Ocorrente e recombinante, empregando

Fonte: AGRAWAL et al. (2011). 
 
2.8.2.  METABOLIZAÇÃO DA ARABINOSE 
Conforme  observado  no  item  2.4.3,  a  hemicelulose  é  principalmente 
composta  por  pentoses,  em  maior  proporção  a  xilose,  na  maioria  dos 
materiais lignocelulósicos,  no entanto,  a arabinose também se apresenta em 
níveis  significativos.  Parker  et  al.  (1995)  transformaram  a  linhagem 
ATCC39676  (pZB206),  inserindo  genes  de  metabolização  desta  pentose, 
alcançando  25  g/L  de  etanol;  contudo  relataram  dificuldades  na 
metabolização  deste  carboidrato,  relacionando-as  à  baixa  afinidade  da 
proteína  transportadora  com  os  mesmos.  Na  tabela  2.6  observa-se  a 
comparação  do  desempenho  de  diferentes  linhagens  recombinantes  de  Z. 
mobilis para a produção de etanol a partir da xilose e arabinose. 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
61 
Tabela 2.6. Comparação do desempenho de diferentes linhagens recombinantes de Z. mobilis para a produção de etanol. 
 
Linhagem 
Objetivo da T.G.  
Genes inseridos 
Fonte de Carbono 
Condições 
Etanol 
Referência 
Z. mobilis 
ZM4 (pZB5) 
Metabolização 
da xilose 
XI, XK, TAL, TKT 
Hidrolisado de trigo  
(6 g/L de glicose,  
16 g/L de xilose)  
+ 10 g/L de glicose 
Temperatura: 30
o
C 
pH: 5 
Tempo: 11 h 
11 g/L 
DAVIS  
et al. (2005) 
Z. mobilis 
CP4 (pZB5) 
Metabolização 
da xilose 
XI, XK, TAL, TKT 
15 g/L de glicose 
35 g/L de xilose 
Temperatura: 30
o
C 
pH: sem ajuste 
Tempo: 69 h 
24 g/L 
ZHANG  
et al. (2003) 
Z. mobilis 
ZW801-4 
Metabolização 
da xilose 
XI, XK, TAL, TKT 
100 g/L de glicose 
80 g/L de xilose 
Temperatura: 33
o
C 
pH: 5,8 
Tempo: 67 h 
7 g/L de acetato 
70 g/L 
CAIMI  
et al. (2011) 
Z. mobilis 
ZM4 
Metabolização 
da xilose 
XI, XK, TAL, TKT 
 
45 g/L de xilose 
 
Temperatura: 30
o
C 
pH: 5 
Tempo: 40 h 
1,2% ácido acético 
24 g/L 
CHEN  
et al. (2009) 
Z. mobilis 
8 b 
Metabolização 
da xilose 
XI, XK, TAL, TKT 
 
170 g/L de resíduo de 
papel + 1% (v/v) de 
hidrolisado de milho 
Temperatura: 37
o
C 
pH: 4,8 
Tempo: 5 dias 
C. E.: 10 FPU/g 
40 g/L 
ZHANG 
 et al. (2010) 
Z. mobilis 
ZM4 (pZB5) 
Metabolização 
da xilose 
XI, XK, TAL, TKT 
65 g/L de glicose 
65 g/L de xilose 
Temperatura: 30
o
C 
pH: 5 
Tempo: 48 h 
60 g/L 
JOACHIMSTHAL  
et al. (1999) 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
62 
Linhagem 
Objetivo da T.G.  
Genes inseridos 
Fonte de Carbono 
Condições 
Etanol 
Referência 
Z. mobilis 
ZM4 (pZB5) 
Metabolização 
da xilose 
XI, XK, TAL, TKT 
100 g/L de glicose 
100 g/L de xilose 
Temperatura: 30
o
C 
pH: 5,75 
Tempo: 48 h 
90 g/L 
AGRAWALL  
et al. (2011) 
Z. mobilis  
ATCC 39676 
Metabolização de 
xilose/  
arabinose  
XI, XK, TAL e TKT 
+ 
araA, araB, araD 
25 g/L de arabinose 
25 g/L de glicose 
Temperatura: 37
o
C 
pH: - 
Tempo: 48 h 
 
