Bactérias para produtos químicos neutros para o clima do futuro
Ciclo para a produção de produtos químicos renováveis, como plásticos, por bactérias que utilizam metanol. Crédito:ETH Zurique Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram bactérias em laboratório para usar metanol de forma eficiente. O metabolismo destas bactérias pode agora ser aproveitado para produzir produtos valiosos atualmente fabricados pela indústria química a partir de combustíveis fósseis.
Para produzir vários produtos químicos, como plásticos, corantes ou sabores artificiais, a indústria química depende atualmente fortemente de recursos fósseis, como o petróleo bruto. “Globalmente, consome 500 milhões de toneladas por ano, ou mais de um milhão de toneladas por dia”, diz Julia Vorholt, professora do Instituto de Microbiologia da ETH Zurique.
"Como essas conversões químicas consomem muita energia, o verdadeiro CO2 A pegada da indústria química é até seis a 10 vezes maior, representando cerca de cinco por cento do total de emissões a nível mundial." Ela e a sua equipa estão à procura de formas de reduzir a dependência da indústria química dos combustíveis fósseis.
Metanol verde
As bactérias que se alimentam de metanol, conhecidas como metilotróficas, estão no centro desses esforços. Contendo apenas um único átomo de carbono, o metanol é uma das moléculas orgânicas mais simples e pode ser sintetizado a partir do dióxido de carbono e da água, um gás de efeito estufa. Se a energia para esta reação de síntese vier de fontes renováveis, o metanol é denominado “verde”.
"Existem metilotróficos naturais, mas usá-los industrialmente continua difícil, apesar do considerável esforço de pesquisa", diz Michael Reiter, pesquisador de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Vorholt, que trabalha com o modelo biotecnologicamente bem compreendido da bactéria Escherichia coli. A equipe de Vorholt vem perseguindo a ideia de equipar a bactéria modelo, que cresce no açúcar, com a capacidade de metabolizar metanol há vários anos.
Reestruturação completa do metabolismo
“Este é um grande desafio porque requer uma reestruturação completa do metabolismo celular”, diz Vorholt. Inicialmente, os pesquisadores simularam essa mudança por meio de modelos computacionais. Com base nessas simulações, eles escolheram dois genes para remover e três novos genes para introduzir. “Como resultado, as bactérias poderiam absorver metanol, embora apenas em pequenas quantidades”, diz Reiter.
Eles continuaram a cultivar as bactérias em condições especiais em laboratório por mais de um ano, até que os micróbios pudessem produzir todos os componentes celulares a partir do metanol. Ao longo de cerca de mais 1.000 gerações, estes metilotróficos sintéticos tornaram-se cada vez mais eficientes, eventualmente duplicando a cada quatro horas quando alimentados apenas com metanol. “A melhoria da taxa de crescimento torna a bactéria economicamente interessante”, diz Vorholt.
Otimização através da perda de função
Como a equipe de Vorholt descreve em seu Nature Catalysis artigo, várias mutações que ocorrem aleatoriamente são responsáveis pelo aumento da eficiência da utilização do metanol. A maioria dessas mutações resultou na perda de função de vários genes.
Isto é surpreendente à primeira vista, mas após uma inspeção mais detalhada, torna-se evidente que as células podem poupar energia graças à perda de função dos genes. Por exemplo, algumas mutações fazem com que as reações reversas de reações bioquímicas importantes falhem. “Isso elimina conversões químicas supérfluas e otimiza o fluxo metabólico nas células”, escrevem os pesquisadores.
Para explorar o potencial dos metilotróficos sintéticos para a produção biotecnológica de produtos químicos a granel industrialmente relevantes, Vorholt e sua equipe equiparam as bactérias com genes adicionais para quatro vias biossintéticas diferentes. No seu estudo, mostram agora que as bactérias produziram de facto os compostos desejados em todos os casos.
Plataforma de produção versátil
Para os investigadores, esta é uma prova clara de que as suas bactérias projetadas podem cumprir o que foi originalmente prometido:os micróbios são uma espécie de plataforma de produção altamente versátil na qual os módulos de biossíntese podem ser inseridos de acordo com o princípio "plug-and-play", levando a as bactérias para converter metanol em substâncias bioquímicas desejadas.
No entanto, os pesquisadores ainda precisam aumentar significativamente o rendimento e a produtividade para permitir o uso economicamente viável da bactéria. Vorholt e sua equipe receberam recentemente um fundo de inovação “para expandir ainda mais os planos de aplicações e selecionar produtos nos quais focar primeiro”, diz Vorholt.
Quando Reiter fala sobre como o cultivo de bactérias em biorreatores pode ser otimizado, ele fica entusiasmado. “Dados os desafios das alterações climáticas, é claro que são necessárias alternativas aos recursos fósseis”, afirma.
“Estamos desenvolvendo uma tecnologia que não emite CO2 adicional para a atmosfera", diz Reiter. E como os metilotróficos sintéticos, além do metanol verde, não requerem nenhuma fonte adicional de carbono para seu crescimento e produtos, eles permitem "a produção de produtos químicos renováveis que não sobrecarregam o meio ambiente".
