Uma equipe de pesquisa liderada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e UC Berkeley desenvolveu bactérias para produzir produtos de carbono novos para a natureza que poderiam fornecer uma rota poderosa para bioquímicos sustentáveis.
O avanço – que foi anunciado recentemente na revista Natureza — usa bactérias para combinar reações enzimáticas naturais com uma reação nova na natureza chamada “reação de transferência de carbeno”. Este trabalho também pode um dia ajudar a reduzir as emissões industriais porque oferece alternativas sustentáveis aos processos de fabricação de produtos químicos que normalmente dependem de combustíveis fósseis.
“O que mostramos neste artigo é que podemos sintetizar tudo nesta reação – de enzimas naturais a carbenos – dentro da célula bacteriana. Tudo que você precisa adicionar é açúcar e as células fazem o resto”, disse Jay Keasling, um investigador principal do estudo e CEO do Joint BioEnergy Institute (JBEI) do Departamento de Energia.
Os carbenos são produtos químicos altamente reativos à base de carbono que podem ser usados em muitos tipos diferentes de reações. Durante décadas, os cientistas quiseram usar reações de carbeno na fabricação de combustíveis e produtos químicos e na descoberta e síntese de medicamentos.
Mas esses processos de carbeno só podiam ser realizados em pequenos lotes por meio de tubos de ensaio e exigiam substâncias químicas caras para conduzir a reação.
No novo estudo, os pesquisadores substituíram reagentes químicos caros por produtos naturais que podem ser produzidos por uma cepa modificada da bactéria. Streptomyces. Como as bactérias usam açúcar para produzir produtos químicos por meio do metabolismo celular, “este trabalho nos permite realizar a química do carbeno sem solventes tóxicos ou gases tóxicos normalmente usados na síntese química”, disse o primeiro autor Jing Huang, pesquisador de pós-doutorado do Berkeley Lab no Keasling Laboratório. “Esse processo biológico é muito mais ecológico do que a forma como os produtos químicos são sintetizados hoje”, disse Huang.
Durante experimentos no JBEI, os pesquisadores observaram a bactéria modificada enquanto ela metabolizava e convertia açúcares no precursor do carbeno e no substrato do alceno. A bactéria também expressou uma enzima P450 evoluída que usou esses produtos químicos para produzir ciclopropanos, moléculas de alta energia que poderiam ser usadas na produção sustentável de novos compostos bioativos e biocombustíveis avançados. “Agora podemos realizar essas reações interessantes dentro da célula bacteriana. As células produzem todos os reagentes e cofatores, o que significa que você pode escalar essa reação em escalas muito grandes” para fabricação em massa, disse Keasling.
O recrutamento de bactérias para sintetizar produtos químicos também pode desempenhar um papel integral na redução das emissões de carbono, disse Huang. Segundo outros pesquisadores do Berkeley Lab, cerca de 50% das emissões de gases de efeito estufa vêm da produção de produtos químicos, ferro e aço e cimento. Limitar o aquecimento global a 1,5 grau Celsius acima dos níveis pré-industriais exigirá cortar severamente as emissões de gases de efeito estufa pela metade até 2030, diz um relatório recente do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas.
Huang disse que, embora esse sistema totalmente integrado possa ser previsto para um grande número de moléculas doadoras de carbeno e substratos de alceno, ainda não está pronto para comercialização.
“Para cada novo avanço, alguém precisa dar o primeiro passo. E na ciência, pode levar anos até que você tenha sucesso. Mas você tem que continuar tentando – não podemos desistir. Espero que nosso trabalho inspire outras pessoas continuar buscando soluções de biomanufatura mais ecológicas e sustentáveis”, disse Huang.
Este trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science e DOE Office of Biological and Environmental Research. Apoio adicional foi fornecido pela National Science Foundation.