20 g/L 
DEANDA  
et al. (1996) 
Z. mobilis  
206 C (pZB301) 
Metabolização de 
xilose/  
Arabinose 
XI, XK, TAL, TKT + 
araA, araB, araD 
20 g/L de xilose 
20 g/L de arabinose 
20 g/L glicose 
Temperatura: 30
o
C 
pH: - 
Tempo: 48 h 
19,8 g/L 
ZHANG  
et al. (1998) 
Z. mobilis 
ZM4/Acr(pZB5) 
 
Metabolização 
de xilose/ 
Resistência ao 
acetato 
XI, XK, TAL, TKT + 
Acr 
40 g/L de glicose 
40 g/L de xilose 
Temperatura: 30
o
C 
pH: 5 
Tempo: 53 h 
12g/L de acetato 
38,6 g/L  
JEON  
et al. (2002) 
Z. mobilis 
206C (pZB301) 
Metabolização de 
xilose/  
arabinose  
XI, XK, TAL e TKT 
+  
araA, araB, araD 
40 g/L de xilose 
20 g/L de arabinose 
40 g/L de glicose 
Temperatura: 37
o
C 
pH: - 
Tempo: 48 h  
42 g/L  
MOHAGHEGHI  
et al. (2002) 
Z. mobilis 
ZW705-ara354A7 
Metabolização de 
xilose/  
Arabinose 
XI, XK, TAL e TKT 
+  
araA, araB, araD 
50 g/L de glicose 
30 g/L de xilose 
30 g/L de arabinose 
Temperatura: 30-35
o
C 
pH: - 
Tempo: 96 h 
45 g/L 
YANG  
(2011) 
Z. mobilis 
MTCC 92 
Produção de 
endoglucanases 
pET 20b  
4% de bagaço de cana 
pré-tratado 
Temperatura: 30
o
C 
pH: 7 
Tempo: 3 dias 
40 g/L 
VASAN  
et al. (2011) 
Onde: T.G: Transformação genética; XI: xilose isomerase; XK: xiluloquinase; TAL: transaldolase; TKT: transquetolase; araA: L-
arabionose isomerase; araB: L-ribuloquinase; ara D:  L-ribulose 5-fosfato 4-epimerase; Acr: Mutante tolerante ao acetato.  

