Enzima fabrica biocombustíveis mais baratos

Em um passo em direção ao aumento da relação custo-benefício dos biocombustíveis e bioprodutos renováveis, os cientistas do Oak Ridge National Laboratory descobriram uma enzima microbiana que degrada ligações difíceis de quebrar na lignina, um produto residual de biorrefinarias.

Quando inserida em uma bactéria produzida pela bioengenharia, a enzima ajuda a converter de forma eficiente os compostos de lignina em um componente comum dos plásticos, abrindo um caminho para transformar resíduos em um produto bioquímico comercialmente valioso.

"A lignina é um polímero realmente complicado", disse Josh Michener, que liderou a pesquisa do ORNL, conforme detalhado em Engenharia Metabólica . O polímero, que contribui para a rigidez estrutural das plantas, consiste em unidades monoméricas úteis mantidas juntas por ligações fracas e fortes. Com a lignina compreendendo de 20% a 30% da biomassa vegetal por peso, quebrar as fortes ligações do polímero e converter os produtos químicos que eles unem em produtos de valor agregado é necessário para tornar a produção de biocombustíveis e produtos de base vegetal economicamente viável.

Diversas comunidades de bactérias e fungos executam esses processos na natureza, mas manter uma mistura de tantos micróbios diferentes em um biorreator pode ser complicado. Para resolver esse problema, os cientistas do ORNL no Center for Bioenergy Innovation, ou CBI, querem identificar as enzimas que os micróbios usam para degradar ligações específicas na lignina e criar os genes que codificam essas enzimas em um único organismo.

Trabalhando para esse objetivo, os pesquisadores do ORNL almejaram uma ligação particularmente teimosa ligando duas moléculas de carbono em um dímero de lignina - uma unidade de dois monômeros unidos - chamada 1,2-diguaiacilpropano-1,3-diol, ou DGPD.

A equipe usou a bactéria Novosphingobium aromaticivorans, um micróbio com interesse na valorização da lignina. Depois de identificar e cultivar uma cepa mutante de N. aromaticivorans que degradou com eficiência a ligação desejada em DGPD, os pesquisadores usaram genética bacteriana e técnicas de interrupção de genes para descobrir qual enzima era responsável.

Para sua surpresa, a enzima que identificaram - que chamaram de LsdE - foi rotulada como uma proteína hipotética, o que significa que sua função era desconhecida.

"Ninguém tinha visto esse tipo de química antes", disse Michener. "Não havia nenhum exemplo na literatura de uma única enzima que pudesse fazer essa transformação em particular."

A descoberta foi possível graças à abordagem em escala do genoma da equipe do ORNL. As técnicas de biologia freqüentemente dependem da homologia, um método de exame de enzimas que parecem semelhantes àquelas com funções conhecidas. No entanto, Michener observou: "Quando procuramos uma proteína hipotética que nunca foi descrita, não podemos encontrá-la por homologia."

Em vez disso, a equipe usou técnicas genéticas que lhes permitiram encontrar pistas examinando amplamente o genoma de N. aromaticivorans. Eles então construíram um conjunto de micróbios mutantes, cada um com um único gene interrompido. Coletivamente, cada gene não essencial foi interrompido em pelo menos um desses mutantes.

Se o micróbio mutante perdesse sua capacidade de quebrar o dímero DGPD quando um determinado gene fosse removido, os pesquisadores poderiam determinar que a enzima codificada por aquele gene era responsável pela degradação, sem precisar saber de antemão sua função.

"Nesse caso, não havia razão para olharmos para o LsdE e dizermos que obviamente essa enzima faz aquela reação", disse Michener. "Essa foi uma das partes mais emocionantes - e o fato de que temos métodos para fazer esse tipo de descoberta."

Em um micróbio diferente, novas possibilidades

Depois de identificar o LsdE, a equipe do ORNL testou para ver se poderia validar ainda mais sua função. O teste confirmou o papel da LsdE e revelou que uma enzima mais conhecida, a LsdA, desempenhou um papel complementar na decomposição do DGPD em compostos úteis.

No Laboratório Nacional de Energia Renovável, um parceiro do projeto no CBI, os cientistas inseriram ambas as enzimas em uma cepa da bactéria Pseudomonas putida que já havia sido projetada para produzir ácido mucônico, um precursor de valor agregado para plásticos. Eles descobriram que a adição das enzimas permitiu que P. putida convertesse DGPD em ácido mucônico com um rendimento de quase 100%.

"Com muitos produtos, você está perdendo carbono ao longo do caminho", disse Allison Werner, pesquisadora de pós-doutorado do NREL e co-autora do estudo. "Mas, neste caso, temos um caminho muito eficiente."

"Com o melhor de nossas capacidades analíticas, cada molécula do dímero com que começamos foi convertida em duas moléculas do produto, o que é bastante fenomenal", disse Michener.

Este trabalho faz parte de um esforço maior para converter a lignina em produtos de valor agregado. Pesquisas futuras terão como objetivo descobrir novas enzimas que quebram outras ligações difíceis e compreender melhor a estrutura química do LsdE.