Cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia e da Universidade Estadual de Ohio descobriram uma nova via microbiana que produz etileno, fornecendo um caminho potencial para a biofabricação de um componente comum de plásticos, adesivos, refrigerantes e outros produtos de uso diário.

A descoberta, publicado em Ciência , lança luz sobre um mistério de longa data sobre como o etileno é produzido em anaeróbicos, ou privado de oxigênio, solos e aponta para caminhos potenciais para evitar danos às culturas devido a altos níveis de etileno. O estudo também descreve uma forma até então desconhecida de como as bactérias geram metano, um poderoso gás de efeito estufa.

A equipe de pesquisa descobriu que o etileno e o metano são subprodutos de um processo bacteriano que produz metionina, um aminoácido necessário para a construção de proteínas. Quando seu ambiente é anaeróbico e com baixo teor de enxofre, as bactérias são forçadas a limpar o enxofre dos resíduos celulares, desencadeando este novo caminho.

"Por cerca de uma década, pesquisadores estudaram a produção biológica de etileno por meio de um mecanismo diferente que ocorre em ambientes oxigenados, "disse o cientista de pesquisa do estado de Ohio, Justin North." Há um obstáculo técnico para aumentar a escala desse processo, pois etileno e oxigênio misturados em escala industrial podem ser explosivos. Esta nova via anaeróbica supera esse obstáculo, mas ainda há trabalho a fazer para ampliá-lo. "

A pesquisa começou no estado de Ohio, onde Robert Tabita lidera um estudo em andamento sobre a fixação de carbono e o metabolismo de nitrogênio e enxofre em bactérias fotossintéticas. Como parte da equipe da Tabita, North decidiu medir os gases sendo consumidos e emitidos por Rhodospirillum rubrum e outros micróbios da mesma família quando estavam famintos por enxofre. Ele ficou surpreso ao detectar etileno.

"Sabemos que essas bactérias estão produzindo hidrogênio e consumindo dióxido de carbono, "North disse." Mas, vejam só, eles estavam produzindo grandes quantidades de gás etileno. E pensamos, Nós vamos, isso é estranho."

North e seus colegas do estado de Ohio estudaram esse novo processo metabólico usando compostos radioativos para rastrear os precursores e a produção de metionina e etileno nos micróbios. Mas um tipo diferente de biotecnologia analítica era necessário para fazer a ligação crítica entre a via e as proteínas chamadas enzimas que a conduzem.

Tabita estendeu a mão para Bob Hettich, que lidera o Grupo de Espectrometria de Massa Biológica no ORNL, para uma análise comparativa da coleção de proteínas, chamados proteomas, presentes nessas bactérias fotossintéticas em dois cenários diferentes:baixo teor de enxofre, condições de produção de etileno e alto teor de enxofre, condições não produtoras de etileno. O grupo de Hettich desenvolveu uma abordagem de ponta para caracterizar os proteomas de sistemas microbianos usando espectrometria de massa, uma técnica que mede com precisão as massas e as vias de fragmentação de diferentes moléculas e fornece detalhes sobre a estrutura e a composição. Hettich e Weili Xiong, um pesquisador de pós-doutorado ORNL, identificou milhares de proteínas dos sistemas de baixo e alto teor de enxofre e analisou suas abundâncias comparativas para localizar um punhado de proteínas para posterior caracterização.

"Encontramos diferenças marcantes, "Disse Hettich. Os dados mostraram uma família de proteínas semelhantes à nitrogenase que eram quase 50 vezes mais abundantes no baixo teor de enxofre, amostras produtoras de etileno. Algumas proteínas relacionadas ao ferro e ao enxofre também aumentaram em abundância quando o enxofre era escasso, apontando para uma possível nova via para o metabolismo do enxofre.

Esses dados foram surpreendentes, pois as proteínas semelhantes à nitrogenase são agrupadas em anotações de genes com nitrogenases que têm sequências de DNA semelhantes e são conhecidas por converter o nitrogênio atmosférico em amônia. Este processo de fixação de nitrogênio é essencial para a vida na Terra e tem sido estudado extensivamente. Dado seu nome, essas proteínas semelhantes à nitrogenase não são aquelas que os cientistas imaginariam que desempenham um papel no metabolismo do enxofre.

"Às vezes, a nomenclatura ou anotação de um gene ou família de genes pode ser enganosa, "Hettich disse." O nome sugere uma função primária. Na verdade, o gene pode ter uma função secundária, um trabalho noturno, por assim dizer, ou pode estar fazendo algo completamente diferente. "

"Mas os dados são os dados, "ele continuou." Se você executar as medições corretamente e de uma forma agnóstica, onde você não sabe a resposta a priori , então os dados revelarão as conexões reais. "

Com esses dados de proteoma cruciais, Pesquisadores do estado de Ohio e colegas da Colorado State University e do Pacific Northwest National Laboratory realizaram uma série de experimentos manipulando o genoma bacteriano para incluir ou remover o agrupamento de genes Rru_A0793-Rru_A0796. A remoção e substituição de genes desligou e ligou a produção de etileno como um interruptor, confirmando que os genes e a enzima resultante que codificam são essenciais para essa via metabólica.

As enzimas semelhantes à nitrogenase clivam as ligações carbono-enxofre para reduzir o 2- (metiltio) etanol em um precursor para a produção de metionina. Essa via produz etileno como subproduto. A equipe de pesquisa descobriu que, se a fonte de enxofre for alterada para sulfeto de dimetila, o composto de enxofre orgânico volátil mais abundante, as bactérias usam-no em seu caminho da metionina e produzem metano como subproduto.

Além de um potencial meio biológico de produção de etileno para uso em plásticos e outros produtos industriais, essas descobertas podem informar os tratamentos para as culturas alagadas, solos anaeróbicos para evitar danos de uma superabundância de etileno. Nas quantidades certas, o etileno é um hormônio vegetal importante que ajuda as plantas a crescer, desenvolver folhas e raízes e frutos maduros. Este estudo cria uma série de novas questões científicas, incluindo se esta via está envolvida em interações entre plantas e micróbios.

"É muito empolgante que esta descoberta esteja levando a novas linhas de investigação que podem realmente ter algum benefício substancial para a agricultura e outras culturas também, "North disse.