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
63 
Posteriormente,  Zhang  et  al.  (1998)  desenvolveram  uma  linhagem 
recombinante  através  da  adição  de  genes  responsáveis  pelo  metabolismo  de 
xilose e de arabinose, tais como: xilose isomerase, xiluloquinase, L-arabionose 
isomerase (araA), L-ribuloquinase (araB), L-ribulose 5-fosfato 4-epimerase (ara 
D),  transaldolase  (talB)  e  transquetolase  (tktA).  A  produção  de  etanol  ocorreu 
em  96  horas  (exceto  em  47  horas  para  a  xilose),  atingindo  91,  55  e  79%  de 
eficiência de fermentação a partir de 2% (m/v) das seguintes combinações de 
açúcares: xilose, arabinose, e xilose/arabinose, respectivamente. Na presença 
de  xilose,  arabinose  e  glicose,  a  bactéria  recombinante  atingiu  79%  de 
eficiência de fermentação em etanol, durante 48 horas.  
Estudos  sobre  o  desenvolvimento  da  linhagem  Z.  mobilis  ATCC39767, 
fermentadora de arabinose e glicose foram realizados por Deanda et al. (1996), 
através  da  inserção  dos  seguintes  genes:  L-arabionose  isomerase  (araA),  L-
ribuloquinase  (araB),  L-ribulose  5-fosfato  4-epimerase  (ara  D),  transaldolase 
(talB) e transquetolase (tktA). Foi alcançado cerca de 20 g/L de etanol, a partir 
de  2,5%  (m/v)  de  L-arabinose  e  2,5  %  (m/v)  de  glicose.  Todavia,  40%  das 
células perderam sua habilidade após crescimento em meio complexo (KUHAD 
et al., 2011). Empregando a mesma linhagem, ATCC39767, Chou et al. (1997) 
obtiveram etanol em uma concentração de 33,5 g/L, em meio contendo 30, 30 
e 20 g/L de glicose, xilose e arabinose, respectivamente.  
Mohagheghi  et al. (2002) empregaram a linhagem AX101, que resultou 
em uma eficiência de fermentação de 84%, atingindo 42 g/L de etanol a partir 
de 100 g/L em meio contendo glicose, xilose e arabinose, durante 48 horas. A 
presença de até 4,5 g/L de ácido acético não afetou a fermentação, no entanto, 
acima  destas  concentrações  houve  acúmulo  de  xilose,  aumento  de  xilitol, 
subproduto  na  fermentação  de  xilose,  bem  como  redução  da  produção  de 
etanol pela bactéria Zymomonas mobilis.  
Cabe  ressaltar  que,  segundo  Mohagheghi  et  al.  (2002),  o  maior 
crescimento  bacteriano  ocorre na  presença  de  glicose,  não  havendo  aumento 
significativo  na  presença  de  xilose  e  arabinose,  devido  à  inibição  pelo  etanol 
produzido  anteriormente  ao  consumo  dos  mesmos.  Deanda  et  al.  (1996)  já 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
64 
haviam  reportado  sobre  tal  comportamento,  relatando  ainda  que  linhagens 
fermentadoras de arabinose e xilose apresentam lentidão em seu crescimento, 
assim como utilização incompleta destes carboidratos; todavia, a produção de 
biomassa obtida a partir de arabinose apresentou-se semelhante à obtida pela 
hexose. Neste contexto, na nova via metabólica há a conversão de 5 moles de 
etanol,  a  partir  de  3  moles  de  L-arabinose,  conforme  a  seguinte  equação 
estequiométrica:  
3 L-arabinose + 3 ADP + 3 Pi 

 5 etanol + 5 CO
2
+ 3 ATP + 3 H
2
O. 
2.8.3.  PROBLEMÁTICAS 
Alguns  problemas  estão  relacionados  à  transformação  genética  do 
microrganismo  Z.  mobilis,  tais  como  a  resistência  a  alguns  antibióticos  (como 
estreptomicina  e  gentamicina),  o  que  pode  influenciar  quanto  à  inserção  de 
marcas  de  seleção  que  promovem  resistência  a  tais  composto  (YANG  et  al., 
2010),  a presença  de  plasmídeos  nativos  no  citoplasma  celular,  dificultando  a 
estabilidade de plasmídeos recombinantes, a não ocorrência de bacteriófagos, 
dificultando  a  transformação  através  dessa  técnica,  e,  principalmente,  o 
eficiente  mecanismo  de  reparo  deste  microrganismo  (ZOU  et  al.,  2012). 
Adicionalmente,  após  o  desenvolvimento  da  transformação  genética,  tal 
bactéria também possui algumas dificuldades de metabolização das pentoses, 
assim  como  inibição  por  algumas  substâncias  presentes  nos  meios 
hidrolisados, conforme descrito nos itens a seguir.  
2.8.3.1. Estabilidade 
A  estabilidade  dos  plasmídeos  recombinantes  é  um  fator  preocupante, 
uma  vez  que  estes  podem  ser  perdidos  ao  longo  das  inúmeras  divisões 
celulares,  o  que  proporciona  baixa  expressão  dos  genes  transformantes 
(NORDSTROM, 1985).  
Desta  forma,  Song  et  al.  (2005)  avaliaram  a  estabilidade  do 
microrganismo Z. mobilis 31821 (pZB5) recombinante, o qual fermenta xilose e 
glicose,  relatando  que  após  12  horas  de  fermentação,  os  açúcares  foram 
consumidos em cerca de 90% (m/v), sendo que o consumo exclusivamente da 
pentose  ocorreu  na  proporção  de  81,9%  (m/v).  Através  da  ferramenta  de 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
65 
simulação,  a  fração  de  plasmídeo  recombinante  (calculada  de  acordo  com 
razão  entre  a  taxa  de  crescimento  máximo  do  plasmídeo  original  e  do 
recombinante) foi de 81,0%, após 23 gerações em meio sintético, bem como de 
90,3%  em  meio  contendo  20%  de  hidrolisado  hemicelulósico,  apresentando 
taxa  de  crescimento  máximo  de  0,185  h
-1
.  Já  após  a  26
o
  geração,  a  taxa  de 
utilização  da  xilose,  a  taxa  de  consumo  dos  açúcares  totais,  o  rendimento  de 
etanol,  bem  como  o  consumo  de  xilose  foram  reduzidos  em  30,  40,  6  e  44%, 
respectivamente.  
2.8.3.2.
 
