As plantas dependem de um processo chamado fixação de carbono – transformando o dióxido de carbono do ar em biomoléculas ricas em carbono – para sua própria existência. Esse é o ponto principal da fotossíntese e uma pedra angular do vasto sistema interligado que circula o carbono através de plantas, animais, micróbios e da atmosfera para sustentar a vida na Terra.
Mas os campeões de fixação de carbono não são as plantas, mas as bactérias do solo. Algumas enzimas bacterianas realizam uma etapa fundamental na fixação de carbono 20 vezes mais rápido do que as enzimas vegetais, e descobrir como elas fazem isso pode ajudar os cientistas a desenvolver formas de fotossíntese artificial para converter o gás de efeito estufa em combustíveis, fertilizantes, antibióticos e outros produtos.

Agora, uma equipe de pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia da Universidade de Stanford, do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre na Alemanha, do Joint Genome Institute (JGI) do DOE e da Universidade de Concepción no Chile descobriu como uma enzima bacteriana - um máquina que facilita reações químicas — acelera para realizar essa façanha.

Em vez de pegar moléculas de dióxido de carbono e anexá-las a biomoléculas uma de cada vez, eles descobriram que essa enzima consiste em pares de moléculas que trabalham em sincronia, como as mãos de um malabarista que simultaneamente joga e pega bolas, para fazer o trabalho mais rápido . Um membro de cada par de enzimas se abre para capturar um conjunto de ingredientes da reação, enquanto o outro se fecha sobre seus ingredientes capturados e realiza a reação de fixação de carbono; então, eles trocam de papéis em um ciclo contínuo.

Um único ponto de "cola" molecular mantém cada par de mãos enzimáticas juntas para que possam alternar a abertura e o fechamento de maneira coordenada, descobriu a equipe, enquanto um movimento de torção ajuda a empurrar ingredientes e produtos acabados para dentro e para fora dos bolsos onde as reações tomar lugar. Quando a cola e a torção estão presentes, a reação de fixação do carbono é 100 vezes mais rápida do que sem eles.

“Esta enzima bacteriana é o fixador de carbono mais eficiente que conhecemos, e apresentamos uma explicação clara do que ela pode fazer”, disse Soichi Wakatsuki, professor do SLAC e Stanford e um dos líderes seniores do estudo. que foi publicado na ACS Central Science essa semana.

"Algumas das enzimas desta família agem lentamente, mas de uma forma muito específica para produzir apenas um produto", disse ele. "Outros são muito mais rápidos e podem criar blocos de construção químicos para todos os tipos de produtos. Agora que conhecemos o mecanismo, podemos projetar enzimas que combinam as melhores características de ambas as abordagens e fazem um trabalho muito rápido com todos os tipos de materiais iniciais."

Melhorando a natureza

A enzima que a equipe estudou faz parte de uma família chamada enoil-CoA carboxilases/redutases, ou ECRs. Ele vem de bactérias do solo chamadas Kitasatospora setae, que além de suas habilidades de fixação de carbono também podem produzir antibióticos.

Wakatsuki ouviu falar sobre essa família de enzimas há meia dúzia de anos por Tobias Erb, do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre, na Alemanha, e Yasuo Yoshikuni, da JGI. A equipe de pesquisa de Erb estava trabalhando para desenvolver biorreatores para fotossíntese artificial para converter dióxido de carbono (CO₂ ) da atmosfera para todos os tipos de produtos.

Por mais importante que a fotossíntese seja para a vida na Terra, disse Erb, ela não é muito eficiente. Como todas as coisas moldadas pela evolução ao longo das eras, é tão bom quanto precisa ser, o resultado de construir lentamente sobre desenvolvimentos anteriores, mas nunca inventar algo inteiramente novo do zero.

Além disso, disse ele, o passo na fotossíntese natural que corrige o CO₂ do ar, que depende de uma enzima chamada Rubisco, é um gargalo que atrapalha toda a cadeia de reações fotossintéticas. Portanto, usar enzimas ECR rápidas para realizar essa etapa e projetá-las para ir ainda mais rápido pode trazer um grande aumento na eficiência.

"Não estamos tentando fazer uma cópia carbono da fotossíntese", explicou Erb. "Queremos projetar um processo que seja muito mais eficiente usando nossa compreensão de engenharia para reconstruir os conceitos da natureza. Essa 'fotossíntese 2.0' pode ocorrer em sistemas vivos ou sintéticos, como cloroplastos artificiais - gotículas de água suspensas em óleo".

