DELFIM MARTINSCampo experimental de caña de azúcar de Usina da Barra, en barra Bonita (São Paulo), en el año 2000DELFIM MARTINS
Investigadores de las Universidades de São Paulo (USP) y Estadual de Campinas (Unicamp) identificaron en 2011, alrededor de 10,8 gigapares de bases de ADN de la caña, 33 veces el producto de los dos años del proyecto Genoma Caña, concluido en 2001, que mapeó los genes expresados de la planta. El resultado forma parte de dos proyectos temáticos, coordinados por la bióloga molecular Glaucia Souza y la genetista Marie-Anne Van Sluys, docentes de la USP, cuya conclusión está prevista para 2013, y que buscan mapear los genes de la caña de azúcar. Dada la complejidad del genoma, ya se organizaron 300 regiones en tramos mayores a 100 mil bases, que contienen entre 5 y 14 genes contiguos de caña. Los investigadores pretenden ir más allá del Genoma Caña tanto en cantidad de datos como en las preguntas sobre cómo funciona el genoma de la planta que se transformó en sinónimo de energía renovable. Estudios realizados con gramíneas tales como el sorgo y el arroz revelaron que para aumentar la productividad de las plantas es necesario conocer cómo controlar la actividad de los genes, una función realizada por los tramos de ADN conocidos como promotores.
Esta investigación es un ejemplo de cómo el conocimiento sobre la caña de azúcar y el etanol ha avanzado en los últimos 15 años, con el apoyo de la FAPESP. Desde el proyecto Genoma Caña, que mapeó los genes expresados de la caña de azúcar entre 1998 y 2001, hasta el Programa FAPESP de Investigación en Bioenergía (Bioen), iniciado en 2008, y del cual Glaucia es coordinadora, la Fundación ha venido patrocinando un gran esfuerzo de investigación que articula a investigadores de varios campos del conocimiento, enfocados en perfeccionar la productividad del etanol brasileño y avanzar en ciencia básica y tecnología relacionadas con la generación de energía a partir de biomasa.
Luego de tres años de existencia, los resultados del Bioen son palpables y variados. Un proceso innovador para la producción de bioquerosén a partir de varios tipos de aceites vegetales, fue desarrollado en la Facultad de Ingeniería Química (FEQ) de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). Después de su extracción y refinado, el aceite se coloca en un reactor junto con una cantidad determinada de etanol y un catalizador, responsable por acelerar las reacciones químicas. “El mayor aporte del proceso de obtención del bioquerosén son los altos índices de pureza del producto final”, dijo Rubens Maciel Filho, profesor de la FEQ y coordinador del estudio.
Otro aporte de Maciel es un proyecto que apunta a crear compuestos de alto valor económico a partir de sustratos de la caña. Dicho proyecto ha venido arrojando buenos resultados en la producción de ácido acrílico y ácido propanoico a partir del ácido láctico. “Es posible desarrollar productos con valores 190 mil veces mayores que el del azúcar”, dice Maciel.
La experiencia en genómica de la genetista Marie-Anne Van Sluys, de la USP, la condujo a liderar un proyecto cuyo objetivo es generar un secuenciamiento parcial de dos cultivares de caña (R570 y SP80-3280) y aportar al desarrollo de herramientas moleculares capaces de ayudar en la comprensión de este genoma. Uno de los objetivos es el estudio de los denominados elementos de transposición, que son regiones del ADN que pueden transferirse de una región a otra del genoma, dejando o no una copia en el antiguo lugar donde se encontraban. “Programas de mejora también podrán beneficiarse mediante el acceso a informaciones moleculares con potencial para el desarrollo de marcadores”, dice Marie-Anne.
Un proyecto liderado por Ricardo Zorzetto Vêncio, de la Facultad de Medicina de Ribeirão Preto en la USP, desarrolló la versión piloto de un software para intentar caracterizar las funciones de los genes de la caña de azúcar. Este abordaje resulta innovador ya que no se limita a atribuir a una secuencia de genes de un organismo las funciones ya observadas en una secuencia similar de otro ser vivo. La idea es utilizar algoritmos que contemplen la incertidumbre presente en esa asociación. “En lugar de decir simplemente que un gen cuenta con una función específica, queremos expresar cuál es la probabilidad de que cumpla esa función y, en ese cálculo, tomar en cuenta diferentes evidencias, tales como la relación evolutiva con otros genes, o si se cuenta con algún experimento que confirme la función”, dice Vêncio. Augusto Garcia, profesor de la Escuela Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq), de la USP, está desarrollando un software que apunta a la utilización de marcadores genéticos en programas de mejoría, aprovechando la genética y la fisiología de la caña de azúcar. “Ésa es una de las grandes expectativas de la obtención de variedades más rápidamente”, dice Glaucia Souza. Cada año, el Centro de Tecnología Cañera (CTC) realiza pruebas con un millón de plantines en busca de plantas más productivas. Se demora 12 años para que surjan dos o tres variedades prometedoras.
