Químicos do MIT modificam a fotossíntese e redesenham proteínas chaves para cultivos mais resistentes
Cientistas do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) conseguiram melhorar a eficiência de uma enzima essencial na fotossíntese, um avanço que pode revolucionar a agricultura, criando cultivares mais produtivas e resistentes ao clima. Por meio da engenharia de proteínas, eles otimizaram o desempenho da enzima Rubisco, superando uma das principais limitações naturais do processo fotossintético.
Durante a fotossíntese, uma enzima chamada Rubisco catalisa uma reação crucial: a incorporação de dióxido de carbono em compostos orgânicos para criar açúcares. No entanto, a Rubisco, considerada a enzima mais abundante na Terra, é muito ineficiente em comparação com outras enzimas envolvidas na fotossíntese.
Químicos do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) demonstraram que podem melhorar significativamente uma versão da Rubisco presente em bactérias de ambientes com baixo teor de oxigênio. Por meio de um processo conhecido como evolução direcionada, eles identificaram mutações que podem aumentar a eficiência catalítica da Rubisco em até 25%.
Os pesquisadores planejam aplicar sua técnica a formas de Rubisco que possam ser usadas em plantas para aumentar suas taxas de fotossíntese, potencialmente melhorando a produtividade das culturas. "Acredito que esta seja uma demonstração convincente do aprimoramento bem-sucedido das propriedades enzimáticas da Rubisco, o que gera grandes esperanças para a engenharia de outras formas de Rubisco", afirma Matthew Shoulders, professor de Química da turma de 1942 do MIT.
Shoulders e Robert Wilson, pesquisador do Departamento de Química, são os autores seniores do novo estudo, publicado esta semana na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Julie McDonald, aluna de pós-graduação do MIT, é a autora sênior do artigo.
Evolução da Eficiência
Quando plantas ou bactérias fotossintéticas absorvem energia do sol, elas primeiro a convertem em moléculas armazenadoras de energia, como o ATP. Na fase seguinte da fotossíntese, as células usam essa energia para transformar uma molécula conhecida como ribulose bifosfato em glicose, o que requer várias reações adicionais. A rubisco catalisa a primeira dessas reações, conhecida como carboxilação. Durante essa reação, o carbono do CO₂ é adicionado à ribulose bifosfato.
Comparada a outras enzimas envolvidas na fotossíntese, a Rubisco é muito lenta, catalisando apenas de uma a dez reações por segundo. Além disso, a Rubisco também pode interagir com o oxigênio, resultando em uma reação competitiva que incorpora oxigênio em vez de carbono, um processo que desperdiça parte da energia absorvida da luz solar.
“Para engenheiros de proteínas, este é um conjunto de problemas muito atraente, pois essas características parecem ser coisas que poderiam ser melhoradas modificando a sequência de aminoácidos da enzima”, diz McDonald.
Pesquisas anteriores aprimoraram a estabilidade e a solubilidade da Rubisco, resultando em pequenas melhorias na eficiência enzimática. A maioria desses estudos utilizou a evolução dirigida, uma técnica na qual uma proteína natural é mutada aleatoriamente e, em seguida, analisada para o surgimento de novas características desejáveis.
Esse processo é normalmente realizado usando PCR propensa a erros, uma técnica que primeiro gera mutações in vitro (fora da célula), tipicamente introduzindo apenas uma ou duas mutações no gene alvo. Em estudos anteriores com a Rubisco, essa biblioteca de mutações foi introduzida em bactérias que crescem a uma taxa relativa à sua atividade. As limitações da PCR, propensa a erros, e a eficiência da introdução de novos genes restringem o número total de mutações que podem ser geradas e analisadas com essa abordagem. As etapas manuais de mutagênese e seleção também prolongam o processo ao longo de múltiplas rodadas de evolução.
A equipe do MIT, por sua vez, utilizou uma técnica de mutagênese mais recente, desenvolvida anteriormente pelo Laboratório Shoulders, chamada MutaT7. Essa técnica permite que os pesquisadores realizem tanto a mutagênese quanto a análise em células vivas, acelerando drasticamente o processo. A técnica também permite a mutação do gene alvo em um ritmo mais rápido.
"Nossa técnica de evolução contínua direcionada nos permite observar muito mais mutações na enzima do que antes", afirma McDonald.
Rubisco melhorada
Para este estudo, os pesquisadores começaram com uma versão da Rubisco isolada de uma família de bactérias semi-anaeróbicas conhecida como Gallionellaceae, que é um dos microrganismos que formam Rubisco mais rapidamente encontrados na natureza. Durante experimentos de evolução dirigida, conduzidos em E. coli, os pesquisadores mantiveram os micróbios em um ambiente com níveis atmosféricos de oxigênio, criando pressão evolutiva para se adaptarem ao oxigênio.
Após seis rodadas de evolução dirigida, os pesquisadores identificaram três mutações diferentes que melhoraram a resistência da Rubisco ao oxigênio. Cada uma dessas mutações está localizada perto do sítio ativo da enzima (onde ela realiza a carboxilação, ou oxigenação). Os pesquisadores acreditam que essas mutações melhoram a capacidade da enzima de interagir preferencialmente com dióxido de carbono em vez de oxigênio, levando a um aumento geral na eficiência da carboxilação.
A questão subjacente é: "As propriedades cinéticas da Rubisco podem ser alteradas e aprimoradas para que ela funcione melhor nos ambientes onde é desejada?", pergunta Shoulders. O que mudou durante o processo de evolução dirigida foi que a Rubisco começou a reagir menos com o oxigênio. Isso permite que ela funcione bem em um ambiente rico em oxigênio, onde normalmente estaria constantemente distraída e reagiria com o oxigênio, o que é indesejável.
Em trabalhos em andamento, pesquisadores estão aplicando essa abordagem a outras formas de Rubisco, incluindo a Rubisco vegetal. Acredita-se que as plantas percam cerca de 30% da energia solar que absorvem por meio de um processo chamado fotorrespiração, que ocorre quando a Rubisco reage com oxigênio em vez de dióxido de carbono.
"Isso realmente abre as portas para muitas novas pesquisas interessantes e é um passo além dos tipos de engenharia que dominaram a Rubisco no passado", diz Wilson.
"Há benefícios claros para a produtividade agrícola que poderiam ser aproveitados por meio da Rubisco aprimorada."
A pesquisa foi apoiada, em parte, pela National Science Foundation, pelos Institutos Nacionais de Saúde, por uma bolsa do Grand Challenge do Laboratório de Sistemas de Alimentos e Água Abdul Latif Jameel e por uma bolsa da Martin Family Sustainability Partnership.
