Duas bactérias transformam nitrogênio do ar em glutamato e chegam a 2 g por litro em fermentador

Estudo japonês testa uma rota biológica para reduzir a dependência de amônia produzida pelo processo Haber-Bosch.

O nitrogênio que compõe cerca de quatro quintos do ar normalmente não pode ser aproveitado diretamente pelos microrganismos usados na fabricação de aminoácidos. Pesquisadores do Japão encontraram uma maneira de contornar essa barreira: colocaram duas bactérias para trabalhar em sequência dentro do mesmo fermentador e obtiveram L-glutamato a partir do gás atmosférico. O experimento produziu aproximadamente 2 gramas do aminoácido por litro de cultivo.

O resultado foi apresentado por cientistas da The University of Tokyo e da Kikkoman Corporation em estudo publicado na revista Applied Microbiology and Biotechnology. A primeira bactéria capturou o nitrogênio do ar e o liberou na forma de amônio. A segunda absorveu esse composto e o incorporou à rota metabólica que leva ao L-glutamato, substância associada ao sabor umami e matéria-prima do glutamato monossódico.

Uma parceria com funções bem divididas

A equipe modificou geneticamente a bactéria do solo Azotobacter vinelandii, conhecida por realizar fixação de nitrogênio mesmo na presença de oxigênio. Em condições naturais, o microrganismo usa o nitrogênio fixado para produzir suas próprias moléculas. No estudo, porém, os pesquisadores forçaram a célula a liberar parte desse nitrogênio no meio de cultivo.

Para fazer isso, os autores aumentaram a atividade do gene nifA, que funciona como um comando central para ativar os genes envolvidos na fixação de nitrogênio. O conjunto foi inserido diretamente no cromossomo da bactéria, em vez de ser mantido apenas em um plasmídeo. Essa escolha torna a característica mais estável durante o crescimento celular, porque o material genético passa para as células descendentes.

A segunda integrante da cultura foi Corynebacterium glutamicum, um dos microrganismos mais utilizados pela indústria de aminoácidos. Ela recebeu o amônio produzido pela A. vinelandii e o converteu em L-glutamato. Dessa forma, o intermediário não precisou ser isolado, purificado ou armazenado antes de ser usado.

Do frasco de laboratório ao fermentador

Nos primeiros testes, feitos em frascos, a linhagem modificada de A. vinelandii produziu cerca de 1 grama de amônio por litro. O desempenho aumentou para 1,5 grama por litro quando o cultivo foi levado a um fermentador de bancada com alimentação gradual de fonte de carbono, controle de pH e tratamento contra a formação de espuma.

A alimentação gradual, conhecida como cultivo fed-batch, evita que o nutriente seja consumido de uma vez ou se acumule em excesso. Isso é importante porque a fixação de nitrogênio exige grande quantidade de energia celular. O controle químico também ajuda a manter o ambiente adequado enquanto o amônio se acumula e altera o equilíbrio ácido-base do caldo de fermentação.

Segundo o estudo publicado na Applied Microbiology and Biotechnology, em 2026, pesquisadores da The University of Tokyo e da Kikkoman Corporation produziram 2 gramas de L-glutamato por litro usando uma cocultura de A. vinelandii modificada e C. glutamicum alimentada com nitrogênio gasoso.

Por que substituir a amônia industrial é difícil

Quase toda fermentação industrial de produtos ricos em nitrogênio depende de sais de amônio ou ureia. Esses insumos, por sua vez, são produzidos principalmente a partir da amônia obtida pelo processo Haber-Bosch, que combina nitrogênio do ar e hidrogênio sob alta temperatura e pressão.

Essa tecnologia foi essencial para ampliar a produção de fertilizantes e sustentar a agricultura moderna, mas exige muita energia. As estimativas reunidas no estudo indicam que a síntese de amônia consome entre 1% e 2% da energia produzida globalmente. Quando o hidrogênio vem do gás natural, a cadeia também está associada à emissão de dióxido de carbono.

A fixação biológica realizada pela nitrogenase ocorre em temperatura e pressão ambientes. Isso não significa, contudo, que o novo método já seja automaticamente mais barato ou menos emissor. A bactéria precisa gastar ATP e elétrons para romper a ligação extremamente estável do nitrogênio molecular. O complexo enzimático também é sensível ao oxigênio, o que obriga A. vinelandii a manter uma respiração muito intensa para proteger a nitrogenase.

O avanço comprovado e o limite atual

O estudo comprovou uma sequência completa: o nitrogênio atmosférico entrou no sistema, foi convertido em amônio por uma bactéria e terminou incorporado ao L-glutamato produzido pela outra. Esse encadeamento é a principal contribuição do trabalho, mais do que o volume obtido até agora.

O rendimento de 2 gramas por litro ainda fica abaixo das dezenas de gramas por litro alcançadas em fermentações convencionais de glutamato, nas quais o amônio comercial é fornecido em concentração adequada. Por isso, os resultados devem ser entendidos como uma prova de conceito, e não como uma substituição imediata das fábricas existentes.

Também há um desafio de equilíbrio. As duas bactérias têm necessidades diferentes de oxigênio, nutrientes, velocidade de crescimento e acidez. Se uma população dominar a outra, a cooperação pode perder eficiência. A nitrogenase ainda impõe um custo energético elevado, enquanto o próprio amônio produzido tende a acionar mecanismos naturais que reduzem a fixação de nitrogênio.

O que isso pode significar para a Amazônia

Para os estados da Amazônia, a pesquisa tem interesse principalmente no debate sobre bioeconomia e produção de insumos em regiões distantes dos grandes polos industriais. Uma plataforma que use microrganismos para fornecer nitrogênio a processos de fermentação poderia, se alcançar escala e segurança econômica, abrir alternativas para biorrefinarias e unidades de produção de ingredientes alimentares próximas às matérias-primas.

Essa possibilidade ainda é uma hipótese de aplicação. O estudo não testou uma fábrica na região amazônica, não mediu a redução real de emissões em uma cadeia comercial e não demonstrou produção em escala industrial. Para chegar a esse estágio, serão necessários aumentos expressivos de produtividade, avaliações de custo, estabilidade operacional e análise ambiental completa.

Os pesquisadores indicam que a mesma lógica pode ser investigada para outros aminoácidos, nucleotídeos e compostos nitrogenados. A participação da Kikkoman, empresa com experiência em fermentação, e o registro de pedidos de patente associados ao trabalho mostram que existe interesse em transformar o sistema em uma plataforma tecnológica. Os próximos estudos deverão buscar linhagens mais eficientes e fermentadores capazes de manter a cooperação microbiana por períodos maiores.

Com informações de The University of Tokyo e Kikkoman Corporation.

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