Proteína Transportadora 
A proteína facilitadora (glf) é responsável pelo transporte de açúcares no 
interior das células através de um sistema de difusão facilitada, baixa afinidade 
e alta velocidade (WEISSER  et al., 1995).  Neste contexto, Kim  et al. (2010) e 
Agrawal  et  al.  (2011),  dentre  outros  pesquisadores  reportaram  sobre  a 
problemática  da  inserção  da  xilose  em  células  Z.  mobilis,  afirmando  que  uma 
das  soluções  para  avanços  no  seu  metabolismo  seria  o  desenvolvimento  de 
genes  que  codificam  para  o  transporte  desta  pentose.  Cabe  ressaltar  que 
estudos  sobre  a  incorporação  dos  genes  de  metabolização  deste  açúcar  na 
levedura S. cerevisiae, a qual também não possui transportador específico para 
a  xilose,  demonstraram  que  tal  microrganismo  apresenta  as  mesmas 
dificuldades de fermentação que a bactéria em estudo (SEDLAK & HO, 2004). 
Provavelmente,  após  a  transformação  genética  em  Z.  mobilis,  a  xilose 
dentre  outros  compostos  são  transportados  pelo  fato  de  serem  relativamente 
semelhantes  à  estrutura  da  glicose  e  frutose  (WEISSER  et  al.,  1996).  Tal 
fenômeno  ainda  não  foi  profundamente  estudado,  no  entanto,  pesquisas 
apontam por uma competição pela única via de transporte, comum para os dois 
carboidratos. Porém, Weisser et al. (1996) inseriram o gene que codifica para a 
enzima  responsável  pelo  transporte  de  glicose  e  xilose (glf)  de Z.  mobilis,  em 
uma  colônia  mutante  de  E.  coli,  a  qual  possuía  deficiência  no  transporte  de 
açúcares  e  diferentemente  do  reportado  com  a  bactéria  em  estudo,  E.  coli 
apresentou o transporte eficiente para tal pentose. Chen  et al. (2009) também 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
66 
reproduziram  este  experimento,  promovendo  um  aumento  de  28  e  42  %  no 
consumo de glicose e de pentose, respectivamente. 
Adicionalmente,  estudos  de  modelagem  indicam  que  uma  das  causas 
relacionadas à dificuldade de metabolização desta pentose está relacionada à 
constante de saturação pelo substrato para o crescimento de biomassa, a qual 
apresenta-se cerca de 3 vezes maior para o consumo de xilose do que para a 
glicose,  similar  ao  comportamento  de  outros  microrganismos  recombinantes, 
como Saccharomyces cerevisiae (KRISHNAN et al., 1999) e Klebsiella oxytoca 
(TURNER et al., 1988), de 3 a 6  vezes maior. 
2.8.3.3. Xilose X Glicose 
Conforme sinalizado na literatura por Zhang et al. (1995), Krishnan et al. 
(2000)  e  Lawford  &  Rousseau  (2000),  a  maior  produção  de  etanol  ocorre 
durante  o  consumo  de  glicose  e,  posteriormente,  o  consumo  de  xilose  ocorre 
mais lentamente. Embora Zhang et al. (1995) tenham engenheirado a linhagem 
CP4  de  Z.  mobilis  (pZB5),  tornando-a  capaz  de  co-fermentar  a  xilose  e  a 
glicose,  a  hexose  ainda  permanece  como  açúcar  prioritário,  promovendo  uma 
possível repressão catabólica sobre a pentose, diferentemente do metabolismo 
de E. coli (LAWFORD et al., 2000).  
Este  fato  ocorre,  pois  à  medida  em  que  os  dois  carboidratos  são 
consumidos sequencialmente,  a xilose ou fontes não preferenciais de carbono 
permanecem  inalterados  no  meio  de  cultura até  a  metabolização  completa da 
glicose, gerando elevadas concentrações de inibidores, como o etanol e ácido 
lático,  reduzindo  a  taxa  de  utilização  da  xilose.  Dessa  forma,  segundo  relatos 
de  Supple  et  al.  (2000),  Joachimshtal  &  Rogers  (1999),  Lawford  &  Rousseau 
(1999) e Lawford et al. (1996), no que tange à melhorias na metabolização da 
xilose,  visando  um  processo  de  co-fermentação  em  escala  industrial,  tal 
pentose  deveria  ser  metabolizada  anteriormente  à  glicose;  uma  vez  que  o 
etanol  promove  maior  inibição  na  metabolização  da  pentose  do  que  quando 
comparado  à  metabolização  desta  hexose  pela  bactéria  Zymomonas  mobilis 
recombinante.  

