Brasileiros ajudam a melhorar enzima que come PET

Com informações da Agência Fapesp - 25/04/2018

A PETase é mostrada em azul com uma cadeia de PET (amarelo) ligada a seu sítio ativo, onde o polímero é degradado.
[Imagem: Rodrigo Leandro Silveira]

Bactéria que come PET

Em 2016, a equipe do professor Shosuke Yoshida, da Universidade de Quioto, identificou uma nova espécie de bactéria, a Ideonella sakaiensis, que é capaz de usar o polietileno tereftalato - o conhecido PET das garrafas de refrigerante - como fonte de carbono e energia. Em outras palavras, a bactéria se alimenta de PET.

Trata-se, até hoje, do único organismo conhecido com essa capacidade e a única exceção ao fato de que todos os seres vivos conhecidos utilizam biomoléculas para sobreviver - a Ideonella sakaiensis utiliza uma molécula sintética, fabricada pelo ser humano.

Isso significa que essa bactéria é resultado de um processo evolutivo muito recente, ocorrido ao longo das últimas décadas. Ela conseguiu se adaptar a um polímero que foi desenvolvido no início dos anos 1940 e só começou a ser utilizado em escala industrial nos anos 1970. E ela faz isso usando uma enzima, que foi batizada de PETase.

PETase

Agora, pesquisadores brasileiros ajudaram a melhorar essa enzima, aumentando sua capacidade de "quebrar" as moléculas do PET, abrindo caminho para seu uso contra um dos principais problemas ambientais da atualidade: a poluição por plásticos, que demoram muito a se degradar no meio ambiente.

"Além de identificar a Ideonella sakaiensis, os japoneses descobriram que ela produzia duas enzimas que são secretadas para o meio ambiente. Uma das enzimas secretadas era justamente a PETase. Por ter certo grau de cristalinidade, o PET é um polímero muito difícil de ser degradado. Usamos tecnicamente o termo 'recalcitrância' para nomear a propriedade que certos polímeros muito empacotados possuem de resistir à degradação. O PET é um deles. Mas a PETase o ataca e o decompõe em pequenas unidades - o ácido mono(2-hidroxietil)tereftálico (MHET). As unidades de MHET são então convertidas em ácido tereftálico e absorvidas e metabolizadas pela bactéria," detalhou o pesquisador Rodrigo Leandro Silveira, do Instituto de Química da Unicamp.

Rodrigo e seu colega Munir Salomão Skaf participaram da pesquisa para o melhoramento da PETase ao lado de pesquisadores da Universidade de Portsmouth (Reino Unido) e do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA.

A PETase ataca o PET e o decompõe em pequenas unidades MHET [ácido mono(2-hidroxietil)tereftálico]. As unidades de MHET são então convertidas em ácido tereftálico e absorvidas e metabolizadas pela bactéria.
[Imagem: Harry P. Austin et al. - 10.1073/pnas.1718804115]

Acelerando a evolução

De posse da estrutura tridimensional da PETase, os pesquisadores começaram a compará-la com proteínas aparentadas. A mais parecida é uma cutinase da bactéria Thermobifida fusca, que degrada a cutina, uma espécie de verniz natural que recobre as folhas das plantas. Certos microrganismos patogênicos utilizam cutinases para romper a barreira de cutina e se apropriar dos nutrientes presentes nas folhas.

A comparação tinha como objetivo identificar exatamente o que na PETase a torna capaz de degradar o PET. Para isso, a tática era ir eliminando partes da PETase até que ela "se reduzisse" a uma cutinase. Mas não foi isso o que a equipe obteve: eles atiraram no que viram, e acertaram no que não viram.

"Descobrimos que a PETase e a cutinase têm dois aminoácidos diferentes no sítio ativo. Por meio de procedimentos de biologia molecular, produzimos então mutações na PETase, com o objetivo de transformá-la em cutinase," contou Rodrigo. "Mas, para nossa surpresa, ao tentar suprimir a atividade peculiar da PETase, isto é, ao tentar transformar a PETase em cutinase, produzimos uma PETase ainda mais ativa. Buscávamos reduzir a atividade e, em vez disso, a aumentamos."

Com a modelagem e as simulações por computador, foi possível perceber que as alterações produzidas na PETase favorecem o acoplamento da enzima com o substrato - a enzima modificada se liga melhor ao polímero.

Em termos de uma futura aplicação prática, de obter um ingrediente capaz de degradar toneladas de lixo plástico, o estudo mostrou-se muito promissor. Agora deverão começar os esforços para passar da escala de laboratório para a industrial. Para isso, será necessário desenvolver a engenharia de reatores, otimização dos processos e avaliação de custos.

"O fato de termos conseguido uma enzima melhor fazendo uma pequena alteração sugere fortemente que essa evolução [da PETase] ainda não foi completada. Ainda há novas possibilidades evolutivas a serem compreendidas e exploradas, com vistas à obtenção de enzimas ainda mais eficientes. A PETase melhorada não é o fim do caminho. É apenas o começo," disse Rodrigo.

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