Estudios realizados por André Meloni Nassar, director general del Instituto de Estudios del Comercio y Negociaciones Internacionales (Icone), avanzaron también en la utilización de modelos económicos destinados a evaluar las modificaciones en el uso de la tierra causadas por la producción en gran escala de biocombustibles. En tanto, en la búsqueda del etanol de celulosa, uno de los destacados es un proyecto que evalúa cómo es posible romper la resistencia de las paredes celulares de vegetales lignificados, tales como la caña, por medio de la hidrólisis enzimática. La lignina es una macromolécula que se encuentra en plantas, asociada a la celulosa en la pared celular, cuya función es conferir rigidez y resistencia. El desafío reside en romperla para obtener etanol de celulosa. “Para comprender de qué modo la remoción de la lignina puede disminuir la resistencia de las paredes celulares, se han evaluado, aparte de variedades comerciales, híbridos de caña con disímiles tenores de lignina”, dice Adriane Milagres, docente de la Escuela de Ingeniería de Lorena, en la USP, una de las coordinadoras del proyecto. “Cuando los materiales son tratados con métodos selectivos, la remoción de un 50% de la lignina original ya eleva el nivel de conversión de la celulosa hasta un 85-90%”.
Desde sus primeros años, la FAPESP sustentó iniciativas que crearon masa crítica para el esfuerzo reciente. Un ejemplo de ello fue la creación, en 1968, del Laboratorio de Biotecnología Industrial de la Escuela Politécnica de la USP. Desde la década de 1940, la Poli había montado una central piloto para la producción de etanol por fermentación, pero faltaban reactores de pequeño porte y equipamientos que permitieran la realización de trabajos más completos. Otro aporte de la Fundación fue el Programa Bioq-FAPESP, presentado en 1972 (lea en Pesquisa FAPESP, edición Nº 185). Al capacitar recursos humanos en el campo de la biotecnología, abrió el camino para la tarea de secuenciar el genoma de varios organismos en los años 1990 y 2000, entre ellos el de la caña. “Tanto el Bioq-FAPESP, en los años 1970, como el Programa Integrado de Genética, del CNPq, en los años 1980, son los pilares del esfuerzo actual”, dice Marie-Anne Van Sluys, profesora del Instituto de Biociencias de la USP y una de las coordinadoras del Bioen.
Un gran avance en el interés por la investigación en caña y etanol sobrevino en abril de 1999, con el advenimiento del Genoma Caña, cuya denominación oficial era Programa FAPESP Sucest (Sugar Cane Est). El proyecto, que mapeó 250 mil fragmentos de genes funcionales de la caña, se caracterizó por la interacción con el sector privado, una impronta del esfuerzo de la investigación en bioenergía hasta los días actuales. Paulo Arruda, profesor de la Unicamp, recuerda que fue invitado para conducir el proyecto luego de que la Cooperativa de los Productores de Azúcar y Alcohol del Estado de São Paulo (Copersucar) consultara a dirección científica por parte de la FAPESP y propusiera una asociación entre universidades e industria para el mapeo del genoma de la caña. “El profesor José Fernando Perez, director científico en la época, me preguntó qué me parecía. Sostuve que la caña presenta un genoma muy complejo y le sugerí el mapeo de los fragmentos funcionales del genoma”, dice Arruda, quien actualmente es uno de los coordinadores del área de Investigación para Innovación de la FAPESP. La caña es un organismo poliploide: cada cromosoma presenta entre 6 y 10 copias, no siempre idénticas. Esa peculiaridad llevó a que se desestimase el secuenciamiento completo del genoma.
Desafíos y talentos
El Genoma Caña demandó dos años y medio, agrupando a 240 investigadores y contó con financiación de 4 millones de dólares por parte de la FAPESP y otros 400 mil dólares provistos por la Copersucar. “El proyecto fue realmente innovador. Desarrollado por gente muy joven, que contaba con mayor facilidad para lidiar con la tecnología que los investigadores más experimentados, el Genoma Caña demostró la posibilidad de identificar grandes desafíos y conjugar talentos para resolverlos”, afirma Arruda. Fundamentalmente, originó el esfuerzo, aún en curso, por profundizar el conocimiento sobre el metabolismo de la caña para obtener con mayor rapidez variedades más productivas y resistentes a la sequía y a los suelos pobres.
La conclusión del Genoma Caña no disminuyó el interés de los investigadores y de la industria por seguir en busca de conocimiento sobre la planta. Después de 2003, Glaucia Souza asumió la coordinación del Sucest e inició el Proyecto Sucest-FUN, dedicado al análisis de los genes de la caña. La identificación de los 348 genes asociados al tenor de sacarosa se concretó mediante un proyecto entre el CTC, la Usina Central de Alcohol Lucélia e investigadores de la USP y Unicamp, en un proyecto encabezado por Glaucia. Otro importante proyecto fue la identificación de marcadores moleculares a partir de las secuencias del Sucest, bajo el liderazgo de la investigadora Anete Pereira de Souza, del Instituto de Biología de la Unicamp. “Los proyectos de Glaucia y Anete constituyeron dos modelos, porque demostraron que existe una comunidad preparada para abocarse al tema. Los avances posibilitaron mapear el Genoma de la Caña, algo imposible en la época del Sucest”, dice Marie-Anne.