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
67 
Neste  contexto,  Supple  et  al.  (2000)  buscaram  pelo  isolamento  de  um 
mutante  que  demonstrasse  alteração  na  fonte  de  carbono  preferencial  pela 
bactéria  Z.  mobilis,  sendo  capaz  de  metabolizar  a  xilose  anteriormente  à 
glicose. O mutante CP4 (pZB5) M1-2 apresentou alteração genética nos genes 
da  glucoquinase  (glK)  e  da  proteína  facilitadora  do  transporte  de  glicose  (glf), 
atingindo 90% de eficiência de produção de etanol.  
A  proporção  ideal  de  glicose  e  xilose  utilizadas  em  um  processo 
fermentativo  por  Z.  mobilis  recombinante  varia  de  acordo  com  as  linhagens 
empregadas,  uma  vez  que  alguns  autores,  como  Kim  et  al.  (2010)  afirmaram 
que  quando  há  concentrações  semelhantes  desses  açúcares  na  fermentação 
por tal microrganismo há baixo consumo da pentose (apenas 10%), enquanto a 
hexose é completamente consumida. Lau & Dale (2009) também notaram que, 
na  fermentação  empregando  estas  duas  fontes  de  carbono,  apenas  de  10  a 
20%  (m/v)  da  pentose  foi  metabolizada  por  Saccharomyces  cerevisiae  424A 
(LNH-ST).  Os  pesquisadores  ainda  relataram  que  o  transporte  de  xilose 
aumentou  em  até  85%  quando  a  concentração  de  glicose  era  baixa,  contudo, 
enfatizaram  que  sem  a  presença  de  hexose  no  meio  de  cultura  não  houve 
consumo da pentose.   
Entretanto,  contraditoriamente,  Joachimsthal et  al.  (1999),  Rogers  et  al. 
(1997)  e  Zhang  et  al.  (1995)  reportaram  que  a  adição  de  concentrações 
equimolares  de  glicose  e  xilose,  empregando  linhagens  de  Z.  mobilis 
CP4 
(pZB5)  e  ZM4  (pZB5), 
CP4(pZB5)  e  CP4(pZB5),  respectivamente,  são 
favoráveis  ao  crescimento  celular  e  à  produção  de  etanol  por  tais  linhagens. 
Estes  acontecimentos  podem  ser  decorrentes  de  diferenças  adaptativas  nas 
linhagens,  pois  Lau  &  Dale  (2009)  empregaram  Saccharomyces  cerevisiae 
424A (LNH-ST), ao passo que Joachimsthal et al. (1999), Rogers et al. (1997) e 
Zhang  et  al.  (1995)  utilizaram  as  linhagens  CP4  e  ZM4,  conforme  descrito 
anteriormente.  
Cabe ressaltar que as células se tornam mais sensíveis com a presença 
de etanol quando os dois carboidratos estão presentes no meio do que quando 
há apenas a hexose (LEKSAWASDI et al., 2001), o que pode ser causado pela 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
68 
formação  de  subprodutos,  ou  mesmo  pela dificuldade  no  transporte  de  xilose. 
Outra hipótese para essa problemática seria a possível repressão catabólica da 
glicose  sobre  a  pentose,  o  que  torna  a  rota  metabólica  mais  lenta,  afetando 
também  a  produtividade  do  processo  (DiMARCO&  ROMANO,  1985;  PARKER 
et  al.  1995;  ROGERS  &  LAWFORD,  1999;  LAWFORD  et  al.,  2000; 
LEKSAWASDI et al., 2001; MOHAGHEGHI  et al. 2002; KIM et al., 2010). 
2.8.3.4.
 
