores de Azúcar y Alcohol del Estado de São Paulo (Coopersucar). “Llegamos a 238 mil EST’s, luego nos volcamos a la detección de los genes implicados, estudiamos las funciones asociadas e hicimos la matriz de tejidos para ayudar en la generación de plantas transgénicas más eficientes”, resume Glaucia Souza. “Ya tenemos 348 datos de genes asociados a la síntesis de sacarosa”, afirma.

Ahora uno de los desafíos de los investigadores consiste en identificar las regiones del genoma de la caña de azúcar que son responsables de regular la expresión de los genes mapeados por el Sucest. El conocimiento de la ubicación física de los genes y de la dosificación de sus variaciones (alelos), además del ambiente en que ellos se insertan, ayudará a ganar eficiencia en el uso de marcadores moleculares en la mejora del cultivo y en la transformación de plantas. La meta es que ese conocimiento ayude a acelerar el desarrollo de nuevas variedades, proceso que actualmente lleva al menos 10 años, volviéndolo más competitivo y barato. Los programas de mejora actuales parten de la selección de futuras variedades (genotipos) efectuada en el campo, a través de la evaluación de las características de interés presentes en cada genotipo. Este proceso se efectúa en miles de plantas todos los años, para ceñirse a algunas variedades con alto potencial. “La idea es reducir la cantidad de las plantas que se evalúan en el campo, utilizando datos de marcadores moleculares para seleccionar previamente variedades ligadas a genes de interés”, dice la ingeniera agrónoma Anete Pereira de Souza, coordinadora de estudio y profesora del Departamento de Genética y Evolución del Instituto de Biología e investigadora del Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (Cbmeg), ambos de Unicamp. “La detección de marcadores moleculares asociados a características de interés es sumamente importante para la orientación de los cruzamientos en el programa de mejora de caña”, afirma la investigadora Marie-Anne Van Sluys, profesora del Departamento de Botánica del Instituto de Biociencias de la USP. Tanto Anete cuanto Marie-Anne coordinarán investigaciones en el ámbito del Bioen. La tarea de detectar los marcadores moleculares, dígase de paso, está lejos de ser trivial. El genoma de la caña llega a ser tres veces mayor que el humano, con el agravante de que, en lugar de dos copias de cada cromosoma, hay hasta diez copias y éstas no son iguales.

Eduardo CesarEl Programa Bioen también procurará estudiar los mecanismos de defensa de la caña contra algunas de las principales plagas. La interacción entre la planta y los insectos es considerada un sistema dinámico, sujeto a continuas variaciones. “Las plantas desarrollaron diferentes mecanismos destinados a reducir el ataque de insectos, incluyendo respuestas específicas que activan diferentes vías metabólicas y alteran considerablemente sus características químicas y físicas”, dice Glaucia Souza. Por otro lado, los insectos desarrollaron estrategias destinadas a superar las barreras defensivas de las plantas, permitiendo su alimentación, desarrollo y reproducción en sus hospedadores. Uno de los objetivos específicos es estudiar el barrenador gigante de la caña de azúcar, una de las principales plagas del cultivo en la región nordeste y recientemente identificada en áreas de cultivo en el sudeste, además de entender la función de proteínas específicas de defensa de la caña de azúcar contra el ataque del barrenador.

Otro foco de estudios es la forma en que la caña de azúcar responderá a los cambios climáticos. Ese conocimiento podrá ayudar a desarrollar variedades más resistentes a eventuales aumentos de lluvia y de calor, además del esperado avance de las plagas. Es sabido que la alta concentración de gas carbónico produce un aumento de la fotosíntesis y del volumen de biomasa, lo que hace vaticinar un incremento de la productividad. “En cambio, poco se sabe acerca de los mecanismos de control hormonales, sus¬ relaciones con el metabolismo del carbono y las redes de transcripción génica a éste asociados”, dice Marcos Buckeridge, profesor del Departamento de Botánica del Instituto de Biociencias de la USP, quien también coordina el Bioen. “El conocimiento de dichos procesos tiene potencial de exponer qué puntos del metabolismo de la caña podrían alterarse para producir variedades con potencial de adaptación a los cambios climáticos”, afirma Buckeridge.  La búsqueda de fuentes para la producción de biocombustibles que no afecten a la naturaleza, tales como, por ejemplo, la obtención de etanol con base en polisacáridos de semillas de árboles autóctonas cultivadas en medio de plantaciones de caña, también será objeto de investigación. “Sistemas agroforestales pueden representar un nuevo modelo capaz de incrementar la producción de energía renovable de una  forma armónica y con beneficios sociales, sumada a un impacto ambiental mínimo”, afirma Buckeridge.

