Uma bactéria ambiental comum, Comamonas testosteroni, poderia algum dia se tornar o centro de reciclagem de plástico da natureza. Enquanto a maioria das bactérias prefere comer açúcares, C. testosteroniem vez disso, tem um apetite natural por resíduos complexos de plantas e plásticos.
Em um novo estudo conduzido pela Northwestern University, os pesquisadores, pela primeira vez, decifraram os mecanismos metabólicos que permitem C. testosteroni para digerir o aparentemente indigerível. Esta nova informação pode potencialmente levar a novas plataformas de biotecnologia que aproveitam as bactérias para ajudar a reciclar resíduos de plástico.
A pesquisa será publicada em 6 de fevereiro na revista Biologia Química da Natureza.
Comomonas espécies são encontradas em quase todos os lugares – inclusive em solos e lodo de esgoto. C. testosteroni primeiro chamou a atenção dos pesquisadores com sua capacidade natural de digerir detergentes sintéticos para a roupa. Após uma análise mais aprofundada, os cientistas descobriram que esta bactéria natural também decompõe compostos de plástico e lignina (resíduos fibrosos e lenhosos das plantas).
Embora outros pesquisadores tenham trabalhado para projetar bactérias que podem decompor resíduos de plástico, Aristilde acredita que bactérias com habilidades naturais para digerir plásticos são mais promissoras para aplicações de reciclagem em larga escala.
“As bactérias do solo fornecem um recurso natural inexplorado e pouco explorado de reações bioquímicas que podem ser exploradas para nos ajudar a lidar com o acúmulo de resíduos em nosso planeta”, disse Ludmilla Aristilde, da Northwestern. “Descobrimos que o metabolismo de C. testosteroni é regulado em diferentes níveis, e esses níveis são integrados. O poder da microbiologia é incrível e pode desempenhar um papel importante no estabelecimento de uma economia circular.”
O estudo foi liderado por Aristilde, professor associado de engenharia civil e ambiental na McCormick School of Engineering da Northwestern, e Ph.D. estudante Rebecca Wilkes, que é a primeira autora do artigo. O estudo incluiu colaboradores da Universidade de Chicago, do Laboratório Nacional de Oak Ridge e da Universidade Técnica da Dinamarca.
Chutando açúcar
A maioria dos projetos para engenharia de bactérias envolve Escherichia coli porque é o organismo modelo bacteriano mais bem estudado. Mas E. Coli, em seu estado natural, consome prontamente várias formas de açúcar. Enquanto o açúcar estiver disponível, E. Coli vai consumir isso – e deixar os produtos químicos plásticos para trás.
“A engenharia de bactérias para diferentes fins é um processo trabalhoso”, disse Aristilde. “É importante observar que C. testosteroni não pode usar açúcares, ponto final. Possui limitações genéticas naturais que impedem a competição com os açúcares, tornando esta bactéria uma plataforma atraente.”
O que C. testosteroni realmente quer, porém, é uma fonte diferente de carbono. E materiais como plástico e lignina contêm compostos com um anel de saborosos átomos de carbono. Embora os pesquisadores saibam que C. testosteroni pode digerir esses compostos, Aristilde e sua equipe queriam saber como.
“Estes são compostos de carbono com química de ligação complexa”, disse Aristilde. “Muitas bactérias têm grande dificuldade em separá-las.”
Combinando diferentes ‘ômicas’
Para estudar como C. testosteroni degrada essas formas complexas de carbono, Aristilde e sua equipe combinaram múltiplas formas de análises baseadas em “ômicas”: transcriptômica (estudo de moléculas de RNA); proteômica (estudo das proteínas); metabolômica (estudo dos metabólitos); e fluxomics (estudo das reações metabólicas). Estudos abrangentes de “multi-ômica” são empreendimentos maciços que requerem uma variedade de técnicas diferentes. Aristilde lidera um dos poucos laboratórios que realiza estudos tão abrangentes.
Ao examinar a relação entre transcriptômica, proteômica, metabolômica e fluxomática, Aristilde e sua equipe mapearam as vias metabólicas que as bactérias usam para degradar compostos de plástico e lignina em carbonos para alimentos. Por fim, a equipe descobriu que as bactérias primeiro quebram o anel de carbono em cada composto. Depois de abrir o anel em uma estrutura linear, as bactérias continuam a degradá-lo em fragmentos mais curtos.
“Começamos com um composto de plástico ou lignina que tem sete ou oito carbonos ligados por meio de um núcleo circular de seis carbonos formando o chamado anel de benzeno”, explicou Aristilde. “Então, eles quebram isso em cadeias mais curtas que têm três ou quatro carbonos. No processo, as bactérias alimentam esses produtos quebrados em seu metabolismo natural, para que possam produzir aminoácidos ou DNA para ajudá-los a crescer”.
Reaproveitamento de lixo plástico
Aristilde também descobriu que C. testosteroni pode direcionar o carbono através de diferentes rotas metabólicas. Essas rotas podem levar a subprodutos úteis que podem ser usados para polímeros industrialmente relevantes, como plásticos. Aristilde e sua equipe trabalham atualmente em um projeto que investiga o metabolismo que desencadeia a biossíntese desse polímero.
“Esses Comomonas espécies têm o potencial de fazer vários polímeros relevantes para a biotecnologia”, disse Aristilde. “Isso pode levar a novas plataformas que geram plástico, diminuindo nossa dependência de produtos químicos derivados do petróleo. Um dos principais objetivos do meu laboratório é usar recursos renováveis, como converter resíduos em plástico e reciclar nutrientes de resíduos. Assim, não precisaremos continuar extraindo produtos químicos derivados do petróleo para fabricar plásticos, por exemplo.”
Aristilde é membro do Instituto de Sustentabilidade e Energia do Programa de Plásticos, Ecossistemas e Saúde Pública da Northwestern.