Atividades enzimáticas 
Estudos  recentes  de  Caimi  et  al.  (2012)  reportaram  o  acúmulo  de 
ribulose em colônias de Z. mobilis crescidas em xilose. Desta forma, os autores 
modificaram  geneticamente  tal  microrganismo,  visando  aumentar  a  atividade 
de  ribose-5-fosfato  isomerase,  reduzindo  o  acúmulo  deste  composto.  A 
produção  de  biomassa  e  de  etanol  aumentou  em  15  e  5%  (m/v), 
respectivamente, durante 60 horas, empregando 100 g/L de xilose.   
De Graaf et al. (1999) alegaram que a baixa expressão de xiluloquinase 
poderia justificar a dificuldade de fermentação de xilose pelo microrganismo em 
tese, uma vez que  a taxa de captação da pentose é de 2 a 3 vezes menor do 
que  a  da  glicose.  Visando  aumentar  a  conversão  deste  monossacarídeo  em 
etanol, Jeon et al. (2005) buscaram por melhorias genéticas através da super-
expressão  desta  enzima  na  linhagem  ZM4/Acr  (pZB5),  porém,  tal 
transformação  não  promoveu  maior  conversão  em  produto.  Jim  et  al.  (2003) 
citaram que a super-expressão de xiluloquinase em Saccharomyces cerevisiae 
promoveu redução do crescimento celular, assim como da produção de etanol. 
Já  Gao  et  al.(2002)  e  Chou  et  al.  (2002)  reportaram  que  as  baixas 
concentrações  de  xilose  isomerase  detectadas  na  linhagens  ATCC  39676 
(pZB4L) são os fatores responsáveis pelo lento consumo de xilose. De Graaf et 
al.  (1999)  também  sugeriram  que  XI  e  XK,  provenientes  de  Klebsiella 
pneumoniae,  possuem  pouca  afinidade  pela  pentose  no  microrganismo  Z. 
mobilis.  Foi  constatado,  ainda,  que  as  mesmas  enzimas  mantinham-se  em 
baixas  concentrações,  ao  contrário  da  TKL  e  TAL,  exógenas  de  E.coli.  Neste 
contexto,  Kahsay  et  al.  (2011)  expressaram  a  xilose  isomerase  a  partir  de  A. 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
69 
missouriensis,  relatando  que  a  bactéria  em  estudo  apresentou  melhores 
resultados do que utilizando genes de E. coli, atingindo 26,3 g/L de etanol. 
2.8.3.5.
 