Simultáneamente, aumentaba el interés de las empresas por la investigación en bioenergía. En 2006, la FAPESP, en un trabajo conjunto con el BNDES, firmó un convenio con Oxiteno, del grupo Ultra, para el desarrollo de proyectos cooperativos en que se investiga desde el proceso de hidrólisis enzimática del bagazo de la caña para la obtención de azúcares hasta la producción de etanol de celulosa. Al año siguiente, Dedini Indústrias de Base selló un convenio con la FAPESP para la financiar proyectos referentes a técnicas de conversión del bagazo de caña en etanol. A comienzos de 2008, la FAPESP y Braskem también establecieron un convenio para el desarrollo de biopolímeros. Dos empresas de biotecnología, formadas en buena medida por investigadores vinculados con el Programa Genoma de la FAPESP, Alellyx y Canavialis, fueron adquiridas al final de 2008 por la multinacional Monsanto, que las transformó en su plataforma mundial de investigación en caña de azúcar. Paulo Arruda, quien dirigió el programa Genoma de la Caña, trabajaba en Alellyx.
Maíz subsidiado
La creciente importancia económica de la caña dio impulso al interés de los investigadores. Brasil cosechó en la zafra de 2009, 569 millones de toneladas de caña, casi el doble de la cosecha de 1999, según datos de la Unión de la Industria de la Caña de Azúcar (Unica). La mitad de la producción se transformó en etanol – el equivalente a 27 millones de litros –, lo cual posiciona a Brasil como el segundo productor mundial del combustible. El primer lugar le corresponde a Estados Unidos, que extrae etanol de maíz a costa de abrumadores subsidios. São Paulo acaparó el 60% de la producción nacional. La mejora de la productividad ha sido superior al 3% anual durante los últimos 40 años, como resultado del mejoramiento genético de la caña. El etanol hizo de Brasil un ejemplo único de país que sustituyó el uso de gasolina en gran escala. En el estado de São Paulo, un 56% de la energía proviene de fuentes renovables, siendo un 38% proveniente de la caña.
Para articular los esfuerzos existentes e impulsar vertientes de investigación aún incipientes, la FAPESP lanzó en julio de 2008 el Programa Bioen. Uno de sus objetivos consiste en superar los escollos tecnológicos y amplificar todavía más la productividad del etanol de primera generación, producido a partir de la fermentación de la sacarosa. Otra consigna es participar en la carrera internacional por obtener etanol de segunda generación, producido a partir de la celulosa. El programa consta de cinco vertientes. Una de ellas es la investigación con biomasa, con el objetivo de mejorar la caña. La segunda es el proceso de fabricación de biocombustibles. La tercera está vinculada con aplicaciones del etanol para motores de automóviles y aviones. La cuarta se relaciona con estudios al respecto de biorrefinerías, biología sintética, sucroquímica, y alcoholquímica. Y la quinta, se enfoca en los impactos sociales y ambientales ocasionados por el uso de biocombustibles.
Una escisión del Bioen, fue la creación, en 2010, del Centro Paulista de Investigación en Bioenergía. Se trata de un esfuerzo por estimular la investigación interdisciplinaria y ampliar el contingente de investigadores involucrados con el tema, sostenido por la FAPESP, el gobierno del estado de São Paulo y las tres universidades estaduales paulistas. Mediante dicho convenio, el gobierno provee recursos para la USP, la Unicamp y la Unesp, que se utilizarán para la construcción de laboratorios, reformas y compra de equipamientos. Las universidades se ocupan de contratar mayor cantidad de investigadores en diversas áreas de la bioenergía. La FAPESP, en tanto, asumió la misión de seleccionar y financiar los proyectos vinculados con el centro. “Actualmente, las tres universidades están organizando los pliegos para la contratación de los primeros 17 investigadores del centro, que serán, 7 en las sedes de la USP, 5 en la Unicamp y 5 en la Unesp”, dice Luis Cortez, profesor de la Unicamp y coordinador del centro. Ese número se elevará a alrededor de 50, a medida que el gobierno vaya realizando nuevas inversiones. Un ejemplo de ello es el Centro de Biología Sintética y Sistémica de la Biomasa, en la USP, concebido en 2008 por Glaucia Souza, Marie-Anne Van Sluys y Marcos Buckeridge. Ese centro agrupará a investigadores de los institutos de Química, Matemáticas y Estadística, Biociencias, Ciencias Biomédicas, y de la Escuela Politécnica. La biología sintética combina biología e ingeniería para la construcción de nuevas funciones y sistemas biológicos. “La intención es invertir en un área en la que Brasil aún no cuenta con gran expertise, involucrando a investigadores de diversas disciplinas”, dice Glaucia Souza.
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