O problema
O problema
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O lixo é um produto direto das atividades humanas e não há consenso sobre a melhor forma de coletá-lo e descartá-lo. Além disso, sua deposição resulta na produção de chorume, uma matriz líquida gerada pela decomposição da matéria orgânica. O chorume pode ser altamente poluente, e os períodos de chuva agravam o problema, pois a chuva tem potencial para espalhar e transportar contaminantes para os recursos hídricos e terrestres, causando impacto no meio ambiente e consequentemente na vida humana.
Aterros sanitários são locais para separação, tratamento e destinação de resíduos sólidos. Localizado no Distrito Federal (Brasil), o Aterro Sanitário de Brasília (ASB) recebe os resíduos produzidos por mais de 3 milhões de pessoas na região, um montante equivalente a entre 60 e 70 toneladas de lixo gerado por mês. Isso gerou mais de 600 milhões de litros de chorume desde a fundação do aterro.
Apesar do tratamento existente, vários compostos tóxicos, como fármacos e agroquímicos, não são completamente degradados a partir do chorume. Além disso, considerando a crise da matriz hidrelétrica brasileira e a necessidade de desenvolvimento de meios alternativos de geração de energia elétrica, principalmente para comunidades vulneráveis, nosso projeto se apresenta como uma estratégia viável e sustentável que aborda esses problemas de uma só vez.
O projeto Gilluz visa solucionar o problema do chorume por meio da biorremediação de alguns de seus compostos tóxicos, além de gerar eletricidade por meio de uma célula de combustível microbiana, do inglês Microbial Fuel Cell (MFC), que tem potencial para ser incorporado à infraestrutura e aos processos de tratamento já implantados no ASB. As MFCs são dispositivos eletroquímicos que convertem diretamente a energia química dos substratos em energia elétrica com a participação de micróbios no processo. Sua estrutura é composta por um ânodo, onde ocorre a oxidação de compostos orgânicos, processo que libera elétrons, e um cátodo, no qual os elétrons fornecidos pela oxidação são consumidos pela redução de outra substância.
A solução
A solução
Em nosso projeto, a bactéria Geobacter sulfurreducens será empregada na câmara anódica e devido ao seu alto potencial exoeletrogênico natural, foi supervisionado pelo grupo que nenhuma abordagem de biologia sintética é necessária. No entanto, na câmara catódica, escolhemos o fungo Aspergillus flavus como organismo para ser projetado para biorremediação, uma vez que estudos anteriores mostraram que esse organismo é capaz de sobreviver em condições de lixiviação, um ambiente extremamente hostil para a maioria dos organismos, incluindo a maioria dos organismos de chassi. O Aspergillus foi projetado para catalisar a degradação de compostos fenólicos e de enxofre para reduzir, respectivamente, a toxicidade e o odor do lixiviado.
Para a biorremediação de tais compostos, o desenho do projeto inclui a inserção do gene lacase de Trametes versicolor (BBa_K3196033), uma polifenol oxidase extracelular que apresenta alta atividade em fluidos, como lixiviado de aterro. Além da inserção dos genes sulfureto quinona redutase e enxofre redutase (BBa_K1395003). Na presença de altas concentrações de cobre, o fungo estará acumulando e liberando lacases para a biorremediação de polifenóis aromáticos, como o Bisfenol-A, e na ausência desse metal, os genes que codificam as enzimas que degradam o enxofre serão transcritos e traduzidos junto ao repressor TetR que irá inibir a transcrição do gene que transcreve as lacasses, então isso leva a um circuito oscilatório que alterna entre suas duas funções.
A lacase tem grande potencial para oxidar moléculas orgânicas do lixiviado, o que também favorece o desempenho do MFC, pois sua atividade oxidorredutase aumenta a aceitação de elétrons na câmara catódica, enquanto a bactéria (G. sulfurreducens) mantém a atividade exoeletrogênica na câmara anódica.
Para garantir a biossegurança do sistema, um dispositivo do tipo Kill Switch foi adicionado. É ativado por dois componentes em interação: a proteína de fusão PhyB-GBD (iDLBB_002201), que diminui a contaminação urbana e da água da chuva e protege a saúde da população de patógenos e vetores de doenças, o domínio de ligação ao DNA da proteína GAL4 (GBD) (BBa_K105007) e o fitocromo B responsivo à luz (PhyB) (BBa_K801031); e a proteína de fusão PIF6-GAD (iDLBB_002204), composta pelo domínio de ativação da proteína GAL4 (GAD) (iDLBB_002203) e da proteína PIF6 (BBa_K1159104). Além disso, com a expressão constitutiva de Heme Oxygenase-1 (BBa_K2328062) e Ficocianobilina: Ferredoxina Oxidoredutase (BBa_I15009), é possível a síntese do terceiro produto necessário para a ativação do sistema, ficocianobilina. Assim, se o Aspergillus flavus projetado escapar do recipiente fechado da MFC, a presença de luz no ambiente externo, a luz vermelha levará à formação de complexos entre PhyB-GBD e PIF6-GAD, permitindo a ligação da expressão de uma Nuclease (BBa_K1159105). Dirigida por sinal de localização nuclear, a enzima irá clivar genes do DNA genômico, o que garantirá a morte do microrganismo e a segurança do sistema.
Ademais, por meio de práticas de divulgação científica, estamos contribuindo com a educação dos cidadãos para que façam o descarte consciente de seus resíduos. Exemplos são o e-book de educação ambiental que produzimos em parceria com outras equipes da iGEM Design League 2021, palestras em universidades e pesquisas feitas com moradores locais. Essas práticas podem resultar em um aumento de longo prazo na vida útil do aterro sanitário, diminuir a contaminação das águas urbanas e da chuva e proteger a saúde da população de patógenos e vetores de doenças.
Capelari, Mauro & Domiciniano, Mariana & Queiroz, Lúcia & Bandeira, Ludmilla & Toni, Fabiano. (2020). A trajetória de encerramento do maior lixão da América Latina: entre centralização, descentralização e exclusão. Desenvolvimento e Meio Ambiente. 54. 146-166. 10.5380/dma.v54i0.69134.
Scott, K. & Yu, Eileen. (2015). Microbial Electrochemical and Fuel Cells: Fundamentals and Applications. https://doi.org/10.1016/C2014-0-01767-4
Shimizu-Sato, S., Huq, E., Tepperman, J. et al. A light-switchable gene promoter system. Nat Biotechnol 20, 1041–1044 (2002). https://doi.org/10.1038/nbt734
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