A produção comercial de vanilina natural, o composto aromatizante de baunilha, é limitada pela falta de enzimas microbianas ou derivadas de plantas que podem sintetizar grandes quantidades do produto. Pesquisadores da Universidade de Ciências de Tóquio desenvolveram uma nova enzima geneticamente modificada que pode converter o ácido ferúlico de resíduos vegetais em vanilina em um processo sustentável de uma etapa. Crédito:Professor Toshiki Furuya, Universidade de Ciências de Tóquio O extrato de baunilha é um dos compostos aromatizantes mais utilizados em produtos alimentícios e cosméticos. O cheiro agradável e adocicado deste sabor clássico é transmitido pelo composto químico "vanilina" encontrado nas vagens das plantas de baunilha pertencentes à família das orquídeas. Nas plantas, a vanilina é sintetizada pela conversão do ácido ferúlico pela enzima VpVAN. No entanto, a biossíntese laboratorial de vanilina a partir de VpVAN derivado de plantas produz apenas quantidades muito pequenas de vanilina e é, portanto, comercialmente impraticável.
Além disso, embora as essências de baunilha derivadas quimicamente estejam disponíveis a baixo custo, elas não correspondem ao sabor do extrato natural de baunilha, e a demanda por este último continua alta. Além disso, as restrições climáticas para o cultivo de plantas de baunilha e o rendimento relativamente pequeno obtido por planta levaram à diminuição da oferta e ao aumento do preço do extrato natural de baunilha.
Enfrentando esses desafios, o professor Toshiki Furuya, do Departamento de Ciências Biológicas Aplicadas da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Ciências de Tóquio, e seus alunos de pós-graduação Shizuka Fujimaki e Satsuki Sakamoto desenvolveram com sucesso uma enzima que gera vanilina a partir de ácido ferúlico derivado de plantas.
“O ácido ferúlico, matéria-prima, é um composto que pode ser obtido em abundância a partir de resíduos agrícolas, como farelo de arroz e farelo de trigo. A vanilina é gerada simplesmente pela mistura do ácido ferúlico com a enzima desenvolvida em temperatura ambiente. fornecem um método simples e ecologicamente correto para a produção de compostos aromatizantes", explica o Prof. Furuya. O estudo deles foi publicado em 10 de maio de 2024, em Applied and Environmental Microbiology .
Os pesquisadores usaram abordagens de engenharia genética para modificar a estrutura molecular de uma enzima – “Ado”. Ado é originalmente uma enzima oxidase que adiciona um átomo de oxigênio ao substrato – isoeugenol.
Em seu estado nativo, não possui capacidade de converter ácido ferúlico em vanilina. Usando análise de modelagem estrutural, os pesquisadores conseguiram prever alterações de aminoácidos no Ado que permitiriam sua interação com o ácido ferúlico.
Nessa linha, eles conduziram uma série de experimentos substituindo resíduos de aminoácidos fenilalanina e valina em posições específicas na estrutura do Ado, por vários outros aminoácidos. Eles examinaram a capacidade de conversão do ácido ferúlico das várias proteínas mutantes projetadas.
Após várias tentativas e erros, eles descobriram que uma proteína mutante na qual apenas três resíduos específicos de fenilalanina e valina foram substituídos por tirosina e arginina reagiu de forma estável com ácido ferúlico e exibiu alta atividade de conversão. Notavelmente, a enzima projetada não exigiu nenhum cofator para conversão, ao contrário de outras oxidases, e produziu vanilina em escala de gramas por litro de solução de reação, com maior eficiência catalítica e afinidade do que a da enzima do tipo selvagem.
A reação exigiu apenas a mistura da enzima, ácido ferúlico e ar (oxigênio molecular), em temperatura ambiente, tornando-se um processo simples, sustentável e economicamente escalonável. Além disso, a enzima evoluída molecularmente também exibiu atividade de conversão em ácido p-cumárico e ácido sinápico, que são compostos obtidos a partir da degradação da lignina – um resíduo agrícola comum.
Até agora, nenhuma enzima microbiana ou derivada de plantas exibiu a capacidade de converter ácido ferúlico em vanilina em escala industrial. Portanto, a enzima desenvolvida no presente estudo apresenta potencial considerável para viabilizar a produção comercial e economicamente viável de vanilina natural.
Explicando as implicações de longo prazo de sua pesquisa, o Prof. Furuya afirma:“Aproveitar o potencial de microrganismos e enzimas para derivar compostos valiosos sob condições amenas a partir de recursos vegetais renováveis oferece uma abordagem sustentável para minimizar a pegada ambiental.
"Atualmente, em colaboração com uma empresa, nossos esforços de pesquisa se concentram em alcançar a implementação no mundo real da produção de vanilina através da utilização da enzima recentemente desenvolvida."
