Crédito da foto: Chickmarkley
Pesquisadores do Joint BioEnergy Institute (JBEI) do Departamento de Energia dos EUA e do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) descobriram uma nova enzima que permitirá a produção microbiana de uma alternativa renovável ao tolueno à base de petróleo, um intensificador de octanagem amplamente utilizado na gasolina que tem um mercado global de 29 milhões de toneladas por ano.
Os resultados de um estudo liderado por Harry Beller, cientista sênior do Berkeley Lab e líder científico do JBEI, foram publicados segunda-feira na revista Nature Chemical Biology. Os outros coautores principais são Andria Rodrigues e Kamrun Zargar do JBEI.
Um foco importante de pesquisa no JBEI, e na comunidade mais ampla de pesquisadores de biocombustíveis, é a produção de combustíveis e produtos químicos industrial e comercialmente relevantes a partir de recursos renováveis, como a biomassa lignocelulósica, e não a partir do petróleo. A enzima descoberta neste estudo permitirá a primeira produção microbiana de tolueno de base biológica e, de fato, a primeira produção microbiana de qualquer biocombustível de hidrocarboneto aromático.
A descoberta da enzima resultou do estudo intensivo de duas comunidades microbianas muito diferentes que produziam tolueno. Uma comunidade continha micróbios provenientes de sedimentos de lagos e a outra de lodo de esgoto. Uma vez que os micróbios no ambiente são um reservatório de enzimas que catalisam um conjunto extraordinariamente diversificado de reações químicas, não é incomum que os cientistas que trabalham em biotecnologia obtenham enzimas da natureza.
Beller foi motivado a investigar o tolueno de base biológica depois de ler relatórios da literatura da década de 1980 que revelaram a biossíntese microbiana de tolueno em sedimentos anóxicos de lagos. Apesar de vários relatos de produção bacteriana de tolueno desde aquela época, a identidade da enzima que catalisa esta reação bioquimicamente desafiadora tem sido um mistério há décadas.
A enzima sintetizadora de tolueno descoberta neste estudo, fenilacetato descarboxilase, pertence a uma família de enzimas conhecidas como enzimas radicais glicila (GREs). Os cientistas só começaram a reconhecer os GREs na década de 1980, e a fenilacetato descarboxilase é apenas o oitavo tipo de reação GRE conhecido a ser descoberto e caracterizado desde então. No entanto, as evidências metagenômicas apresentadas no estudo JBEI e outros apontam para o fato de que existem muito mais GREs na natureza que ainda não foram caracterizados.
A natureza radical dos GREs permite-lhes catalisar reações quimicamente desafiadoras, como a descarboxilação anaeróbica do fenilacetato para gerar tolueno. Além das suas potenciais aplicações biotecnológicas, vários GRE conhecidos são relevantes para a saúde humana e ocorrem no microbioma intestinal humano.
O processo de descoberta de enzimas para este projeto foi desafiador e não convencional. Os investigadores começaram a trabalhar com uma espécie bacteriana que supostamente produzia tolueno, mas quando esses relatórios pareciam ser irreproduzíveis, os cientistas recorreram ao ambiente em busca de culturas produtoras de tolueno – especificamente para esgotos municipais e sedimentos anóxicos de lagos.
“Todos os projetos de descoberta de enzimas são desafiadores. Mas passar da descoberta numa única espécie bacteriana para a descoberta numa comunidade microbiana complexa a partir de lamas de esgoto ou sedimentos de lagos foi mais difícil em ordens de magnitude”, diz Beller. “Este estudo tornou-se uma busca de agulha em um palheiro pela enzima produtora de tolueno em um conjunto candidato de centenas de milhares de enzimas.”
Na verdade, as análises do metagenoma revelaram que cada uma dessas comunidades microbianas continha mais de 300.000 genes – o equivalente a mais de 50 genomas bacterianos. Outro desafio foi que as comunidades microbianas anaeróbicas e muitas das suas enzimas eram sensíveis ao oxigénio, forçando os cientistas a manipular culturas e enzimas sob condições estritamente anaeróbicas.
O processo de descoberta combinou técnicas de purificação de proteínas usadas por bioquímicos durante décadas, como a cromatografia líquida rápida de proteínas, com modernas análises metagenômicas, metaproteômicas e bioinformáticas associadas, algumas das quais foram realizadas em colaboração com o Joint Genome Institute, um DOE Office of Science. Facilidade do usuário. Um componente importante do processo de descoberta foi validar as previsões dos pesquisadores sobre a enzima de biossíntese de tolueno com experimentos utilizando ensaios altamente controlados envolvendo proteínas purificadas.
Uma questão intrigante que surge desta pesquisa é: por que uma bactéria produziria tolueno? Os pesquisadores não têm a resposta definitiva, mas apresentam duas hipóteses no artigo. Uma possibilidade é que a bactéria esteja produzindo tolueno como uma toxina para competir com outros micróbios em seu ambiente. Outra hipótese é que a reação da fenilacetato descarboxilase (produtora de tolueno) fornece uma estratégia para a bactéria regular seu pH interno em um ambiente fermentativo um tanto ácido.
Beller e seus colegas acreditam que os resultados do seu estudo têm implicações para a ciência fundamental e aplicada. Do ponto de vista bioquímico, o estudo expande a gama catalítica conhecida de GREs e, do ponto de vista biotecnológico, permitirá a síntese bioquímica pela primeira vez de um hidrocarboneto combustível aromático a partir de recursos renováveis.
“Temos muito que aprender sobre a extraordinária diversidade metabólica das bactérias”, disse Beller. “Ao longo de eras de evolução, a natureza desenvolveu enzimas que podem catalisar reações químicas difíceis e, à medida que as descobrimos, podemos aproveitá-las para a biotecnologia.”
JBEI é um Centro de Pesquisa em Bioenergia do DOE financiado pelo Office of Science do DOE. Os outros coautores do artigo, “Descoberta de enzimas para síntese de tolueno a partir de comunidades microbianas anóxicas”, são Yu-Wei Wu, Avneesh K. Saini, Renee M. Saville, Jose H. Pereira, Paul D. Adams, Susannah G Tringe, Christopher J. Petzold e Jay D. Keasling.