Solamente la sacarosa, responsable de un tercio de la biomasa de la caña, es aprovechada para la producción de azúcar y alcohol combustible. Es cierto que Brasil utiliza el bagazo de caña en la generación de energía en las centrales o en la producción de alimento para animales, y que esto redundó en una notable mejora de eficiencia. El gran desafío ahora es convertir celulosa en etanol. La celulosa que está en el bagazo y en la paja de la caña. Procesos de hidrólisis enzimática o fisicoquímica permitirían que las unidades de carbono de la celulosa y de la hemicelulosa fuesen también fermentadas. El dominio de las tecnologías de utilización de la celulosa está en el centro de la carrera mundial por la producción de energía a partir de fuentes renovables. Hoy en día ese proceso tiene costos muy elevados y está lejos de ser factible económicamente. Si los investigadores encuentran formas de reducir costos, el uso de los dos tercios de la celulosa de la caña podría a largo plazo ampliar dramáticamente la producción de etanol brasileño.

En el ámbito del Bioen, se estudiará la fisiología de las paredes celulares de la caña de azúcar. Las mismas están constituidas por celulosa, hemicelulosas y pectinas entrelazadas de tal forma que es sumamente difícil extraer con eficiencia la energía existente en sus ligaciones químicas. Se va a invertir en el conocimiento sobre cómo la pared está constituida para quizás alterar su  estructura y crear variedades en las cuales su degradación sea más sencilla. “Ya tenemos la composición y la estructura de los polisacáridos de la pared celular de las hojas, el tallo y las flores de la caña. Por lo tanto, sabemos qué ligaciones deben quebrarse para producir azúcar”, dice Buckeridge. “Tenemos también una lista de 469 genes relacionados con la pared celular y estamos profundizando los estudios destinados a comprender de qué manera algunas de las enzimas trabajan. Pero ésa es una tarea larga, pues tendremos no solamente que entender cómo trabaja cada enzima, sino también como trabajan conjuntamente. Nuestro objetivo a largo plazo es hacer que la planta en un determinado momento durante el desarrollo comience a degradar su  propia pared, de manera tal que después de ser cosechada sea más fácil terminar el proceso de hidrólisis utilizando enzimas de microorganismos”, afirmó el investigador.

Las investigaciones sobre de la obtención del etanol de celulosa involucran procesos físicos, químicos o biológicos -nadie sabe aún cuál de ellos será más eficiente. “Hasta hace dos años producir etanol en gran cantidad era un tema brasileño. Ahora, con el interés de los países desarrollados en esas tecnologías, tendremos competidores que nos obligan a incorporar mucho más ciencia avanzada”, dice Brito Cruz, director científico de la FAPESP, quien hace hincapié la importancia de invertir simultáneamente en el etanol tradicional y en el de celulosa. “La idea de que el etanol de segunda generación sería superior aún es controvertida. Sin lugar a dudas, éste será ventajoso para países que no logran producir etanol de primera generación. Las investigaciones indican que el etanol de primera generación seguirá siendo superior al de segunda generación durante muchos años. De cualquier manera el etanol de segunda generación será sumamente atractivo frente al costo actual del petróleo”, afirma.

Dedini, que selló una asociación con la FAPESP, ya desarrolló y patentó un proceso de obtención de etanol de celulosa y ahora pretende perfeccionarlo. “Es un gran privilegio poder contar con el conocimiento de los centros de investigación, para que juntos resolvamos problemas tecnológicos vinculados a la producción de etanol”, dice José Luiz Olivério, vicepresidente de Dedini. La convocatoria a la presentación de propuestas establece que, durante los próximos tres meses, investigadores podrán presentar proyectos en temas ligados al perfeccionamiento de procesos tradicionales tales como la producción de etanol o el uso de residuos de la caña para la generación de electricidad, y el desarrollo de procesos innovadores, tales como la obtención de etanol de celulosa mediante hidrólisis ácida o enzimática con costos competitivos. Las propuestas serán seleccionadas por un comité y los proyectos contemplados contarán con un seguimiento por parte de especialistas en investigación y desarrollo de Dedini.

La discusión sobre el eventual impacto del cultivo de etanol en la producción de alimentos, que tomó cuerpo en los últimos meses, podrá ser objeto de investigaciones en el marco de la quinta vertiente del programa, aquélla que analizará los impactos sociales y ambientales del avance de la producción de bioenergía. “Ya ha quedado ampliamente demostrado que eso es un equívoco, que los dos mayores causantes del incremento del costo de los alimentos son el alza del precio del petróleo, que afecta al transporte, y la elevación del consumo mundial causada por el desarrollo económico acelerado de China y la India”, dice Brito Cruz. “La preocupación del Bioen no se ciñe a ese debate coyuntural, sino al hecho de que hasta ahora el desarrollo de la agricultura en el mundo siempre fue pautado por la producción de alimentos, y ahora pasará a ser pautado también por la producción de energía para los automóviles. Eso probablemente mudará la lógica que gobierna la evolución de la agricultura en el mundo y sobre eso aún se sabe poco”, afirma.

Por último, el Bioen también pretende atraer y formar personal calificado para hacer investigación en bioenergía. La idea es crear condiciones para consolidar el liderazgo del estado en ese campo por medio de acciones que permitan el desarrollo de la investigación académica dentro de un patrón de competitividad internacional, ampliar la contribución de los institutos y centros que ya desarrollan investigaciones en el área y establecer una red de investigación en sociedad y en colaboración con empresas.

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