Biologia sintética avança para o reino do não-natural

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/11/2021

A base é a enzima natural P450 (cinza). Uma molécula heme (magenta) com um átomo de irídio (vermelho) foi incorporada na bactéria, que passou a realizar uma reação que não existe na natureza.
[Imagem: Brandon Bloomer/UC Berkeley]

Promessas e preocupações

Como muitos campos avançados da ciência, a biologia sintética traz tanto promessas mirabolantes quanto preocupações cataclísmicas.

Como sempre acontece, nenhuma dessas visões extremadas provavelmente se tornará realidade - nem "mudar o mundo" e nem "destruir o mundo" - mas ambos os lados acabam de conseguir novos argumentos com uma inovação feita por Jing Huang e colegas da Universidade de Berkeley, nos EUA.

A biologia sintética tem permitido alterar geneticamente leveduras e bactérias para que elas fabriquem produtos químicos - biocombustíveis, produtos farmacêuticos, fragrâncias e até os sabores de lúpulo da cerveja - de maneira mais barata, usando apenas açúcar como "fonte de energia" - o açúcar é o alimento dos microrganismos.

Contudo, essas pesquisas vinham sendo limitadas pelo fato de que os micróbios, mesmo quando recebem genes de plantas ou de outros animais, só podem produzir moléculas usando as reações químicas que a própria natureza proveu. E grande parte da química e da indústria química está focada em fazer substâncias que não são encontradas na natureza, com reações inventadas pelo homem.

Química não natural

O que Huang e seus colegas fizeram agora foi alterar geneticamente uma bactéria que, pela primeira vez, consegue produzir uma substância não-natural, uma molécula que até agora só podia ser sintetizada em laboratório.

Embora a biossíntese, feita pela equipe usando a bactéria E. coli, tenha produzido uma substância de baixo valor econômico - e em pequenas quantidades - o fato de os cientistas poderem projetar geneticamente um micróbio para produzir algo desconhecido na natureza abre as portas para a produção de uma gama muito mais ampla de produtos químicos - e para preocupações ambientais muito maiores.

"É uma forma completamente nova de fazer síntese química. A ideia de criar um organismo que faz um produto tão pouco natural, que combina síntese de laboratório com biologia sintética dentro de um organismo vivo - isso é uma forma futurística de fazer moléculas orgânicas usando dois campos separados da ciência, de uma forma que ninguém fez antes," comemorou o professor John Hartwig.

Biossíntese do composto não-natural, feita por uma bactéria geneticamente modificada.
[Imagem: Jing Huang et al. - 10.1038/s41557-021-00801-3]

Metaloenzima

O elemento chave para transformar a bactéria geneticamente modificada em uma fábrica é o que a equipe chama de "metaloenzima", um híbrido de um catalisador metálico com uma enzima natural.

A metaloenzima junta a enzima natural P450 - amplamente utilizada no nosso corpo, principalmente no fígado, para oxidar compostos - e o metal irídio.

A P450 incorpora naturalmente um cofator chamado heme - que também está presente no núcleo da molécula de hemoglobina que transporta o oxigênio no sangue - que contém naturalmente um átomo de metal, o ferro.

Trocando o ferro por irídio, a equipe gerou uma metaloenzima que adiciona ciclopropanos - adicionando um terceiro carbono em uma ligação dupla carbono-carbono - a outras moléculas orgânicas. A metaloenzima à base de irídio faz isso com estereoespecificidade, ou seja, gera uma molécula ciclopropanada, mas não sua imagem espelhada (quiralidade), que se comportaria de maneira diferente no corpo.

Depois de transportar a molécula heme com irídio na bactéria E. coli, os pesquisadores ajustaram o metabolismo da bactéria para que ela produzisse então o produto final, um limoneno ciclopropanado.

Embora este não seja um produto economicamente interessante, a ideia é que a incorporação de outras metaloenzimas em bactérias possa viabilizar a produção microbiana de produtos farmacêuticos, combustíveis sustentáveis, polímeros, plásticos renováveis e muito mais.

"Hoje, muitos medicamentos são extraídos laboriosamente de plantas que são difíceis de cultivar e impactam negativamente o meio ambiente. Ser capaz de fazer esses compostos em um laboratório usando biotecnologia realmente resolveria muitos desses problemas," disse a professora Aindrila Mukhopadhyay.

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