Hoje, as matérias-primas para praticamente todos os produtos industriais, desde medicamentos a pneus de automóveis, provêm de matérias-primas químicas não renováveis. Eles são produzidos em refinarias de combustíveis fósseis que emitem gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono. No entanto, futuras fábricas de produtos químicos podem inverter essa dinâmica, fabricando alguns compostos usando plantas que constroem naturalmente produtos químicos complexos, extraindo moléculas de dióxido de carbono do ar.
Tomokazu Shirai explora as capacidades químicas nativas da biologia, redirecionando-as para que plantas e micróbios produzam de forma limpa os tipos de produtos químicos industriais atualmente derivados do craqueamento do petróleo bruto. O biólogo sintético é cientista sênior da equipe de pesquisa da fábrica de células e ingressou no RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS, anteriormente, RIKEN Biomass Engineering Program) em 2012. Sua equipe já criou os primeiros micróbios do mundo que pegam glicose e a convertem em ácido maleico ou 1,3-butadieno. Esses valiosos produtos químicos industriais são usados ​​em inúmeros produtos, incluindo polímeros e borrachas.

Mas este é apenas o primeiro passo para os biólogos sintéticos do CSRS. Esses micróbios projetados precisam ser alimentados com açúcares para produzir os produtos químicos alvo, mas se as plantas forem usadas como organismo hospedeiro, sua capacidade de assimilar dióxido de carbono diretamente da atmosfera resultará na produção negativa de carbono de muitos produtos químicos valiosos.

Design para computadores

A biologia sintética é uma área emergente de pesquisa que combina química, biologia e engenharia para retrabalhar as vias metabólicas produtoras de moléculas de organismos-alvo para que produzam produtos químicos valiosos. Os cientistas do CSRS têm experiência em química catalítica e em biologia química, mas também muitos que se especializam em ciência de dados em larga escala, cálculo e simulação e IA.

O uso da IA ​​representa um afastamento das formas tradicionais de fazer biologia sintética. Mas essa abordagem computacional foi fundamental para uma colaboração com a fabricante de pneus Yokohama Rubber e a Zeon Corporation. A joint venture projetou e criou micróbios de E. coli que pegam a glicose e a convertem em 1,3-butadieno, um produto químico sintético chave usado para fabricar pneus.

O primeiro passo em qualquer projeto de biologia sintética é analisar as vias metabólicas do hospedeiro potencial para identificar pontos que poderiam ser desviados para produzir o produto químico desejado. Quaisquer modificações não devem matar ou prejudicar significativamente o crescimento do hospedeiro.

Desde 2012, Shirai desenvolve e refina a ferramenta de simulação BioProV para navegar nesse complexo espaço bioquímico. BioProV é uma IA treinada na classificação de vias metabólicas e padrões de reação enzimática que analisa as vias metabólicas naturais de um organismo. Propõe modificações de vias para produzir um produto químico alvo sem afetar o metabolismo geral do hospedeiro. Esta ferramenta in silico permite o desenho de vias metabólicas artificiais e a avaliação de sua viabilidade.

Sua equipe identificou que a E. coli produz naturalmente uma molécula chamada ácido mucônico, que pode ser transformada em 1,3-butadieno em duas reações enzimáticas. Para dar ao micróbio a capacidade de realizar as duas etapas que faltavam, Shirai e seus colegas projetaram enzimas para a conversão química necessária em 2021.

Para fazer isso, eles identificaram enzimas conhecidas que poderiam catalisar reações relacionadas e depois as modificaram para as novas reações. A simulação computacional foi necessária para redesenhar e remodelar os sítios ativos das enzimas candidatas para aceitar o novo substrato. A equipe projetou racionalmente enzimas que alcançaram um aumento de 1.000 vezes na atividade em comparação com a enzima original do tipo selvagem.

