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Novos caminhos metabólicos sintéticos para fixação de dióxido de carbono podem não apenas ajudar a reduzir o teor de dióxido de carbono da atmosfera, mas também substituir processos químicos convencionais de fabricação de produtos farmacêuticos e ingredientes ativos por processos biológicos neutros em carbono. Um novo estudo demonstra um processo que pode transformar o dióxido de carbono em um material valioso para a indústria bioquímica por meio do ácido fórmico.
Tendo em vista o aumento das emissões de gases de efeito estufa, a captura de carbono, o sequestro de dióxido de carbono de grandes fontes de emissão, é uma questão urgente. Na natureza, a assimilação de dióxido de carbono ocorre há milhões de anos, mas sua capacidade está longe de ser suficiente para compensar as emissões produzidas pelo homem.
Pesquisadores liderados por Tobias Erb no Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre estão usando a caixa de ferramentas da natureza para desenvolver novas formas de fixação de dióxido de carbono. Eles agora conseguiram desenvolver uma via metabólica artificial que produz o formaldeído altamente reativo a partir do ácido fórmico, um possível produto intermediário da fotossíntese artificial. O formaldeído pode ser alimentado diretamente em várias vias metabólicas para formar outras substâncias valiosas sem quaisquer efeitos tóxicos. Como no processo natural, dois componentes primários são necessários: Energia e carbono. O primeiro pode ser fornecido não apenas pela luz solar direta, mas também pela eletricidade – por exemplo, de módulos solares.
O ácido fórmico é um bloco de construção C1
Dentro da cadeia de valor agregado, a fonte de carbono é variável. o dióxido de carbono não é a única opção aqui, todos os monocarbonos (blocos de construção C1) são questionados: monóxido de carbono, ácido fórmico, formaldeído, metanol e metano. No entanto, quase todas essas substâncias são altamente tóxicas – seja para organismos vivos (monóxido de carbono, formaldeído, metanol) ou para o planeta (metano como gás de efeito estufa). Somente o ácido fórmico, quando neutralizado em seu formato básico, é tolerado por muitos microrganismos em altas concentrações.
“O ácido fórmico é uma fonte de carbono muito promissora”, enfatiza Maren Nattermann, primeira autora do estudo. “Mas convertê-lo em formaldeído no tubo de ensaio é bastante intensivo em energia.” Isso ocorre porque o sal do ácido fórmico, formato, não pode ser convertido facilmente em formaldeído. “Existe uma séria barreira química entre as duas moléculas que temos que superar com energia bioquímica – ATP – antes de podermos realizar a reação real.”
O objetivo do pesquisador era encontrar uma forma mais econômica. Afinal, quanto menos energia for necessária para alimentar o metabolismo com carbono, mais energia restará para impulsionar o crescimento ou a produção. Mas tal caminho não existe na natureza. “É preciso muita criatividade para descobrir as chamadas enzimas promíscuas com múltiplas funções”, diz Tobias Erb. “No entanto, a descoberta de enzimas candidatas é apenas o começo. Estamos falando de reações que você pode contar, já que são muito lentas – em alguns casos, menos de uma reação por segundo por enzima. Reações naturais podem acontecer mil vezes mais rápido.” É aqui que entra a bioquímica sintética, diz Maren Nattermann: “Se você conhece a estrutura e o mecanismo de uma enzima, sabe onde intervir. Aqui, nos beneficiamos significativamente do trabalho preliminar de nossos colegas da pesquisa básica.”
A tecnologia de alto rendimento acelera a otimização de enzimas
A otimização das enzimas envolveu várias abordagens: blocos de construção foram especificamente trocados e mutações aleatórias foram geradas e selecionadas para capacidade. “O formiato e o formaldeído são perfeitamente adequados porque penetram nas paredes das células. Podemos colocar o formiato no meio de cultura das células que produzem nossas enzimas e, após algumas horas, converter o formaldeído produzido em um corante amarelo não tóxico”, explica Maren Nattermann .
O resultado não teria sido possível em tão pouco tempo sem o uso de métodos de alto rendimento. Para conseguir isso, os pesquisadores cooperaram com seu parceiro industrial Festo, com sede em Esslingen, na Alemanha. “Após cerca de 4.000 variantes, alcançamos uma melhoria de quatro vezes na produção”, diz Maren Nattermann. “Criamos assim a base para o modelo mikrobe Escherichia coli, o burro de carga microbiano da biotecnologia, para crescer em ácido fórmico. Por enquanto, no entanto, nossas células só podem produzir formaldeído, não convertê-lo ainda mais.”
Com o parceiro de colaboração Sebastian Wenk no Instituto Max Planck de Fisiologia Molecular de Plantas, os pesquisadores estão desenvolvendo uma cepa que pode absorver os intermediários e introduzi-los no metabolismo central. Paralelamente, a equipe está realizando pesquisas com um grupo de trabalho do Instituto Max Planck para Conversão de Energia Química, liderado por Walter Leitner, sobre a conversão eletroquímica de dióxido de carbono em ácido fórmico. O objetivo de longo prazo é uma “plataforma tudo-em-um” – do dióxido de carbono por meio de um processo eletrobioquímico a produtos como insulina ou biodiesel.
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