Produção de Xilitol 
Recentemente,  diversos  autores  relatam  a  produção  de  xilitol  por  Z. 
mobilis recombinante, a qual contém genes de metabolização e assimilação da 
xilose  (KIM  et  al.,  2000;  MOHAGHEGHI    et  al.,  2002;  JEON  et  al.,  2005; 
ZHANG  &  CHEN,  2009).  Viitanem  et  al.  (2008)  e  Smith  et  al.  (1999)  também 
afirmaram  que  a  xilose  isomerase  é  inibida  pela  presença  de  xilitol  em 
linhagens de Arthrobacter e de E. coli.  
Feldmann  et  al.  (1992)  foram  os  primeiros  autores  a  identificar  que  a 
formação  de  xilitol  durante  o  metabolismo  da  xilose  por  Z.  mobilis  é  um  fator 
limitante  para  a  produção  de  etanol.  Os  estudos  detectaram  a  atividade  de 
NADPH  dependente  aldose  redutase,  capaz  de  reduzir  xilose  a  xilitol  no 
presente  microrganismo.  Segundo  Zhang  &  Chen  (2009),  a  enzima 
periplasmática glicose-frutose oxirredutase (GFOR), responsável pela produção 
de  sorbitol,  catalisa  também  tal  reação  juntamente  com  o  cofator  NADPH, 
todavia, pouco se sabe sobre as causas do desvio da rota metabólica.  
A  enzima  GFOR  catalisa  a  redução  de  xilose  através  do  mecanismo 
ping-pong, o qual é inibido na presença de elevadas concentrações de glicose. 
Comparativamente,  a  produção  de  sorbitol  inicia-se  em  cerca  de  2  horas  a 
partir  de  frutose/glicose,  enquanto  que  a  de  xilitol  ocorre  em  30  horas  de 
processo a partir da pentose. Devido a menor atividade específica  e afinidade 
desta enzima no que tange à síntese de xilitol, os níveis alcançados do mesmo 
são inferiores aos de sorbitol, porém,  o cofator não desassocia-se do produto, 
mantendo-se fortemente ligado (Zhang & Chen, 2009).  
Adicionalmente, pesquisas recentes de  Agrawal & Chen (2011) indicam 
a  existência  da  enzima  xilose  redutase  na  bacteria  Z.  mobilis,  exibindo  150 
vezes mais afinidade com o benzaldeído do que com a xilose.
 
Neste contexto, 
o  xilitol  dá  origem  ao  xilitol-fosfato,  dificultando  a  fermentação  mesmo  quando 
apresenta-se  em  baixas  concentrações  (JEON  et  al.,  2005).  A  produção  e  o 
acúmulo  deste  resulta  na  inibição  do  crescimento  microbiano,  bem  como  do 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
70 
rendimento em etanol pelas linhagens consumidoras desta pentose (ZHANG & 
CHEN, 2009).  
2.8.3.6.
 
Inibição pelo Substrato/ Produto 
Leksawasdi  et  al.  (2001)  desenvolveram  um  modelo  matemático 
baseado na cinética de Monod, o qual avalia a produção de etanol a partir de 
xilose  e  glicose  em  meio  sintético,  indicando  as  concentrações  limitantes  e 
inibitórias  de  substrato  e  produto.  Os  autores  utilizaram  concentrações  de  25 
g/L,  50  g/L  e  65  g/L  de  glicose  e  xilose,  a  partir  de  resultados  reportados  por 
Lee  &  Rogers  (1983),  constatando  que  o  etanol  se  torna  inibitório  para  o 
crescimento  celular  de  Z.  mobilis  recombinante  (linhagem  ZM4,  pZB5)  em 
concentrações de glicose e xilose de 57,2 g/L e 56,3 g/L, e para a síntese de tal 
produto  em  concentrações  de  75,4  g/L  e  81,2  g/L,  respectivamente.  Segundo 
estes  estudos  teóricos,  os  substratos  promovem  interrupção  da    produção  de 
biomassa  e  de  etanol  nas  concentrações  de  200  g/L  e  186  g/L  de  glicose, 
assim  como  nas  concentrações  de  600  g/L  e  600  g/L  de  xilose, 
respectivamente. Adicionalmente, Jeon et al. (2002) relataram que 160 g/L é a 
tolerância  máxima  ao  etanol  por  tal  linhagem,  produzindo  2  moles  de 
produto/mol substrato.  
2.8.3.7. 
 
