Insectos como fábricas de produção de mini-moléculas, marcando um avanço na engenharia química
As fábricas da Caterpillar produzem nanocarbonetos fluorescentes
Investigadores liderados por Kenichiro Itami no RIKEN Pioneering Research Institute (PRI) / RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) utilizaram com sucesso insectos como fábricas de mini-moléculas, marcando um avanço na engenharia química. Designada por "síntese em insectos", esta técnica oferece uma nova forma de criar e modificar moléculas complexas, o que irá gerar novas oportunidades para a descoberta, desenvolvimento e aplicação de moléculas não naturais, como os nanocarbonos.
As lagartas do crisomelídeo do tabaco podem converter o [6]MCPP em [6]MCPP-oxileno muito mais eficazmente do que em laboratório
RIKEN
Os nanocarbonos moleculares são estruturas super minúsculas feitas inteiramente de átomos de carbono. Apesar do seu tamanho minúsculo, podem ser mecanicamente fortes, conduzir eletricidade e até emitir luz fluorescente. Estas propriedades tornam-nos ideais para utilização em aplicações como componentes aeroespaciais, baterias leves e eletrónica avançada. No entanto, a precisão necessária para fabricar estas estruturas minúsculas continua a ser um grande obstáculo à sua utilização generalizada. As técnicas laboratoriais convencionais têm dificuldade em efetuar a manipulação fina necessária para juntar estas moléculas complexas átomo a átomo, e as suas formas definidas tornam especialmente difícil modificá-las sem perturbar a sua integridade.
"A nossa equipa tem feito investigação sobre nanocarbonos moleculares, mas, paralelamente, também desenvolvemos moléculas que actuam em mamíferos e plantas", diz Itami. "Através dessas experiências, perguntámo-nos de repente - o que aconteceria se déssemos nanocarbonetos aos insectos?"
Por muito estranha que a ideia possa parecer, tem raízes na biologia. Os insectos, especialmente os insectos que se alimentam de plantas, como os gafanhotos e as lagartas, desenvolveram sistemas sofisticados no intestino para decompor substâncias estranhas, como as toxinas das plantas e os pesticidas. Estes processos metabólicos dependem de enzimas capazes de transformações químicas complexas. Os investigadores da RIKEN colocaram a hipótese de os insectos poderem servir como fábricas químicas vivas, realizando o tipo de modificações químicas nos nanocarbonos que são difíceis de reproduzir em laboratório.
Para testar o seu conceito, a equipa alimentou lagartas de lagarta do tabaco - pragas agrícolas comuns com vias metabólicas bem mapeadas - com uma dieta contendo um nanocarbono molecular em forma de cinto conhecido como [6]MCPP. Dois dias mais tarde, a análise do cocó da lagarta revelou uma nova molécula, o [6]MCPP-oxileno, que é o [6]MCPP que incorporou um átomo de oxigénio. Esta alteração subtil fez com que a molécula se tornasse fluorescente.
Utilizando técnicas como a espetrometria de massa, a RMN e a cristalografia de raios X, os investigadores determinaram a estrutura do [6]MCPP-oxileno. As experiências de biologia molecular identificaram duas enzimas, CYP X2 e X3, como responsáveis pela transformação. Análises genéticas posteriores confirmaram que estas enzimas são essenciais para a ocorrência da reação.
As simulações em computador revelaram que estas enzimas podiam ligar simultaneamente duas moléculas de [6]MCPP-oxileno e inserir diretamente um átomo de oxigénio numa ligação carbono-carbono - um fenómeno raro e nunca antes observado. "É extremamente difícil reproduzir em laboratório as reacções químicas que ocorrem no interior dos insectos", explica Itami. "As tentativas de laboratório para esta reação de oxidação falharam ou tiveram rendimentos muito baixos."
Fiel à filosofia do PRI, este trabalho é pioneiro numa nova direção da ciência dos materiais: fabricar moléculas funcionais utilizando insectos. A mudança dos tradicionais tubos de ensaio para sistemas biológicos - enzimas, micróbios ou insectos - permitirá a construção de nanomoléculas complexas. Para além dos nanocarbonos moleculares brilhantes, com ferramentas como a edição do genoma e a evolução dirigida, a síntese em insectos poderá ser aplicada a uma vasta gama de moléculas e funções, estabelecendo ligações entre a química orgânica e a biologia sintética.
"A lagarta do tabaco é uma praga agrícola notória devido ao seu rápido ciclo de vida e à sua excecional capacidade de metabolizar pesticidas, o que lhe valeu a reputação de vilão global da indústria de proteção das culturas", afirma Itami. "E, no entanto, o que achamos verdadeiramente fascinante é que, no nosso projeto, estas mesmas traças assumiram um papel inesperado - não como adversárias, mas como heróis improváveis."
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