p Os tilacoides das plantas são encapsulados em microgotas de aproximadamente 90 micrômetros de diâmetro. Equipado com um conjunto de enzimas, os cloroplastos semissintéticos fixam dióxido de carbono usando energia solar, seguindo o exemplo da natureza. Crédito:Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre / Erb
p Ao longo de bilhões de anos, microorganismos e plantas desenvolveram o notável processo que conhecemos como fotossíntese. A fotossíntese converte a energia solar em energia química, fornecendo, assim, comida e oxigênio para toda a vida na Terra. Os compartimentos celulares que abrigam as máquinas moleculares, os cloroplastos, são provavelmente os motores naturais mais importantes do planeta. Muitos cientistas consideram a reconstrução e o controle artificial do processo fotossintético o "projeto Apollo de nosso tempo". Significaria a capacidade de produzir energia limpa - combustível limpo, limpar compostos de carbono, como antibióticos, e outros produtos simplesmente de luz e dióxido de carbono. p Mas como construir uma vida, célula fotossintética do zero? A chave para imitar os processos de uma célula viva é fazer com que seus componentes funcionem juntos na hora e no lugar certos. Na Max Planck Society, este objetivo ambicioso é perseguido em uma iniciativa multi-lab interdisciplinar, a rede MaxSynBio. Agora, a equipe de pesquisa de Marburg liderada pelo diretor Tobias Erb conseguiu criar com sucesso uma plataforma para a construção automatizada de compartimentos fotossinteticamente ativos do tamanho de células, "cloroplastos artificiais, "que são capazes de capturar e converter o dióxido de carbono do gás de efeito estufa com luz.
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Microfluídica com Biologia Sintética
p Os pesquisadores do Max Planck fizeram uso de dois desenvolvimentos tecnológicos recentes:a primeira biologia sintética para o projeto e construção de novos sistemas biológicos, como redes de reação para a captura e conversão de dióxido de carbono, e segunda microfluídica, para a montagem de materiais macios, como gotículas do tamanho de uma célula.
p “Primeiro, precisamos de um módulo de energia que nos permitisse alimentar reações químicas de maneira sustentável. Na fotossíntese, membranas de cloroplasto fornecem a energia para a fixação de dióxido de carbono, e planejamos explorar essa capacidade ", Tobias Erb explica.
p Produção de microgotas e observação em tempo real em uma plataforma microfluídica. As microgotas são coletadas em uma câmara onde sua atividade pode ser monitorada microscopicamente em tempo real, incluindo a quantificação da atividade enzimática pela medição da fluorescência de NADPH. Usando o campo claro, as gotículas são localizadas e as membranas fotossinteticamente ativas podem ser vistas. Essas membranas são fluorescentes quando excitadas. As populações de gotículas são diferenciadas usando um corante de codificação, que é observável quando as gotas são excitadas por um comprimento de onda específico (550 nm). A produção de NADPH das gotículas é observada usando fluorescência NADPH (usando, 365 nm). Crédito:Planck Institute for Terrestrial Microbiology / Erb
p O aparato de fotossíntese isolado da planta do espinafre provou ser robusto o suficiente para ser usado para conduzir reações únicas e redes de reação mais complexas com a luz. Para a reação sombria, os pesquisadores usaram seu próprio módulo metabólico artificial, o ciclo CETCH. É composto por 18 biocatalisadores que convertem o dióxido de carbono de forma mais eficiente do que o metabolismo do carbono que ocorre naturalmente nas plantas. Após várias rodadas de otimização, a equipe teve sucesso na fixação controlada por luz do gás de efeito estufa CO
2 em vitro.
p O segundo desafio foi a montagem do sistema dentro de um compartimento definido em escala micro. Com vistas a futuras aplicações, também deve ser fácil automatizar a produção. Em cooperação com o laboratório de Jean-Christophe Baret no Centre de Recherché Paul Pascal (CRPP) na França, pesquisadores desenvolveram uma plataforma para encapsular as membranas semissintéticas em gotículas semelhantes a células.
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Mais eficiente que a fotossíntese da Natureza
p A plataforma microfluídica resultante é capaz de produzir milhares de gotículas padronizadas que podem ser equipadas individualmente de acordo com as capacidades metabólicas desejadas. "Podemos produzir milhares de gotículas equipadas de forma idêntica ou podemos dar propriedades específicas a gotículas individuais, "disse Tarryn Miller, autor principal do estudo. "Eles podem ser controlados no tempo e no espaço pela luz."
p Em contraste com a engenharia genética tradicional em organismos vivos, a abordagem de baixo para cima oferece vantagens decisivas:concentra-se no design mínimo, e não está necessariamente limitado aos limites da biologia natural. "A plataforma nos permite perceber novas soluções que a natureza não explorou durante a evolução, "explica Tobias Erb. Em sua opinião, os resultados têm grande potencial para o futuro. Em sua publicação no jornal
Ciência , os autores foram capazes de mostrar que equipar o "cloroplasto artificial" com as novas enzimas e reações resultou em uma taxa de ligação para o dióxido de carbono que é 100 vezes mais rápida do que as abordagens biológicas sintéticas anteriores. "A longo prazo, sistemas semelhantes à vida podem ser aplicados a praticamente todas as áreas tecnológicas, incluindo ciência material, biotecnologia e medicina - estamos apenas no início desse desenvolvimento empolgante. "Além disso, os resultados são mais um passo para a superação de um dos maiores desafios do futuro:as concentrações cada vez maiores de dióxido de carbono na atmosfera.
