ABSORVER AR, FORMAR COMBUSTÍVEL.

Toda a vida no planeta depende, de uma forma ou de outra, em um processo chamado de fixação de carbono: a capacidade de plantas, algas e algumas bactérias em “bombear” o dióxido de carbono (CO2) a partir do ambiente, adicionar energia solar ou outra e transformá-lo para os açúcares que são o ponto de partida necessário para os processos da vida. No topo da cadeia alimentar estão organismos diferentes (alguns dos quais pensamos, erroneamente, que são “mais avançados”) que usam os meios opostos de sobrevivência: eles comem açúcares (produzidos por plantas fotossintéticas e microrganismos) e depois liberam dióxido de carbono para a atmosfera. Este meio de crescimento é chamado “heterotrofismo”. Os seres humanos são, é claro, heterotróficos, no sentido biológico, porque os alimentos que consomem provém dos processos de fixação de carbono dos produtores não-humanos.

Weizmann Institute bactérias cientistas engenheiro para criar açúcar do dióxido de carbono. Crédito: Weizmann Institute of Science.

Weizmann Institute em que cientistas engenheiram bactérias para criar açúcar do dióxido de carbono. Crédito: Weizmann Institute of Science.

É possível para “reprogramar” um organismo que se encontra mais elevado na cadeia alimentar, o que consome açúcar e liberta dióxido de carbono, de modo que ele irá consumir o dióxido de carbono a partir do meio ambiente e produzir os açúcares necessários para construir a sua massa corporal? Isso é exatamente o que um grupo de pesquisadores do Weizmann Institute of Science fez recentemente. O Dr. Niv Antonovsky, que liderou a pesquisa no laboratório do Institute’s Plant and Environmental Sciences Department do Prof. Ron Milo, diz que a capacidade de melhorar a fixação do carbono é fundamental para a nossa capacidade de responder a futuros desafios, tais como a necessidade de fornecer alimentos para uma população crescente encolhendo recursos terrestres e usar menos combustível fóssil.

Os cientistas do Instituto levantam-se sobre este desafio, inserindo a via metabólica para a fixação de carbono e produção de açúcar (o chamado ciclo de Calvin) na bactéria E. coli, um conhecido organismo “consumidor” que se alimenta de açúcar e libera dióxido de carbono.

A via metabólica para a fixação do carbono é bem conhecido, e Milo e seu grupo calculou que, com o planejamento apropriado, ela seria capaz de prender os genes que contêm a informação para construí-lo no genoma da bactéria. No entanto, a principal enzima utilizada em plantas para fixar carbono, a RuBisCO, utiliza como um substrato para a reação de fixação do CO2 um metabolito o qual é tóxico para as células bacterianas. Assim, a concepção devia incluir precisamente a regulação dos níveis de expressão dos vários genes através desta via de múltiplos passos.

De um modo bem pensado, a equipe teve um sucesso retumbante: As bactérias de fato produziram as enzimas de fixação de carbono, e estas eram funcionais. Mas a máquina, como um todo, não “entregava as mercadorias”. Embora o mecanismo de fixação do carbono fosse expresso, as bactérias não usam CO2 para a síntese de açúcar, confiando em vez disto a uma fonte externa de açúcar. “É claro, estávamos lidando com um organismo que tem evoluído ao longo de milhões de anos para comer açúcar, não CO2“, diz Antonovsky. “Por isso, voltou-se para a evolução para nos ajudar a criar o sistema que funcione como o planejado.”

Antonovsky, Milo e a equipe, incluindo Shmuel Gleizer, Arren Bar-Mesmo, Yehudit Zohar, Elad Herz e outros, projetados tanques próximos chamados “quimiostatos”, em que eles cultivaram as bactérias, gradualmente, empurrando-as para desenvolver um apetite por CO2. Inicialmente, juntamente com amplas bolhas de CO2, as bactérias nos reservatórios foram oferecidas uma grande quantidade de piruvato, o qual é uma fonte de energia, assim como o açúcar apenas o suficiente para sobreviver. Assim, alterando as condições de seu ambiente e estressando-os, os cientistas forçaram as bactérias a aprender, por adaptação e desenvolvimento, a usar o material mais abundante no seu ambiente. Um mês se passou, e as coisas mantiveram-se relativamente estáticas. As bactérias pareciam não “entender o recado”. Mas em cerca de um mês e meio, algumas bactérias mostraram sinais de fazer mais do que “apenas sobreviver.” No terceiro mês, os cientistas foram capazes de desabituar as bactérias e evoluir a partir do açúcar e aumentar o CO2 e piruvato sozinho. A marcação isotópica das moléculas de dióxido de carbono revelou que as bactérias foram efetivamente usando CO2 para criar uma porção significativa da sua massa corporal, incluindo todos os açúcares necessários para fazer a célula.

Quando os cientistas sequenciaram os genomas das bactérias evoluídas, eles encontraram muitas mudanças espalhados pelos cromossomas bacterianos. “Elass estavam completamente diferente do que havíamos previsto”, diz Milo. “Levamos dois anos de trabalho duro para entender quais destas mudanças são essenciais e para desvendar a “lógica” envolvida em sua evolução”. Repetindo a experiência (e novamente meses de espera) os cientistas acharam pistas essenciais para a identificação das mutações necessárias para modificar a dieta de E. coli a partir de uma base de açúcar para um uso de dióxido de carbono.

Milo disse: “A capacidade de programar ou reengenharia E. coli para corrigir o carbono poderia dar aos pesquisadores uma nova caixa de ferramentas para o estudo e aperfeiçoamento do processo básico.” Embora atualmente as bactérias liberem CO2 para a atmosfera, a equipe prevê que no futuro os seus conhecimentos podem ser aplicados para a criação de microrganismos que absorvam CO2 da atmosfera e converta-o em energia armazenada ou criar culturas com as vias de fixação de carbono, resultando em rendimentos mais elevados e melhor adaptação à alimentação humana.

Journal Reference:
1. Niv Antonovsky et al. Sugar Synthesis from CO2 in Escherichia coli.Cell, June 2016 DOI: 10.1016/j.cell.2016.05.064

Fonte: Science Daily

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