Um gosto pelo dióxido de carbono

As nitrogenases estão entre as enzimas geoquimicamente mais importantes da Terra, fornecendo a todas as formas de vida nitrogênio biodisponível na forma de amônia (NH₃). Algumas nitrogenases também podem converter CO diretamente₂ em cadeias de hidrocarbonetos, tornando-as um alvo interessante para o desenvolvimento de processos biotecnológicos. Uma equipe de pesquisadores em Marburg, Alemanha, liderada pelo cientista do Max Planck Johannes Rebelein, agora forneceu uma visão abrangente sobre a especificidade do substrato e as preferências da nitrogenase. Seus resultados desafiam a compreensão atual das nitrogenases e destacam seu potencial para bioprodução sustentável.

O nitrogênio é um dos principais blocos de construção das nossas células. No entanto, a maior parte do nitrogênio na Terra ocorre como N gasoso₂ e é quimicamente inutilizável pelas células. Apenas uma única família de enzimas é capaz de converter N₂ na forma biodisponível de amônia (NH₃): nitrogenases.

Pesquisadores liderados por Johannes Rebelein do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre em Marburg descobriram recentemente que algumas nitrogenases também podem lidar com outro substrato importante: elas reduzem o gás de efeito estufa CO₂ para hidrocarbonetos (metano, etileno, etano) e ácido fórmico. Todos esses produtos são fontes potenciais de energia e produtos químicos industrialmente importantes. Com vistas à bioprodução sustentável e neutra em carbono, a equipe queria saber: Quão bem as enzimas podem discriminar entre CO₂ e N₂? E os microrganismos que crescem em N₂ também reduzem o CO₂ em condições fisiológicas normais?

Duas isoenzimas

Para responder a essas perguntas, os pesquisadores se concentraram na bactéria fotossintética Rhodobacter capsulatusque abriga duas isoenzimas: a nitrogenase de molibdênio (Mo) e a nitrogenase de ferro (Fe), que a bactéria precisa como reserva em caso de deficiência de molibdênio. Os pesquisadores isolaram ambas as nitrogenases e compararam seus CO₂ redução usando testes bioquímicos. Eles descobriram que a nitrogenase Fe na verdade reduz o CO₂ três vezes mais eficientemente do que sua contraparte contendo molibdênio e produz ácido fórmico e metano em CO atmosférico₂ concentrações.

Quando ambas as enzimas receberam CO₂ e N₂ ao mesmo tempo, outra diferença importante tornou-se aparente: enquanto a Mo-nitrogenase reduz seletivamente o N2, a Fe-nitrogenase tende a escolher o CO₂ como substrato. “Normalmente, uma velocidade de reação mais alta em enzimas vem à custa da precisão. Curiosamente, a Mo-nitrogenase é mais rápida e mais seletiva, mostrando sua vantagem em N₂ redução. A menor especificidade da nitrogenase de Fe e sua preferência por CO₂ torná-lo um ponto de partida promissor para o desenvolvimento de novos CO₂ redutases”, diz Frederik Schmidt, aluno de doutorado no laboratório de Johannes Rebelein e coautor do estudo.

CO2 generalizado₂ redução na natureza?

A baixa seletividade não foi a única surpresa. “Analisamos qual fração de elétrons acabou em qual produto e descobrimos que o metano e as altas concentrações de ácido fórmico derivadas do CO₂ conversão pela nitrogenase de Fe foram secretados pelas bactérias mesmo quando não havia CO adicional₂ foi adicionado à cultura: o CO derivado metabolicamente₂ foi suficiente para conduzir este processo. Esta descoberta sugere que o CO catalisado pela nitrogenase de Fe₂ a redução pode de fato ser generalizada na natureza”, diz Niels Oehlmann, co-primeiro autor do estudo. Isso também significa que a disponibilidade e a troca de substratos de um carbono provavelmente influenciam comunidades microbianas em diferentes ambientes.

O trabalho desafia a visão tradicional das nitrogenases como verdadeiras enzimas conversoras de nitrogênio. Bactérias fotossintéticas como R. capsulatusque usam energia luminosa para estimular as nitrogenases a converter o gás de efeito estufa CO₂poderia desempenhar um papel fundamental não apenas em seu impacto ambiental, mas também na mudança social em direção a uma economia circular sustentável, diz Johannes Rebelein. “A ideia é que possamos armazenar a energia da luz solar capturada pelo aparato fotossintético do microrganismo nos hidrocarbonetos produzidos pela nitrogenase. No futuro, queremos desenvolver ainda mais a nitrogenase de ferro para usá-la para CO₂ fixação e utilização.