Sistemas de reação baseados em enzimas livres de microrganismos são agora usados ​​para a produção de hidrogênio, bioeletricidade e bioquímicos úteis. Nesses biossistemas, as matérias-primas chamadas substratos são decompostas por uma série de enzimas (ou seja, catalisadores biológicos) para obter o produto final desejado. Em vários casos, os substratos são carboidratos como sacarose, celulose ou amido. Na primeira etapa dessas reações, a sacarose é convertida em derivados de glicose como ɑ-glicose 1-fosfato (ɑ-G1P) ou glicose 6-fosfato (G6P), que servem como intermediários importantes para outras reações.
Apesar de sua praticidade de uso e baixo custo, a maltose raramente é utilizada como substrato para biossistemas enzimáticos. Isso ocorre porque as enzimas tradicionais convertem maltose em β-G1P em vez de ɑ-G1P (sua imagem espelhada) ou G6P. Ao contrário de ɑ-G1P e G6P, β-G1P não pode ser processado para obter o produto final desejado.

Um novo estudo, publicado em 01 de julho de 2022 na BioDesign Research , resolveu este problema de uma forma altamente inovadora. Neste estudo, pesquisadores da China desenvolveram um novo biossistema enzimático sintético que permite a biofabricação de produtos valiosos usando maltose como substrato. O professor Chun You, o principal investigador do estudo, comenta que "a maltose é tão econômica que é o açúcar preferido na indústria alimentícia. Mas suas aplicações como matéria-prima para a biossíntese são limitadas há muito tempo. Nosso novo biossistema de reação sintética resolve esse problema e permite o aumento do uso de maltose no setor de biomanufatura."

Cada molécula de maltose é composta por duas moléculas de glicose, ligadas através do primeiro e quarto átomos de carbono. Em comparação, a sacarose consiste em uma molécula de glicose e uma de frutose, ligadas através do primeiro e segundo átomos de carbono. Através de uma abordagem passo a passo rigorosa, o Prof. You e sua equipe primeiro projetaram processos enzimáticos que poderiam teoricamente converter ambas as moléculas de glicose em maltose em G6P. Eles então purificaram individualmente essas enzimas, otimizaram a "receita" e construíram o biossistema de reação enzimática in vitro, que consistia em três enzimas:maltose fosforilase (MP), β-fosfoglucomutase (β-PGM) e polifosfato glucoquinase (PPGK). Seus resultados preliminares provaram que sua estratégia foi bem-sucedida – o sistema enzimático de três partes poderia converter cada molécula de maltose em duas moléculas de G6P.

Impulsionado por essas descobertas, o grupo partiu para escalar outro pico. G6P foi apenas um intermediário. Seu objetivo real era obter produtos finais valiosos de maltose. Para isso, eles se concentraram em dois produtos importantes, sendo o primeiro a frutose 1,6-difosfato (FDP). O FDP foi escolhido devido ao seu valor clínico no tratamento de lesões isquêmicas, convulsões e complicações do diabetes. O segundo produto foi a bioeletricidade, uma forma de energia ecologicamente correta.

Dois sistemas de reação separados foram projetados para esses produtos finais. O módulo enzimático de três partes foi o componente primário de ambos os sistemas de reação. Posteriormente, o primeiro sistema de reação foi fornecido com enzimas a jusante para a síntese de FDP a partir de G6P, enquanto enzimas que permitiram a geração de bioeletricidade a partir de G6P foram adicionadas ao segundo sistema.

Através de seus projetos inteligentes, o biossistema produtor de FDP in vitro de 5 enzimas e o sistema de bateria de 14 enzimas alcançaram a produção eficiente de FDP e bioeletricidade, respectivamente. O rendimento do FDP pode ser aumentado para mais de 88% do rendimento teórico, enquanto a bioeletricidade produzida teve uma eficiência energética de mais de 96% e uma densidade de potência máxima de 0,6 miliwatts por centímetro quadrado.

Juntos, esses achados aumentam os casos de uso da maltose como substrato de biossíntese. O Prof. You explica que "o potencial da maltose como matéria-prima para a biofabricação é amplamente inexplorado. Nosso estudo propõe novos cenários de aplicação para este açúcar. Embora tenhamos focado em FDP e bioeletricidade neste estudo, existem inúmeras outras aplicações, que podem ser explorado em estudos futuros." Ele acrescenta que sua "estratégia também representa uma nova abordagem para a geração altamente eficiente de bioeletricidade e bioquímicos úteis". + Explorar mais

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