O formato pode ser visto como a espinha dorsal de uma bioeconomia neutra em carbono, produzido a partir de CO2 por meio de métodos (eletro)químicos e convertido em produtos de valor agregado utilizando cascatas enzimáticas ou microrganismos geneticamente modificados. Uma etapa importante na expansão da assimilação do formato sintético é a sua redução termodinamicamente complexa do formaldeído, que aqui se manifesta como uma mudança de cor para amarelo. Crédito: Instituto de Microbiologia Terrestre Max Planck/Geisel.
Cientistas do Instituto Max Planck criaram uma via metabólica sintética que converte dióxido de carbono em formaldeído com a ajuda do ácido fórmico, oferecendo uma maneira neutra em carbono de produzir materiais valiosos.
Novas vias anabólicas para a fixação de dióxido de carbono não só ajudam a reduzir os níveis de dióxido de carbono na atmosfera, como também podem substituir a produção química tradicional de produtos farmacêuticos e ingredientes ativos por processos biológicos neutros em carbono. Uma nova pesquisa demonstra um processo pelo qual o ácido fórmico pode ser usado para converter dióxido de carbono em um material valioso para a indústria bioquímica.
Considerando o aumento das emissões de gases de efeito estufa, o sequestro de carbono ou de dióxido de carbono proveniente de grandes fontes emissoras 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 antropogênicas.
Pesquisadores liderados por Tobias Erb, do Instituto de Microbiologia Terrestre Max Planck, utilizam ferramentas naturais para desenvolver novos métodos de fixação de dióxido de carbono. Eles conseguiram desenvolver uma via metabólica artificial que produz formaldeído altamente reativo a partir do ácido fórmico, um possível intermediário na fotossíntese artificial. O formaldeído pode entrar diretamente em diversas vias metabólicas para formar outras substâncias valiosas sem efeitos tóxicos. Assim como em um processo natural, dois ingredientes principais são necessários: energia e carbono. A energia pode ser fornecida não apenas pela luz solar direta, mas também por eletricidade – por exemplo, por painéis solares.
Na cadeia de valor, as fontes de carbono são variáveis. O dióxido de carbono não é a única opção; estamos falando de todos os compostos de carbono individuais (blocos de construção C1): monóxido de carbono, ácido fórmico, formaldeído, metanol e metano. No entanto, quase todas essas substâncias são altamente tóxicas, tanto para os organismos vivos (monóxido de carbono, formaldeído, metanol) quanto para o planeta (metano, como gás de efeito estufa). Somente após a neutralização do ácido fórmico em seu formato básico é que muitos microrganismos toleram altas concentrações dessa substância.
“O ácido fórmico é uma fonte de carbono muito promissora”, enfatiza Maren Nattermann, primeira autora do estudo. “Mas convertê-lo em formaldeído in vitro consome muita energia.” Isso ocorre porque o formiato, o sal do formiato, não é facilmente convertido em formaldeído. “Existe uma barreira química significativa entre essas duas moléculas e, antes de podermos realizar uma reação real, precisamos superá-la com a ajuda de energia bioquímica – o ATP.”
O objetivo dos pesquisadores era encontrar uma maneira mais econômica. Afinal, quanto menos energia for necessária para fornecer carbono ao metabolismo, mais energia poderá ser usada para estimular o crescimento ou a produção. Mas não existe tal maneira na natureza. “A descoberta das chamadas enzimas híbridas com múltiplas funções exigiu certa criatividade”, diz Tobias Erb. “No entanto, a descoberta de enzimas candidatas é apenas o começo. Estamos falando de reações que podem ser contadas juntas porque são muito lentas — em alguns casos, há menos de uma reação por segundo por enzima. As reações naturais podem ocorrer a uma velocidade mil vezes maior.” É aí que entra a bioquímica sintética, diz Maren Nattermann: “Se você conhece a estrutura e o mecanismo de uma enzima, sabe onde intervir. Isso tem sido de grande benefício.”
A otimização de enzimas envolve diversas abordagens: troca de blocos de construção especializados, geração de mutações aleatórias e seleção de capacidade. “Tanto o formato quanto o formaldeído são muito adequados porque conseguem penetrar as paredes celulares. Podemos adicionar formato ao meio de cultura celular, o que produz uma enzima que transforma o formaldeído resultante em um corante amarelo não tóxico após algumas horas”, disse Maren. Nattermann explicou.
Resultados obtidos em um período tão curto não seriam possíveis sem o uso de métodos de alto rendimento. Para isso, os pesquisadores colaboraram com a empresa Festo, parceira industrial em Esslingen, Alemanha. "Após cerca de 4.000 variações, quadruplicamos nosso rendimento", afirma Maren Nattermann. "Assim, criamos a base para o crescimento do microrganismo modelo E. coli, o principal microrganismo da biotecnologia, em ácido fórmico. No entanto, no momento, nossas células só conseguem produzir formaldeído e não podem realizar outras transformações."
Em colaboração com Sebastian Wink, do Instituto de Fisiologia Molecular de Plantas, pesquisadores do Instituto Max Planck estão desenvolvendo uma cepa capaz de absorver intermediários e introduzi-los no metabolismo central. Simultaneamente, a equipe conduz pesquisas sobre a conversão eletroquímica de dióxido de carbono em ácido fórmico com um grupo de trabalho do Instituto de Conversão de Energia Química do Instituto Max Planck, sob a direção de Walter Leitner. O objetivo a longo prazo é uma plataforma única que permita a conversão do dióxido de carbono produzido por processos eletroquímicos em produtos como insulina ou biodiesel.
Referência: Maren Nattermann, Sebastian Wenk, Pascal Pfister, Hai He, Seung Hwang Lee, Witold Szymanski, Nils Guntermann, Faiying Zhu “Desenvolvimento de uma nova cascata para a conversão de formiato dependente de fosfato em formaldeído in vitro e in vivo”, Lennart Nickel. , Charlotte Wallner, Jan Zarzycki, Nicole Pachia, Nina Gaisert, Giancarlo Francio, Walter Leitner, Ramon Gonzalez e Tobias J. Erb, 9 de maio de 2023, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-023-38072-w
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