p A fotorrespiração é um processo de alto consumo de energia em plantas que leva à liberação de CO previamente fixado ₂ . Assim, a engenharia deste processo metabólico é uma abordagem chave para a melhoria do rendimento da colheita e para enfrentar o desafio do CO sempre crescente ₂ níveis na atmosfera. Pesquisadores liderados por Tobias Erb do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre em Marburg, Alemanha, agora tiveram sucesso na engenharia do caminho TaCo, um desvio fotorrespiratório sintético. Esta conexão metabólica nova para a natureza abre novas possibilidades de CO ₂ fixação e produção de compostos de valor agregado. p Toda a vida depende da fixação de CO ₂ através das plantas. Contudo, a eficiência enzimática da fotossíntese natural é limitada, estabelecendo um limite para a produtividade agrícola e CO ₂ fixação. A fotorrespiração é um processo de desintoxicação em plantas que recicla um subproduto tóxico da fotossíntese, 2-fosfoglicolato. A fotorrespiração consome muita energia e leva à liberação de CO previamente fixado ₂ , assim, restringindo ainda mais o equilíbrio fotossintético.

p Os pesquisadores liderados por Tobias Erb do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre desenvolveram um desvio fotorrespiratório sintético que representa uma alternativa à fotorrespiração natural. Em colaboração com o grupo de Arren Bar-Even (Instituto Max Planck de Fisiologia Molecular de Plantas, Potsdam-Golm), e dentro do projeto Future Agriculture, financiado pela UE, a equipe desenvolveu a chamada via tartronil-CoA (TaCo), que é muito mais curta do que a fotorrespiração natural e requer apenas 5 em vez de 11 enzimas. O talvez maior benefício da via TaCo é que ela corrige CO ₂ em vez de liberá-lo, como acontece na fotorrespiração natural. Como resultado, a via TaCo é mais eficiente em termos de energia do que qualquer outro desvio fotorrespiratório proposto até o momento.

p Construir o caminho TaCo foi uma jornada científica que levou os pesquisadores do modelo computacional à engenharia enzimática, triagem microfluídica high-throughut, tecnologia crio-EM para a implementação bem-sucedida in vitro de uma conexão metabólica nova para a natureza que abre novas possibilidades para o CO ₂ fixação e produção de compostos de valor agregado. "O principal desafio para realizar a via TaCo foi encontrar todas as enzimas necessárias, "Marieke Scheffen, Pesquisador de pós-doutorado no grupo de Tobias Erb e principal autor do estudo, lembra. "Isso significava que tínhamos que procurar enzimas que realizassem reações semelhantes e, em seguida, 'ensiná-las' a realizar a reação desejada."

p Enzimas mais eficientes

p Para o caminho TaCo, inicialmente, descobriu-se que um punhado de enzimas era capaz de catalisar as reações necessárias. Contudo, eles mostraram baixas eficiências catalíticas, o que significa que eles eram muito lentos em comparação com as enzimas que ocorrem naturalmente. Os pesquisadores objetivaram impulsionar especialmente o desempenho da enzima chave da via TaCo, glicolil-CoA carboxilase (GCC), o catalisador que torna o carbono da fotorrespiração positivo.

p Como base para a criação de uma glicolil-CoA carboxilase (GCC) sintética, os pesquisadores desenvolveram um modelo molecular da enzima. Diferentes variantes da enzima foram criadas com base em uma propionil-CoA carboxilase de ocorrência natural, que geralmente está envolvido no metabolismo dos ácidos graxos, como um andaime por meio da troca de resíduos de aminoácidos. Esta estratégia de design racional levou a uma melhoria de 50 vezes da eficiência catalítica da enzima com glicolil-CoA.

p A fim de impulsionar o desempenho da enzima ainda mais, os pesquisadores se uniram ao grupo de Jean-Christophe Baret, do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS, CRPP) Bordéus, França, com quem desenvolveram uma tela microfluídica de altíssima capacidade e selecionaram milhares de variantes sintéticas. Dentro de duas rodadas de exames de microplacas subsequentes, foi descoberta uma variante de enzima que mostrou um aumento da eficiência catalítica de quase 900 vezes com glicolil-CoA. "Com esta eficiência catalítica, GCC está na faixa de carboxilases dependentes de biotina de ocorrência natural. Isso significa que fomos capazes de projetar uma enzima de quase nenhuma atividade para glicolil-CoA para atividade muito alta, que é comparável a enzimas naturalmente evoluídas, "Explica Marieke Scheffen.

p Microscopia eletrônica de alta resolução

p Resolver a estrutura molecular deste catalisador recém-desenvolvido foi alcançado em mais uma colaboração, com Jan e Sandra Schuller do Instituto Max Planck de Bioquímica, Martinsried (agora SYNMIKRO em Marburg). Os pesquisadores aplicaram microscopia eletrônica criogênica de ponta (crio-EM) com resolução atômica de 1,96 Å, empurrando assim os limites do crio-EM.

p Finalmente, a enzima GCC sintética provou ser funcional em experimentos in vitro em combinação com as duas outras enzimas da via TaCo, formando assim uma via de fixação de carbono aplicável. "A via TaCo não é apenas uma alternativa promissora para fotorrespiração", diz o líder do grupo, Tobias Erb. "Também poderíamos mostrar que ele pode ter interface com outro CO sintético ₂ ciclos de fixação, como o ciclo CETCH. Agora seremos capazes de ligar de maneira eficiente o CO sintético ₂ fixação diretamente no metabolismo central. "

p Isso abre uma gama de possibilidades científicas, por exemplo, para a reciclagem de tereftalato de polietileno (PET). A via TaCo pode ser usada para converter etilenoglicol (um monômero de PET) diretamente em glicerato, tornando-o utilizável para a produção de biomassa ou compostos de valor agregado. A próxima etapa será avançar na implementação in vivo, a fim de aproveitar todo o potencial da via recém-desenvolvida.