A demanda pelo uso de recursos renováveis para produção de energia, biocombustíveis e químicos tem levado ao desenvolvimento de biorrefinarias. Nas biorrefinarias, diferentes tipos de biomassa são convertidos por processos biológicos, físicos e químicos a diferentes produtos de interesse (Figura 1). As usinas de cana para produção de açúcar, etanol e energia elétrica no Brasil são bons exemplos de biorrefinarias; entretanto estas ainda se encontram em estágio inicial de desenvolvimento. No futuro, espera-se uma maior integração dos processos de produção, onde os diferentes constituintes da biomassa e resíduos do processo sejam utilizados mais eficientemente.

O pleno desenvolvimento de biorrefinarias depende da utilização dos diferentes componentes da biomassa lignocelulósica em processos de produção. Neste sentido, os diferentes componentes da biomassa lignocelulósica (celulose, hemicelulose e lignina) deverão ser processados e utilizados para produção de energia, biocombustíveis e produtos químicos. Neste contexto, microrganismos são essenciais para o desenvolvimento de biorrefinarias, já que são responsáveis por diferentes processos de conversão da biomassa e produção de moléculas de interesse. Microrganismos são capazes de produzir uma vasta variedade de produtos químicos, tais como ácidos orgânicos, álcoois, hidrocarbonetos, e outros. Além disso, podem fornecer vários insumos importantes para um determinado processo de produção, tais como enzimas hidrolíticas. Um bom exemplo da importância dos microrganismos para o desenvolvimento de biorrefinarias é a dependência da obtenção de leveduras (ou bactérias) capazes de fermentar todos os açúcares (açúcares C5 e C6) provenientes da biomassa para o desenvolvimento de plantas de produção de etanol lignocelulósico (Figura 2).

Atualmente, várias espécies microbianas são utilizadas em processos industriais, e o número de processos de produção por rota microbiana continua a crescer. Isso porque os microrganismos permitem a produção de moléculas com características específicas, tais como diferentes isômeros de uma molécula – possibilidades a serem exploradas pelas biorrefinarias. A capacidade de moldar geneticamente os microrganismos para aumentar a produção ou mesmo produzir novas moléculas de interesse tem contribuído bastante para a aplicação desses na indústria. Desta forma, tem-se notado que o estabelecimento de programas de melhoramento genético de linhagens microbianas para aplicações em bioprocessos é um passo que auxiliará o desenvolvimento de biorrefinarias.

Programas de melhoramento genético têm sido estabelecidos para os mais diversos fins, e novas linhagens são obtidas a cada dia. Na Embrapa Agroenergia, por exemplo, técnicas de melhoramento genético continuado têm sido aplicadas para o desenvolvimento de leveduras para, entre outros, fermentação de açúcares C5 e C6 provenientes de biomassas lignocelulósicas. Neste contexto, pesquisadores têm aplicado estratégias de melhoramento genético continuado para obtenção de linhagens superiores (Figura 3). A estratégia é baseada na seleção de genes, enzimas e linhagens hospedeiras, os quais podem ser combinados de diferentes formas em estratégias de engenharia metabólica.  A engenharia metabólica é atraente por permitir a inserção de novas vias metabólicas e, consequentemente, novas características em organismos tradicionalmente utilizados na indústria. A caracterização das novas linhagens geradas e o melhoramento genético continuado das mesmas permite o desenvolvimento de linhagens superiores para aplicação em bioprocessos (Figura 3). 

Atualmente, diversos grupos têm utilizado técnicas de engenharia metabólica para o desenvolvimento de linhagens microbianas produtoras de bioetanol e outros químicos. Por exemplo, leveduras do gênero Saccharomyces, o microrganismo utilizado mundialmente na produção industrial de etanol, não são naturalmente capazes de fermentar xilose, o C5 mais abundante na natureza. Entretanto, linhagens dessa levedura capazes de metabolizar xilose vêm sendo construídas por engenharia metabólica.  Na Embrapa Agroenergia, a construção de leveduras Saccharomyces capazes de produzir etanol a partir de xilose é baseada na expressão de genes codificantes para enzimas da via de metabolismo de xilose em linhagens específicas dessa levedura (Figura 4). Para tanto, bancos de germoplasma microbiano e bibliotecas metagenômicas são triados para seleção de enzimas da via de xilose. Posteriormente, os genes codificantes para tais enzimas são introduzidos em linhagens previamente selecionadas e melhoradas de Saccharomyces sp. Ao final, estas leveduras devem ser utilizadas para a produção de bioetanol de segunda geração, onde vários açúcares liberados a partir da hidrólise da celulose e hemicelulose são convertidos a etanol. Assim, o desenvolvimento de microrganismos com características especialmente desenhadas para aplicações em bioprocessos, tais como bioetanol a partir de xilose, mostra-se como importante etapa para o desenvolvimento de biorrefinarias.