Cientistas criam cloroplastos artificiais que realizam super-fotossíntese

Em um notável projeto de engenharia bioquímica, pesquisadores do Instituto Max Planck para Microbiologia Terrestre, EUA, conseguiram sintetizar cloroplastos que funcionam fora de uma célula, as principais organelas envolvidas no processo de fotossíntese, onde luz, água e dióxido de carbono (CO2) são usados para a produção de carboidratos nas plantas, algas e em bactérias fotossintetizantes. Eles alcançaram a façanha ao combinar o maquinário molecular de captura de luz do espinafre (Spinacia oleracea) com enzimas de nove diferentes organismos vivos. Os pesquisadores esperam que o novo sistema de fotossíntese - descrito recentemente na Science (Ref.1) - possa converter de forma altamente eficiente o CO2 atmosférico com o uso apenas de luz solar em compostos químicos de importância - ou mesmo ajudar a engenhar geneticamente plantas que absorvam até 10 vezes mais CO2 atmosférico do que plantas normais. De quebra, temos uma potencial e lucrativa nova estratégia de combate às mudanças climáticas.

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A transformação fotossintética de carbono inorgânico (CO2 no caso) em matéria orgânica é um processo biológico fundamental responsável pela maior parte da energia armazenada e biomassa sobre a Terra. Esse processo é espacialmente e temporariamente controlado e altamente integrado com outras funções celulares. A fotossíntese ultimamente converte energia luminosa - capturada por moléculas de clorofila - através de complexos proteicos membranosos nos cofatores químicos ricos em energia adenosina trifosfato (ATP) - a famosa moeda energética das células - e nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato reduzida (NADPH). ATP e NADPH são subsequentemente usados para sustentar energeticamente processos metabólicos diversos, particularmente a fixação de CO2 através do ciclo Calvin-Benson-Bassham e consequente formação de carboidratos (I).

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(I) Para mais detalhes sobre o processo de fotossíntese, acesse: Como funciona a fotossíntese e o que é a clorofila f?

A conversão de CO2 começa com uma enzima chamada de RuBisCO, a qual favorece a reação entre o CO2 e a molécula de ribulose bisfosfato (RuBP), deflagrando uma cadeia de reações necessárias para a síntese de metabólitos vitais nas plantas. A fotossíntese é considerada o processo mais eficiente na natureza e, todos os anos, é estimado que os seres fotossintetizantes produzam cerca de 170 bilhões de toneladas de carboidratos extras ao redor do planeta. No entanto, o RuBisCO é uma enzima muito lenta. Cada cópia dessa enzima catalisa apenas 5-10 moléculas de CO2 por segundo. Isso coloca um importante limite de velocidade em relação, por exemplo, à taxa de crescimento das plantas.

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Nesse sentido, os pesquisadores envolvidos no novo estudo buscaram otimizar esse processo. Primeiro, em 2016, eles conseguiram com sucesso estabelecer um percurso sintético otimizado para a fixação de CO2 in vitro (em laboratório e fora de um organismo vivo), ao usar um conjunto de 17 enzimas - incluindo três enzimas geneticamente engenhadas e uma substituindo o RuBisCO - extraídas de nove diferentes organismos ao longo de todos os três domínios da vida. Chamado de CETCH (crotonila–coenzima A (CoA)/etilmalonila-CoA/hidróxibutirila-CoA), esse conjunto de enzimas suporta uma série de reações que converte CO2 em glicolato (um carboidrato simples) a uma taxa de 5 nanomols de CO2 por minuto para cada miligrama de proteína (no caso, as enzimas). O feito foi detalhado em um estudo também publicado na Science (Ref.2).

Solucionada a segunda etapa do processo de fotossíntese, faltava um meio para unir o processo artificial de fixação do CO2 com a primeira etapa que deflagra a fotossíntese, ou seja, a necessidade de uma membrana tilacoide, onde fica a clorofila e onde ocorre a absorção de luz solar para fornecer a energia de formação de ATP e de NADPH. Para isso, os pesquisadores extraíram membranas tilacoides das células de folhas de espinafre e, com a ajuda de um equipamento especial gerador de milhares de gotículas de água em óleo, as uniram com as enzimas do ciclo CETCH. O sistema fotossintético final permitiu a colheita de luz e a contínua conversão de CO2 em glicolato.

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Agora, o objetivo dos pesquisadores é otimizar o sistema fotossintético artificial para aumentar o rendimento de síntese de glicolato e mesmo de outras moléculas de maior valor, como medicamentos e combustíveis. O novo sistema de fotossíntese pode também dar base para otimizar a fotossíntese natural nas plantações, com a adição de genes no genoma da planta alvo que consigam produzir as enzimas otimizadas de fotossíntese. A aplicação dos cloroplastos artificiais em ambas as áreas - industrial e agricultura - pode aumentar de forma robusta a produção de alimentos, combustíveis e outros produtos orgânicos de interesse - algo necessário para uma população humana cada vez crescente - e ainda ajudar a mitigar o aquecimento global acelerado causado pelo excesso de CO2 e de gases estufas na atmosfera.

REFERÊNCIAS