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Usando a evolução como princípio orientador, pesquisadores projetaram com sucesso híbridos de bactéria-levedura para realizar assimilação de carbono fotossintético, gerar energia celular e dar suporte ao crescimento de levedura sem matérias-primas de carbono tradicionais como glicose ou glicerol. Ao projetar cianobactérias fotossintéticas para viver simbioticamente dentro de células de levedura, os híbridos de bactéria-levedura podem produzir hidrocarbonetos importantes, abrindo novos caminhos biotécnicos para energia não baseada em petróleo, outras aplicações de biologia sintética e o estudo experimental da evolução.
“Todas as células que têm um núcleo também abrigam uma variedade de organelas — como mitocôndrias e cloroplastos — que desempenham funções específicas e contêm seu próprio DNA”, disse Angad Mehta, professor de química da University of Illinois Urbana-Champaign, que liderou a equipe de pesquisa de Illinois. “Os pesquisadores há muito teorizavam que formas de vida complexas tinham início quando um desses tipos de células se fundia com outra em um processo chamado endossimbiose.”
Em um estudo anterior, a equipe de Mehta mostrou que quimeras de cianobactérias-leveduras geradas em laboratório, ou endosimbiontes, podem fornecer ATP gerado fotossinteticamente para a levedura, mas não fornecem açúcares. No novo estudo, a equipe projetou cianobactérias para quebrar açúcares e secretar glicose, então as combinou com células de levedura para criar quimeras que podem crescer na presença de CO2usando o açúcar e a energia produzidos pelas bactérias.
Os resultados do estudo foram publicados na revista Comunicações da Natureza.
Munidos da capacidade de transformar um organismo não fotossintético em uma forma de vida quimérica e fotossintética, a equipe concentrou sua pesquisa em determinar como essas quimeras poderiam ser usadas para bioengenharia de novas vias metabólicas capazes de produzir produtos valiosos como o limoneno, um composto de hidrocarboneto simples encontrado em frutas cítricas, sob condições fotossintéticas.
“Limoneno é uma molécula relativamente simples, mas importante, com um grande mercado”, disse Mehta, que também é afiliado ao Carl R. Woese Institute for Genomic Biology. “Este estudo de prova de conceito nos mostra que podemos projetar caminhos em nossos híbridos para produzir fotossinteticamente limoneno, que pertence a uma classe de moléculas chamadas terpenoides, que também são precursoras de muitos compostos de alto valor, como combustíveis, medicamentos anticâncer e antimaláricos.”
Mehta disse que seus objetivos para essa linha de pesquisa são determinar se seu método pode produzir compostos mais complexos, como combustíveis e produtos farmacêuticos, e se for o caso, trabalhar para ampliar o processo para que seja comercializável.
“Acho que seria incrível chegar ao ponto em que pudéssemos garantir que cada pedaço de carbono em um composto de alto valor venha do CO2“, disse Mehta. “Esta pode ser uma maneira de reciclar CO2 desperdício no futuro.”
A equipe também disse que em sua busca para entender e aperfeiçoar sistemas endossimbióticos para avançar a biotecnologia, eles também responderão a muitas questões evolucionárias fundamentais ao longo do caminho. “Isso vai acontecer, quer pretendamos ou não”, disse Mehta. “Estamos sempre de olho em como nosso trabalho pode responder a alguns dos mistérios por trás de como a vida evoluiu. Na minha opinião, a melhor maneira de projetar sistemas endossimbióticos será recriando o processo de evolução no laboratório. Encontrar respostas para algumas das maiores questões da biologia virá naturalmente.”
Os pesquisadores de Illinois Yang-le Gao, Jason Cournoyer, Bidhan De, Catherine Wallace, Alexander Ulanov e Michael La Frano também participaram deste estudo. O National Institutes of Health apoiou esta pesquisa.
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