Subprojeto 2 – Lignina

Participantes: Paulo Mazzafera do Instituto de Biologia. Colaboração com X. S. Xie de Harvard.

Lignina, um componente da parede celulare de vegetais, é um polímero fenólico altamente complexo que confere rigidez a toda a estrutura da planta. Lignina é o segundo composto orgânico mais abundante na Terra, após a celulose. As plantas se mantêm eretas devido à lignina nos tecidos vasculares, principalmente no xilema, que é responsável pelo transporte de água que mantém a planta viva. Além disso, a lignina tem um papel fundamental no controle dos patógenos vegetais por conta da natureza tóxica dos compostos fenólicos polimerizados. Apesar de seus benefícios para a planta, a lignina tem representado um dos maiores problemas na utilização do bagaço de cana de açúcar para a produção de etanol. De fato, a criação de uma nova indústria para produzir etanol em larga escala baseada nesse resíduo da cana de açúcar, chamado de combustível lignocelulósico, demandará um enorme conhecimento de áreas básicas e aplicadas. Um dos pontos principais a ser estudado é que a celulose é um substrato recalcitrante para a bioconversão em etanol e microorganismos geneticamente modificados serão necessários, uma vez que não se conhece hoje fermento capaz de converter lignocelulose em açúcares simples e daí em etanol. Além disso, as linhagens de fermentos utilizadas atualmente na produção do etanol não são eficientes para a fermentação de outros açúcares além da glicose, e baixas concentrações de etanol matam esses microorganismos. A lignina inibe a hidrólise enzimática dos carboidratos presentes na parede celular e, até o momento, só pode ser removida através de pré-tratamentos químicos corrosivos. Lignina também representa um problema na indústria de celulose para fabricação de papel. Dois métodos são utilizados para obter a celulose da madeira, mecânico e químico. O método mecânico é utilizado na produção de papel de baixa qualidade. O método químico é utilizado na produção de papel de alta qualidade e emprega a hidrólise e solubilização da lignina com altas temperaturas e pHs extremos. O método químico mais usado é o método de Kraft, no qual cavacos de madeira são sujeitos a altas temperaturas (150-170 oC) e tratamentos com hidróxido de sódio e sulfeto de sódio, após o que a maior parte de lignina é hidrolisada e solubilizada. Entretanto, isso ainda não é suficiente para remover toda a lignina e compostos branqueadores como cloro, hipoclorito e dióxido de cloro são utilizados para reduzir a lignina a níveis muito baixos. Após todos esses tratamentos vários compostos na forma de gases ou líquidos tóxicos são liberados como resíduos, que devem ser desativados através de processos caros, antes do descarte no ambiente. Devido a sua estrutura rígida muito pouco se sabe sobre a estrutura organizacional da lignina, especialmente relacionada às reações químicas que ocorrem entre seus componentes. Lignina é feita de três compostos: os álcoois cumaril, (álcool 4-hidroxi-cinamil), coniferil e sinapil, referidos como a unidade hidroxifenil, a unidade guaiacil e a unidade siringil, respectivamente. Eles diferem principalmente no grau de hidroxilação e metilação dos anéis de benzeno, o que permite uma série de reações covalentes entre as moléculas, tornando a estrutura final muito complexa. Embora esses compostos predominem nas ligninas vegetais, dependendo da fisiologia da planta e de estresses bióticos e abióticos, outros compostos fenólicos podem também ser polimerizados. O objetivo desse sub-projeto é utilizar as técnicas de microscopia avançada incluindo microdissecção a laser e microfilmagem de alta velocidade para entender a organização da lignina e estudar a composição química das mesmas, em cana de açúcar e eucalipto. Lignina tem uma banda Raman em 1600 cm-1 relacionada com o estiramento dos anéis aromáticos não presente na celulose. O Prof. Xie utilizou essa diferença para a aquisição de imagens seletivas desses dois componentes através de CARS. Seu envolvimento na área vem de um projeto com o DOE [Department of Energy] dos EUA para estudar a lignina de milho1. Ele esteve recentemente no Brasil onde proferiu seminários na UNICAMP e na USP e demonstrou grande interesse em colaborar com os brasileiros nessa área. Acreditamos, entretanto, que a integração da técnica CARS com SHG/THG e de fluorescência, incluindo FLIM, tragam uma riqueza de informação muito superior a de qualquer uma dessas técnicas isoladamente. Microespectroscopia Raman pode discriminar os diferentes componentes da lignina e a utilização de TERS seria especialmente adequada para entender a estrutura das ligninas no nível nano.