Pigmentos que podem fazer mais
Nova descoberta lança luz sobre a utilização bacteriana da biomassa com potencial para biocombustíveis e novos antibióticos
A elucidação da estrutura e origem da chamada "Substância de Afinidade Amarela" (YAS) fornece novos conhecimentos sobre a degradação da celulose pela bactéria Clostridium thermocellum (novo nome: Acetivibrio thermocellus). Presume-se que o pigmento amarelo desempenha um papel decisivo na conversão da biomassa vegetal em açúcar utilizável, o que abre novas perspectivas para a produção de biocombustíveis. O estudo também abre novas abordagens na investigação de antibióticos.
A comparação de duas culturas de Clostridium thermocellum com papel de filtro como fonte de celulose mostra a influência do pigmento YAS na degradação da celulose pela bactéria. Enquanto o papel da esquerda é completamente degradado no soro, parte do papel da direita permanece praticamente intacta sem contacto com YAS.
© Jana Krabbe, Leibniz-HKI
As bactérias anaeróbias foram das primeiras formas de vida na Terra e existiam numa altura em que não havia oxigénio na atmosfera. Enquanto muitos organismos dependem de um ambiente rico em oxigénio para sobreviver, os anaeróbios prosperam em locais onde outros não conseguem - em habitats completamente sem oxigénio, como o intestino humano ou o fundo do oceano. As enzimas destas bactérias são mesmo sensíveis ao oxigénio. A sua notável capacidade de adaptação está a atrair cada vez mais a atenção dos investigadores.
As bactérias anaeróbias produzem frequentemente substâncias invulgares. Este facto torna-as particularmente interessantes para a investigação e a biotecnologia, por exemplo, para a produção de antibióticos ou de biocombustíveis. São também intervenientes indispensáveis no ciclo natural dos nutrientes, decompondo a matéria orgânica, como a celulose, e libertando os nutrientes de volta para o ecossistema.
Uma substância sinalizadora com um papel fundamental
O Clostridium thermocellum é um dos micróbios anaeróbios mais conhecidos no que diz respeito à degradação da celulose - o principal componente das paredes celulares das plantas. Converte a celulose em açúcar, que pode depois ser utilizado para produzir biocombustíveis, como o etanol. Um pigmento amarelo visível produzido pela bactéria (YAS - Yellow Affinity Substance) desempenha um papel fundamental neste processo. A YAS liga-se preferencialmente às fibras de celulose. Presume-se que a YAS ajuda a direcionar as enzimas de degradação precisamente para onde a celulose está presente.
Análise estrutural de pigmentos bacterianos
Os investigadores do Instituto Leibniz de Investigação de Produtos Naturais e Biologia da Infeção - Instituto Hans Knöll (Leibniz-HKI) e do Instituto Max Planck de Ecologia Química em Jena conseguiram agora, pela primeira vez, elucidar a composição molecular da YAS. Os cientistas descobriram que o YAS é constituído por vários componentes, os chamados celuxantenos, e determinaram as suas estruturas moleculares utilizando análises espectroscópicas (RMN, MS) e experiências de marcação isotópica. Além disso, identificaram o grupo de genes biossintéticos responsável através de manipulação genética direcionada.
Um pigmento com potencial médico?
Surpreendentemente, os pigmentos mostram um efeito contra certos microorganismos. Os celuxantenos têm uma atividade antibiótica ligeira contra bactérias Gram-positivas - incluindo agentes patogénicos resistentes e clinicamente relevantes. A compreensão da base genética da biossíntese também abre a possibilidade de produzir ou modificar os celuxantenos no futuro. Os primeiros autores, Keishi Ishida e Jana Krabbe, vêem resultados promissores: "Embora os pigmentos amarelos sejam conhecidos há quase um século, a sua estrutura permaneceu um mistério até agora. Podemos agora começar a investigar possíveis funções ecológicas, incluindo a atividade antibacteriana para defender a fonte de alimento (celulose) contra os concorrentes".
Um passo em direção a um futuro sustentável
A descoberta e caraterização dos celuxantenos preenche a lacuna entre a nossa compreensão do metabolismo microbiano e as aplicações práticas no sector da energia - e talvez na futura investigação médica. Os resultados poderão também ajudar a otimizar a utilização da biomassa vegetal.
A investigação faz parte do projeto "AnoxyGen", para o qual Christian Hertweck recebeu uma das prestigiadas bolsas ERC Advanced Grants do Conselho Europeu de Investigação. Hertweck é chefe de departamento no Leibniz-HKI e professor na Universidade Friedrich Schiller de Jena. "O objetivo da AnoxyGen é revelar o potencial oculto das bactérias anaeróbias para produzir novos produtos naturais bioactivos", explica Hertweck. "Muitos destes microrganismos têm genes no seu genoma para a produção de compostos valiosos, mas estes permanecem normalmente inactivos em condições laboratoriais normais." A equipa está a desenvolver novos métodos de biologia molecular para ativar estas vias biossintéticas ocultas - métodos que anteriormente existiam sobretudo para micróbios aeróbicos (dependentes de oxigénio). O objetivo é descobrir e aproveitar substâncias naturais anteriormente desconhecidas com valor médico ou biotecnológico. O AnoxyGen combina a biologia sintética moderna com a descoberta de substâncias activas e poderá abrir novas possibilidades para o desenvolvimento farmacêutico.
O projeto AnoxyGen também contribui para o Grupo de Excelência "Equilíbrio do Microverso", que investiga os complexos mecanismos de sinalização e comunicação nas comunidades microbianas que regem a vida na Terra.
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Publicação original
Keishi Ishida, Jana Krabbe, Philippe R. Meisinger, Gulimila Shabuer, Sebastian Schieferdecker, Michael Cyrulies, Cedric Tank, Emma Barnes, Christian Paetz, Christian Hertweck; "Discovery and Biosynthesis of Celluxanthenes, Antibacterial Arylpolyene Alkaloids From Diverse Cellulose‐Degrading Anaerobic Bacteria"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 64, 2025-4-14
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