Inibição por Compostos Tóxicos 
A  eficiência  da  produção  de  etanol  pelos  microrganismos  pode  ser 
afetada  devido  à  presença  de  substâncias  tóxicas  presentes  na  fração 
hemicelulósica  pré-tratada,  assim  como  em  substratos  sólidos,  conforme 
descrito no item 2.7.   
Através  de  análise  microscópica  foi  constatado  que  concentrações 
inibitórias  de  aldeídos  provocam  modificações  morfológicas  na  fase  de 
crescimento exponencial de Z. mobilis. Diferentemente das células normais, as 
mesmas  apresentaram-se  alongadas  ou  formaram  cadeias  curtas  após  o 
período  de  6  horas.  Em  24  horas,  as  células  expostas  a  concentrações 
inibitórias de aldeído se tornam arredondadas (ZALDIVAR et al., 1999). SONG 
et  al.  (2005)  também  notaram  modificações  morfológicas  na  linhagem  de  Z. 
mobilis  31821  após  um  longo  período  de  adaptação  em  até  50%  (v/v)  de 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
71 
hidrolisado  ácido  de  madeira.  Empregando  20%  (v/v)  deste  material,  as 
colônias  do  início  do  processo  adaptativo  apresentam-se  translúcidas, 
mucóides,  planas  e  cilíndricas,  ao  passo  que  as  aclimatadas  possuem 
coloração leitosa e superfície curvilínea.  
Shahab & Hadi (1995) já haviam demonstrado que o furfural reage com 
os pares de base (A-T) nas seqüências de DNA de cadeia dupla, promovendo 
ruptura dos filamentos. A redução da taxa de crescimento, da produtividade em 
etanol,  assim  como  da  síntese  de  biomassa  estão  entre  os  efeitos  negativos 
produzidos pelo furfural e pelo HMF sobre os microrganismos (TAHEZRADEH, 
1999). Conforme observado por diversos autores, a bactéria em estudo possui 
baixa  tolerância  a  esses  compostos,  os  quais  dificultam  a  fermentação  da 
xilose presente no hidrolisado hemicelulósico.  
Padilla  et  al.  (2005)  investigaram  a  toxicidade  do  furfural  frente  à 
produção  de  etanol  e  ao  crescimento  da  linhagem  CP4  (pZB5)  de  Z.  mobilis 
modificada, através da adição de 0,475 g/L e 1,9 g/L deste aldeído no meio de 
fermentação.  Na  primeira  condição,  os  açúcares  foram  consumidos 
integralmente, entretanto, a metabolização dos mesmos foi prejudicada com a 
presença  de  altas  concentrações  de  furfural  no  meio.  Os  autores  observaram 
que os efeitos inibitórios reduziram a produção de biomassa em 30 e 60% e a 
produção  de  etanol  em  19  a  76%,  respectivamente.  Ranatunga  et  al.  (1997) 
fizeram  avaliação  semelhante através  da  fermentação  do  hidrolisado  ácido  de 
carvalho, indicando que 0,9 g/L de hidroximetil furfural provoca inibição de 40% 
na produção de etanol.  
Adicionalmente, estudos realizados por Yang et al. (2010) indicaram que 
dentre as diferentes formas de acetato, o acetato de sódio é o mais prejudicial 
à bactéria em questão, seguido do acetato de potássio, do acetato de amônio e 
do  cloreto  de  sódio.  Segundo  Kim  et  al.  (2000)  e  Jeon  et  al. (2002),  elevadas 
concentrações  destes  sais  alteram  o  pH  intracelular,  modificando  o 
metabolismo devido à redução dos níveis de nucleosídeos trifosfatos presentes 
nas  células.  Desta  forma,  apesar  de  alguns  autores,  como  Lawford  et  al. 
(2001),  terem  atingido  elevada  conversão  em  etanol  por  linhagens 

CAPÍTULO 2: Revisão Bibliográfica 
 
 
 
Danielle da Silveira dos Santos 
 
72 
recombinantes  de  Z.  mobilis  a  partir  de  pentoses,  as  mesmas  ainda 
apresentam  pouca  tolerância  frente  ao ácido  acético e  ao  etanol  (DION  et al., 
2003).