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Bactérias podem ajudar a criar produtos químicos neutros em relação ao clima

Fonte

ETH Zurique | Instituto Federal de Tecnologia de Zurique

Data

sexta-feira, 26 abril 2024 17:30

Áreas

Biologia. Bioquímica. Biotecnologia. Energia. Indústria. Materiais. Microbiologia. Química. Química Verde. Sustentabilidade. Tecnologias.

Para produzir vários produtos químicos, como plásticos, corantes ou sabores artificiais, a indústria química depende atualmente fortemente de recursos fósseis, como o petróleo bruto. “Globalmente, [a indústria química] consome 500 milhões de toneladas por ano, ou mais de um milhão de toneladas por dia”, disse a Dra. Julia Vorholt, professora do Instituto de Microbiologia do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH Zurique), na Suíça. “Como essas conversões químicas consomem muita energia, a verdadeira pegada de CO₂ da indústria química é de seis a dez vezes maior, totalizando cerca de 5% do total de emissões globalmente”. A professora e sua equipe procuram formas de reduzir a dependência da indústria química dos combustíveis fósseis.

Metanol verde

As bactérias que se alimentam de metanol, conhecidas como metilotróficas, estão no centro desses esforços. Contendo apenas um único átomo de carbono, o metanol é uma das moléculas orgânicas mais simples e pode ser sintetizado a partir do dióxido de carbono e da água. Se a energia para esta reação de síntese vier de fontes renováveis, o metanol é chamado de ‘verde’.

“Existem metilotróficos naturais, mas usá-los industrialmente continua difícil, apesar do considerável esforço de pesquisa”, disse o Dr. Michael Reiter, pesquisador de pós-doutorado no grupo de pesquisa da professora Julia Vorholt, que trabalha com a bactéria modelo Escherichia coli, biotecnologicamente bem compreendida. A equipe da Dra. Julia Vorholt tem perseguido há vários anos a ideia de equipar a bactéria modelo, que cresce no açúcar, com a capacidade de metabolizar metanol.

Reestruturação completa do metabolismo

“Este é um grande desafio porque requer uma reestruturação completa do metabolismo celular”, disse a professora. Inicialmente, os pesquisadores simularam essa mudança por meio de modelos computacionais. Com base nessas simulações, eles escolheram dois genes para remover e três novos genes para introduzir. “Como resultado, as bactérias poderiam absorver metanol, embora apenas em pequenas quantidades”, disse o Dr. Michael Reiter.

Então, eles continuaram a cultivar as bactérias em condições especiais em laboratório por mais de um ano, até que os micróbios pudessem produzir todos os componentes celulares a partir do metanol. Ao longo de cerca de mais 1.000 gerações, estes metilotróficos sintéticos tornaram-se cada vez mais eficientes, eventualmente duplicando a cada quatro horas quando alimentados apenas com metanol. “A taxa de crescimento melhorada torna a bactéria economicamente interessante”, disse a professora.

Otimização através da perda de função

Como os pesquisadores descreveram em um artigo recentemente publicado na revista científica Nature Catalysis, várias mutações que ocorrem aleatoriamente são responsáveis pelo aumento da eficiência da utilização do metanol. A maioria dessas mutações resultou na perda de função de vários genes. Isto é surpreendente à primeira vista, mas após uma inspeção mais detalhada, torna-se evidente que as células podem poupar energia graças à perda de função dos genes. Por exemplo, algumas mutações fazem com que as reações reversas de reações bioquímicas importantes falhem. “Isso elimina conversões químicas supérfluas e otimiza o fluxo metabólico nas células”, escreveram os pesquisadores.

Para explorar o potencial dos metilotróficos sintéticos para a produção biotecnológica de produtos químicos a granel industrialmente relevantes, a professora Julia Vorholt e sua equipe equiparam as bactérias com genes adicionais para quatro vias biossintéticas diferentes. No estudo, eles mostraram que as bactérias produziram de fato os compostos desejados em todos os casos.

Plataforma de produção versátil

Para os pesquisadores, esta é uma evidência clara de que suas bactérias projetadas podem cumprir o que foi originalmente prometido: os micróbios são uma espécie de plataforma de produção altamente versátil na qual módulos de biossíntese podem ser inseridos de acordo com o princípio ‘plug-and-play’, levando as bactérias a converter metanol em substâncias bioquímicas desejadas.

No entanto, os pesquisadores ainda precisam aumentar significativamente o rendimento e a produtividade para permitir o uso economicamente viável da bactéria. A professora Vorholt e sua equipe receberam recentemente o investimento de um fundo de inovação “para expandir ainda mais os planos de aplicações e selecionar produtos nos quais focar primeiro”, concluiu a pesquisadora.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do ETH Zurique (em inglês).

Fonte: Ori Schipper, ETH Zurique. Imagem: micrografia eletrônica de varredura (colorida) da bactéria Escherichia coli. Fonte: NIAID/NIH via Wikimedia Commons.