Inovação - Identificada enzima que transforma biomassa em bioprodutos
Grupo de pesquisa internacional, do qual participam pesquisadores da Universidade de Campinas (Unicamp), identificou uma nova enzima e elucidou o seu mecanismo de ação, que cumpre papel importante no processo de conversão da biomassa lignocelulósica, proveniente de fontes renováveis como cana-de-açúcar e milho, em produtos de alto valor agregado, entre eles biomateriais, biocombustíveis e bioplásticos. Artigo científico com os resultados do estudo foi publicado em junho pela revista Nature Communications. A contribuição dos brasileiros ao projeto foi na área computacional, por meio de simulações que orientaram as experimentações.
Imagens: Jornal da Unicamp
Objetivo é gerar produtos de alto valor agregado, como biocombustíveis e biomateriais, explica Silveira
Pela Unicamp, participaram o pós-doutorando em Química Rodrigo Leandro Silveira e seu supervisor, o professor Munir Skaf, que também responde pela Pró-Reitoria de Pesquisa da universidade. Silveira explica que embora enzimas da mesma família, conhecidas como citocromos P450, ocorram comumente na natureza, inclusive no organismo humano, respondendo por boa parte do metabolismo de fármacos no fígado, não se conhecia até o momento um representante envolvido em processos de conversão de lignina. Os pesquisadores batizaram essa enzima de GcoA. “Diferente de outras enzimas, ela é extremamente versátil, com capacidade de atuar em diferentes substratos”, compara.
Segundo Silveira, a enzima está relacionada ao metabolismo bacteriano da lignina, um polímero que, junto com a celulose e a hemicelulose, confere resistência e defesa às plantas. Dito de modo simplificado, uma determinada classe de bactérias utiliza a enzima para degradar a lignina e utilizá-la como fonte de energia, ou seja, como alimento. “Trata-se de um processo bastante sofisticado porque a lignina apresenta uma composição química muito heterogênea. Do ponto de vista molecular, ela é composta por muitas unidades diferentes, que por sua vez apresentam ligações químicas igualmente diversas, as quais devem ser cuidadosamente desfeitas durante as reações químicas do metabolismo bacteriano de lignina”, observa Silveira.
Nesses casos, continua o pesquisador, normalmente é preciso uma grande variedade de enzimas para quebrar todas essas ligações e assim degradar a lignina, que é um polímero aromático. “Ocorre que a enzima que descobrimos, que catalisa uma etapa crítica do processo chamada de O-desmetilação aromática, consegue atuar em uma grande variedade de subunidades de lignina. À medida em que liga essas subunidades, a GcoA as transforma em um único intermediário, chamado catecol, um precursor de ácido mucônico, que pode ser cataliticamente convertido em matéria-prima para produção de plásticos, por exemplo. Nós utilizamos a engenharia metabólica para modificar os genes da bactéria, de modo a canalizar esse processo para o objetivo que queremos, que é o de gerar produtos de alto valor agregado, como biocombustíveis e biomateriais”, detalha Silveira.
Estrutura tridimensional da GcoA imediatamente após ter capturado a subunidade de lignina denominada Catecol (em amarelo) para iniciar a reação química
Professor Munir Skaf, pró-reitor de Pesquisa da Unicamp
Antes de promoverem essa modificação genética, no entanto, os cientistas buscaram entender o mecanismo de ação da enzima. Isso foi feito através de avançadas técnicas computacionais, conhecidas como simulações de dinâmica molecular, capazes de representar o comportamento da estrutura. “Utilizamos como ponto de partida a estrutura da enzima obtida experimentalmente por técnicas de difração de raios X. Então, utilizamos centenas de computadores trabalhando em conjunto para resolver as equações que governam o movimento de cada um dos átomos da enzima ao longo do tempo, para assim entender sua dinâmica e seu mecanismo de funcionamento”, pormenoriza o pesquisador. Esse trabalho foi executado no Centro de Pesquisa em Engenharia e Ciências Computacionais, que está sediado no Instituto de Química da Unicamp e é coordenado pelo professor Munir Skaf.
Silveira assinala que atualmente os computadores estão tão robustos e os algoritmos tão sofisticados que as simulações chegam bem perto da realidade. “Ao usarmos esse tipo de técnica, nós verificamos quais são os elementos presentes nessa enzima, que fazem com que ela seja tão versátil para atuar em diferentes substratos. O que nós vimos foi que ela funciona como uma planta carnívora. Ela se abre para capturar o substrato, depois se fecha e se adapta em torno dele”, explica.
O próximo passo dentro do projeto de pesquisa, adianta o professor Munir Skaf, será produzir a enzima devoradora de lignina em maior escala. “Imaginemos que o nosso objetivo futuro seja produzir biocombustível a partir de biomassa. Para atender à demanda mundial, nós precisaremos de muitas toneladas de enzima, o que não é um desafio trivial de ser superado”, diz.
Além da Unicamp, estão participando do estudo três universidades dos EUA (Califórnia, Georgia e Montana), o também norte-americano Laboratório Nacional de Energias Renováveis e a Universidade de Portsmouth (Reino Unido).
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