Nosso corpo produz muitas enzimas que quebram substâncias tóxicas. Uma classe dessas enzimas são as monooxigenases contendo flavina (FMOs), que estão presentes em todos os tetrápodes. Os seres humanos têm cinco genes FMO diferentes, dos quais os quatro primeiros exibem a mesma atividade. No entanto, o quinto gene FMO desencadeia uma reação de degradação diferente. Os bioquímicos da Universidade de Groningen conseguiram ressuscitar os genes ancestrais de todos os FMOs tetrápodes para mostrar como essa divergência ocorreu. Seus resultados aparecem em 24 de fevereiro em Natureza Comunicações.
Os FMOs estão presentes em todas as formas de vida, desde bactérias até plantas e animais. Em humanos, os FMOs podem decompor uma ampla gama de substâncias tóxicas. Dos cinco genes FMO presentes em humanos, e de fato em todos os tetrápodes (animais vertebrados de quatro membros), quatro são responsáveis pela oxidação de grupos específicos (heteroátomos) em moléculas tóxicas para torná-los inofensivos. No entanto, o FMO5 causa uma reação química muito diferente, inserindo um átomo de oxigênio entre dois átomos de carbono em um composto de cetona ou aldeído.
árvore evolutiva
“Nossa pergunta era por que esse gene FMO produz uma enzima com uma atividade diferente”, diz Laura Mascotti, especialista em reconstruir a história evolutiva das proteínas. Mascotti é pós-doutorando no grupo de pesquisa da Universidade de Groningen liderado pelo professor de Engenharia Enzimática Marco Fraaije e autor final do Natureza Comunicações papel. A duplicação de genes é bastante comum, e a teoria evolutiva permite que diferentes cópias do mesmo gene diverjam. ‘Queríamos descobrir se o FMO5 desenvolveu um novo mecanismo de reação, ou se o gene ancestral poderia desencadear ambas as reações, e os outros FMOs mais tarde perderam um dos dois.’
Além da curiosidade – o grupo de Fraaije reconstruiu anteriormente a estrutura de quatro dos cinco FMOs ancestrais de mamíferos – esse trabalho pode ajudar a modificar a ação da enzima ou a projetar drogas que sejam ativadas por ela. Mascotti: ‘Para o nosso artigo anterior, compilamos sequências de enzimas FMO em todos os organismos vivos, que então usamos para construir uma árvore evolutiva.’ Isso revelou que os FMOs de mamíferos 1 a 4 estavam intimamente relacionados, enquanto o FMO5 era ligeiramente diferente. ‘Como todos os tetrápodes têm esses cinco genes, sabíamos aproximadamente quando o gene ancestral divergiu nessas duas versões.’
Enzimas ressuscitadas
Ela calculou a sequência de aminoácidos mais provável para a enzima ancestral comum, bem como os genes ancestrais para FMOs 1-4 e FMO5. “Fizemos isso inferindo o aminoácido mais provável em cada posição da proteína”, explica Mascotti. “O resultado provavelmente não é a sequência original precisa, mas ainda pode reproduzir a atividade da enzima com um alto grau de probabilidade.” Feito esse trabalho, o próximo passo era ressuscitar as enzimas ancestrais. ‘Para isso, ordenamos os genes que produziriam as enzimas ancestrais e os expressamos em E.coli. Isso produziu as enzimas e pudemos determinar sua atividade”.
As enzimas ressuscitadas produziram resultados esperados e inesperados: ‘Os ancestrais dos dois tipos de enzimas exibiram aproximadamente a mesma atividade de agora. No entanto, a enzima ancestral de todos os cinco FMOs poderia catalisar ambas as reações’, diz Mascotti. A enzima pode oxidar ambos os heteroátomos e cetonas e aldeídos. Isso sugere que os genes atuais simplesmente perderam uma dessas funções. Além disso, os pesquisadores demonstraram que mudanças em apenas três aminoácidos na estrutura da enzima explicaram essa diferença de atividade.
“Isso significa que a história dessas enzimas é bastante simples”, conclui Mascotti. “Acreditamos que o gene ancestral pode fazer tudo. Esse gene foi então copiado, o que significava que as cópias excedentes poderiam evoluir mais livremente, resultando em diferentes enzimas para as duas funções. Curiosamente, isso aconteceu em uma época em que os tetrápodes se mudaram do oceano para a terra. ‘As plantas produzem muitos metabólitos tóxicos, então havia uma vantagem seletiva para os animais que poderiam quebrar essas toxinas de forma eficiente.’
Drogas
Os pesquisadores também descobriram que o cofator que as enzimas usam é importante para o tipo de reação que desencadeiam. ‘Aminoácidos que não fazem parte do sítio ativo, mas que interagem com o cofator parecem ser vitais. Normalmente, os cofatores são apenas doadores de elétrons, mas neste caso eles determinam o tipo de atividade, que é bastante singular.’ Esse conhecimento sobre a relação entre a estrutura e a função da enzima é importante para manipular enzimas desintoxicantes ou para projetar inibidores que reduzam a degradação de drogas.
Mascotti: ‘Nós satisfazemos nossa curiosidade sobre a história dessas enzimas e descobrimos novos insights sobre a maneira como elas funcionam. Além disso, só poderíamos fazê-lo colaborando em uma equipe muito diversificada, com especialistas em enzimologia, evolução e estrutura de proteínas.’