Biologia sintética e transferência de elétrons: uma revisão sobre métodos para melhorar o desempenho elétrico de células a combustível microbianas

Abstract

O presente estudo tem como objetivo conduzir uma revisão sistemática do estado da arte das estratégias de engenharia genética e biologia sintética voltadas ao aprimoramento da geração de eletricidade em Células a Combustível Microbianas. A tecnologia desponta como uma alternativa promissora para o tratamento simultâneo de efluentes líquidos e a geração de bioenergia; porém, o seu escalonamento industrial esbarra na baixa densidade de potência e na ineficiência dos microrganismos selvagens. Para mapear as soluções biotecnológicas atuais, a metodologia consistiu em uma busca estruturada na base de dados Scopus, resultando na seleção, triagem e análise de 51 artigos que aplicam modificações genéticas em Sistemas Bioeletroquímicos. O processo de filtragem, extração e síntese de dados contou com o suporte metodológico de ferramentas de inteligência artificial para a consolidação das informações. Os resultados permitem organizar as estratégias em três frentes: (I) a otimização direta de bactérias eletroativas; (II) a engenharia de consórcios baseados na divisão de trabalho metabólico; e (III) a criação de funcionalidades eletroativas a partir de microrganismos não nativos. A literatura atesta que a amplificação de vias de transferência extracelular de elétrons, como a superexpressão de citocromos de membrana e a hiperprodução de mediadores solúveis, promove saltos no desempenho bioeletroquímico, registrando incrementos de densidade de potência na ordem de 500% a mais de 7.000%. Adicionalmente, a estruturação de consórcios sintéticos viabiliza a geração de bioeletricidade a partir de substratos complexos, como celulose, glicerol e xilose, superando a limitação nutricional estrita das cepas eletroativas modelo. Contudo, a análise do estado da arte demonstra que abordagens dependentes de expressão constitutiva e de plasmídeos induzem um fardo metabólico nas células hospedeiras, prejudicando o crescimento e a viabilidade do biofilme. Ademais, a exigência imposta pela maioria das manipulações genéticas por adições contínuas de indutores químicos artificiais e antibióticos inviabiliza a aplicação tecnológica e operacional em efluentes reais. Conclui-se que a consolidação e o sucesso da manipulação genética em Células a Combustível Microbianas requerem uma ruptura com os modelos de manipulação genética estática, dependendo ativamente da transição para sistemas de regulação dinâmica populacional, da edição genômica permanente sem marcas de resistência e da adoção de circuitos de complementação auxotrófica, permitindo o delineamento de biocatalisadores não apenas supereficientes, mas intrinsecamente robustos, estáveis e ecologicamente seguros.

This study aims to conduct a systematic review of the state of the art in genetic engineering and synthetic biology strategies aimed at enhancing electricity generation in Microbial Fuel Cells. The technology emerges as a promising alternative for the simultaneous treatment of wastewater and bioenergy generation; however, its industrial scale-up is hindered by low power density and the inefficiency of wild-type microorganisms. To map current biotechnological solutions, the methodology consisted of a structured search in the Scopus database, resulting in the selection, screening, and analysis of 51 articles applying genetic modifications in Bioelectrochemical Systems. The data filtering, extraction, and synthesis process was methodologically supported by artificial intelligence tools to consolidate the information. The results allow organizing the strategies into three fronts: (I) the direct optimization of electroactive bacteria; (II) the engineering of consortia based on the metabolic division of labor; (III) and the creation of electroactive functionalities in non native microorganisms. The literature attests that the amplification of extracellular electron transfer pathways, such as the overexpression of membrane cytochromes and the hyperproduction of soluble mediators, promotes leaps in bioelectrochemical performance, recording power density increases ranging from 500% to over 7,000%. Additionally, the structuring of synthetic consortia enables the generation of bioelectricity from complex substrates, such as cellulose, glycerol, and xylose, overcoming the strict nutritional limitations of model electroactive strains. However, the analysis of the state of the art demonstrates that approaches dependent on constitutive expression and plasmids induce a metabolic burden on host cells, impairing biofilm growth and viability. Furthermore, the requirement imposed by most genetic manipulations for continuous additions of artificial chemical inducers and antibiotics makes technological and operational application in real wastewater unfeasible. It is concluded that the consolidation and success of genetic manipulation in Microbial Fuel Cells require a break from static genetic manipulation models, actively depending on the transition to population-dynamic regulation systems, permanent genomic editing without resistance markers, and the adoption of auxotrophic complementation circuits, allowing the design of biocatalysts that are not only highly efficient but intrinsically robust, stable, and ecologically safe.