Os humanos geralmente ingerem a maior parte dos ácidos graxos necessários por meio da dieta. Ainda assim, a biossíntese de ácidos graxos é uma via metabólica vital. Para leveduras e bactérias é até indispensável.



Grandes complexos multiméricos de diferentes enzimas catalisam a biossíntese de ácidos graxos em leveduras e organismos superiores, enquanto as contrapartes bacterianas são representadas por proteínas individuais. Embora a arquitetura da maquinaria biossintética de ácidos graxos varie substancialmente em diferentes organismos, as reações catalisadas e os módulos enzimáticos individuais se assemelham.

Visão detalhada sobre a estrutura e a química da fábrica de ácidos graxos

As equipes Max Planck lideradas por Holger Stark, chefe do Departamento de Dinâmica Estrutural, e Ashwin Chari, chefe do grupo de pesquisa em Bioquímica e Mecanismos Estruturais, resolveram agora a estrutura tridimensional da levedura FAS, pela primeira vez em um resolução sem precedentes:1,9 angstroms, 19 milhões de vezes menor que um milímetro.

“Na biologia estrutural, ultrapassar a barreira dos dois angstroms é essencial para compreender a química celular”, explica o diretor do Max Planck. “Revelamos as partes mais internas do FAS e podemos observar tanto reações enzimáticas quanto detalhes químicos de como as proteínas interagem com pequenas moléculas”.

A combinação de bioquímica e microscopia crioeletrônica de alta resolução foi fundamental para o sucesso dos cientistas de Göttingen. Para seus experimentos, eles usaram o microscópio eletrônico de maior resolução do mundo, que tem a capacidade de resolver átomos individuais em uma proteína.

A visualização do FAS com alta precisão, entretanto, não é suficiente para compreender sua função. Semelhante ao seu homólogo humano, o FAS fúngico sintetiza ácidos graxos em sete etapas de reação individuais, usando precursores químicos definidos de maneira cíclica e repetitiva. Cada etapa química individual é realizada por um módulo enzimático separado dentro do FAS.

A crescente cadeia de ácidos graxos deve, portanto, ser transportada de um módulo enzimático para outro em uma sequência eficiente e ordenada. Uma lançadeira molecular – a chamada proteína transportadora de acila (ACP) – realiza essa importante tarefa e orquestra a coreografia das reações químicas necessárias para a biossíntese de ácidos graxos.

Observando o ônibus molecular em ação

As equipes de Stark e Chari também conseguiram filmar o FAS em ação e reconstruir um ciclo completo de biossíntese de ácidos graxos. Para isso, os pesquisadores utilizaram uma combinação de métodos para acompanhar o ACP em seu caminho pelo labirinto da FAS. Inicialmente, eles iniciaram a biossíntese de ácidos graxos em um tubo de ensaio e interromperam sua atividade congelando rapidamente as moléculas de FAS após diferentes períodos de tempo. Isto permitiu interromper a FAS em estados distintos de biossíntese de ácidos graxos.

O microscópio crioeletrônico então fotografou instantâneos no ciclo FAS. “Encontrar a combinação precisa e as quantidades de substratos para deter o FAS em pontos críticos do ciclo de produção foi um grande desafio técnico”, diz o líder do grupo de pesquisa Chari. "Só podemos reconstruir todo o ciclo de biossíntese de ácidos graxos se todas as transições relevantes forem visualizadas e descritas com precisão por modelos."

O próximo passo foi a elucidação auxiliada por computador das estruturas tridimensionais do FAS.

Kashish Singh, primeiro autor do artigo agora publicado na revista Cell , explica o procedimento complexo, "Desenvolvemos procedimentos de processamento de imagens que dividem o FAS em compartimentos funcionais individuais. Em seguida, classificamos as estruturas de forma que a sequência de imagens represente um ciclo de biossíntese de ácidos graxos. Com a ajuda desses instantâneos, fomos finalmente capaz de rastrear como a pequena molécula de ACP interage com certos locais de FAS e outras moléculas durante a produção de ácidos graxos”.

Potencial para medicina e biotecnologia

Meina Neumann-Schaal, chefe de departamento da Coleção Alemã de Microorganismos e Culturas Celulares do Instituto Leibniz, relata que esta molécula também é clinicamente relevante:"O ACP da levedura FAS contém uma região estrutural que falta à contraparte humana."

Isto torna a molécula um ponto de partida promissor para a inibição de organismos patogênicos que também utilizam o FAS semelhante a levedura. Estes incluem leveduras patogénicas, como a Candida albicans, que infecta as membranas mucosas, bem como as micobactérias, o agente infeccioso subjacente à tuberculose. Como a tuberculose multirresistente ainda representa um desafio para o sucesso do tratamento, existe uma necessidade urgente de novos inibidores.

Outra descoberta da pesquisa poderia ser potencialmente utilizada para avanços biotecnológicos. As equipes de Chari e Stark forneceram provas de que módulos enzimáticos adicionais podem ser incorporados ao FAS para alterar sua atividade. “Com atividade normal, o FAS fornece uma mistura de ácidos graxos de cadeia curta e longa. No futuro, um FAS personalizado poderá ser usado para produzir ácidos graxos com comprimentos de cadeia desejados”, diz Chari.

Estes são necessários na indústria química para produzir, entre outras coisas, cosméticos, sabonetes e aromas. Notavelmente, estes também são alicerces para produtos farmacêuticos e biocombustíveis. As equipas de investigação de Göttingen também veem uma oportunidade de produzir ácidos gordos de forma sustentável, utilizando fábricas biossintéticas de FAS especificamente modificadas, em vez de extraí-los do petróleo bruto ou do óleo de palma, como é o caso atualmente.

Mais informações: Kashish Singh et al, Reconstrução de um ciclo de síntese de ácidos graxos a partir de proteína transportadora de acil e instantâneos estruturais de cofator, Célula (2023). DOI:10.1016/j.cell.2023.10.009
Informações do diário: Célula

Fornecido por Sociedade Max Planck