Retratos de uma enzima

Wakatsuki e seu grupo estavam investigando um sistema relacionado, a fixação de nitrogênio, que converte o gás nitrogênio da atmosfera em compostos de que os seres vivos precisam. Intrigado com a questão de por que as enzimas ECR eram tão rápidas, ele começou a colaborar com o grupo de Erb para encontrar respostas.

Hasan DeMirci, pesquisador associado do grupo de Wakatsuki que agora é professor assistente na Koc University e investigador do Stanford PULSE Institute, liderou o esforço no SLAC com a ajuda de meia dúzia de estagiários de verão do SLAC que ele supervisionou. "Nós treinamos seis ou sete deles todos os anos, e eles eram destemidos", disse ele. "Eles vieram com a mente aberta, prontos para aprender e fizeram coisas incríveis."

A equipe do SLAC fez amostras da enzima ECR e as cristalizou para exame com raios-X na Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne do DOE. Os raios X revelaram a estrutura molecular da enzima – o arranjo de seu andaime atômico – tanto sozinha quanto quando ligada a uma pequena molécula auxiliar que facilita seu trabalho.

Outros estudos de raios-X no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC mostraram como a estrutura da enzima mudou quando se ligou a um substrato, uma espécie de bancada molecular que reúne ingredientes para a reação de fixação de carbono e estimula a reação.

Finalmente, uma equipe de pesquisadores da Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC realizou estudos mais detalhados da enzima e seu substrato no laser de elétrons livres de raios X SACLA do Japão. A escolha de um laser de raios-X foi importante porque permitiu que eles estudassem o comportamento da enzima à temperatura ambiente – mais próximo de seu ambiente natural – com quase nenhum dano de radiação.

Enquanto isso, o grupo de Erb na Alemanha e o grupo do professor associado Esteban Vöhringer-Martinez da Universidade de Concepción, no Chile, realizaram estudos bioquímicos detalhados e extensas simulações dinâmicas para entender os dados estruturais coletados por Wakatsuki e sua equipe.

As simulações revelaram que a abertura e o fechamento das duas partes da enzima não envolvem apenas cola molecular, mas também movimentos de torção ao redor do eixo central de cada par de enzimas, disse Wakatsuki.

“Essa torção é quase como uma catraca que pode empurrar um produto acabado ou puxar um novo conjunto de ingredientes para o bolso onde a reação ocorre”, disse ele. Juntos, a torção e a sincronização dos pares de enzimas permitem que eles fixem carbono 100 vezes por segundo.

A família de enzimas ECR também inclui um ramo mais versátil que pode interagir com muitos tipos diferentes de biomoléculas para produzir uma variedade de produtos. Mas como eles não são mantidos juntos por cola molecular, eles não podem coordenar seus movimentos e, portanto, operam muito mais lentamente.

"Se pudermos aumentar a taxa dessas reações sofisticadas para fazer novas biomoléculas", disse Wakatsuki, "isso seria um salto significativo no campo".

De fotos estáticas a filmes fluidos

Até agora, os experimentos produziram instantâneos estáticos da enzima, dos ingredientes da reação e dos produtos finais em várias configurações.

"Nosso experimento dos sonhos", disse Wakatsuki, "seria combinar todos os ingredientes à medida que fluíssem no caminho do feixe de laser de raios-X para que pudéssemos observar a reação em tempo real".

A equipe realmente tentou isso na SACLA, disse ele, mas não funcionou. "O CO₂ as moléculas são realmente pequenas e se movem tão rápido que é difícil captar o momento em que se ligam ao substrato", disse ele. "Além disso, o feixe de laser de raios X é tão forte que não conseguimos manter os ingredientes nele por muito tempo. suficiente para que a reação ocorra. Quando pressionamos muito para fazer isso, conseguimos quebrar os cristais."

Uma próxima atualização de alta energia para o LCLS provavelmente resolverá esse problema, acrescentou ele, com pulsos que chegam com muito mais frequência – um milhão de vezes por segundo – e podem ser ajustados individualmente para a força ideal para cada amostra.

Wakatsuki disse que sua equipe continua a colaborar com o grupo de Erb e está trabalhando com o grupo de entrega de amostras LCLS e com pesquisadores das instalações de microscopia eletrônica criogênica (crio-EM) do SLAC-Stanford para encontrar uma maneira de fazer essa abordagem funcionar.