Os códigos de DNA para essas enzimas aprimoradas foram inseridos no genoma de E. coli e agora o 1,3-butadieno produzido por esses micróbios manipulados é prontamente canalizado de seu biorreator. Os parceiros comerciais do projeto estão atualmente ampliando o processo para produzir as quantidades de quilogramas de 1,3-butadieno necessárias para fabricar e avaliar pneus feitos com o produto químico bioderivado.

As empresas químicas empregam muitos químicos, mas poucos pesquisadores biológicos, então conectar e colaborar com essas empresas para traduzir a biologia sintética para o mundo real é um grande passo.

Carpintaria

Uma alternativa sustentável à produção química tradicional derivada de combustíveis fósseis é pegar materiais atualmente considerados como resíduos e convertê-los química ou biologicamente em produtos valiosos.

Os caules lenhosos e caules de plantas que sobraram após a colheita de frutas e grãos são um fluxo de resíduos em escala global. O principal componente dessas partes não comestíveis da planta é a lignina, um biopolímero resistente. A lignina é o composto mais abundante das plantas e um dos compostos mais abundantes na Terra. Ele pode ser obtido a partir de resíduos agrícolas e é a fonte de carbono mais barata e sustentável para a produção de combustíveis e produtos químicos renováveis. Usá-lo como matéria-prima para produtos químicos de alto valor pode ser altamente benéfico para a sociedade.

A estrutura química complexa da lignina dificulta a quebra e a remontagem em novos compostos. Por exemplo, um tratamento térmico conhecido como pirólise rápida pode quebrar a lignina em subunidades chamadas monômeros cinâmicos. Essas moléculas apresentam uma ligação dupla que poderia ser usada para recombinar os monômeros em polímeros funcionais avançados. No entanto, as cadeias laterais localizadas ao redor da ligação dupla impedem a reatividade química, dificultando os esforços para produzir polímeros a partir desse bioresíduo.

O cientista do CSRS Hideki Abe desenvolveu recentemente um método para superar essa limitação. Em vez de biologia sintética, Abe usou organocatálise para juntar monômeros cinâmicos. A organocatálise é uma técnica de química sustentável, reconhecida pelo Prêmio Nobel de Química de 2021, que utiliza pequenas moléculas orgânicas como catalisadores no lugar de catalisadores tradicionais baseados em metais raros ou tóxicos.

As resinas acrílicas resultantes mostraram alta resistência e resistência ao calor e à degradação química, sugerindo uma ampla gama de usos potenciais, inclusive para componentes de carroceria e motor.

Semeando crescimento futuro

Outro produto residual em oferta abundante é o dióxido de carbono atmosférico.

Para a equipe de pesquisa da fábrica de células, o próximo grande desafio é usar a biologia sintética para desenvolver plantas que possam absorver esse dióxido de carbono da atmosfera e transformá-lo em produtos químicos industrialmente importantes.

Comparados aos micróbios unicelulares, os organismos multicelulares superiores, como as plantas, são muito mais complexos em seu genoma e vias metabólicas. Isso os torna significativamente mais desafiadores para o trabalho de biólogos sintéticos. A reengenharia bem-sucedida das vias metabólicas dos micróbios proporcionou um excelente treinamento para o objetivo final de usar plantas como hospedeiras. Ao colaborar com pesquisadores do CSRS especializados em ciência de plantas, a equipe de pesquisa da Cell Factory está traduzindo seu trabalho pioneiro em micróbios em insights que podem acelerar a biologia sintética de células vegetais, particularmente para a produção de terpenóides usados ​​em medicamentos e aromáticos.

Com o governo japonês anunciando recentemente seu objetivo de ser neutro em carbono até 2050, plantas superiores que podem fixar dióxido de carbono usando a energia da luz solar são o ideal absoluto para a produção química futura.

Pesquisas relacionadas foram publicadas em Nature Communications e Materiais da Natureza ao longo dos anos. + Explorar mais

Micróbios projetados para converter açúcar em um produto químico encontrado em pneus