Os organismos podem produzir energia a partir do ar
Os resultados apontam para novas possibilidades de produção de energia sustentável
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Investigadores da Universidade de Berna, em colaboração com investigadores da Austrália e da Nova Zelândia, recriaram em laboratório um processo importante que permite aos organismos obter energia diretamente a partir de componentes presentes no ar. Isto confirma que certos organismos, como as bactérias, podem efetivamente viver apenas de ar, sem depender da luz solar ou de outras fontes de energia. Os resultados apontam para novas possibilidades de produção sustentável de energia.
O hidrogénio encontra-se na nossa atmosfera apenas como um gás vestigial, numa concentração de 0,00005%. A concentração mantém-se quase constante, apesar dos 70 milhões de toneladas de hidrogénio recém-produzido todos os anos - principalmente através de processos fotoquímicos e da produção induzida pelo homem. A razão para esta constância não foi clara durante muito tempo, mas sabe-se agora que a maior parte é absorvida por microrganismos como as bactérias do solo, que utilizam o hidrogénio como fonte de energia. Enzimas especializadas, conhecidas como hidrogenases, capturam as moléculas de hidrogénio extremamente raras do ar e convertem-nas em energia.
Investigadores da Universidade de Berna, juntamente com colegas da Universidade de Otago, da Universidade de Tecnologia de Queensland, da Universidade Monash e da Universidade de Melbourne, conseguiram agora, pela primeira vez, recriar em laboratório o processo teórico de produção de energia pelos organismos a partir do hidrogénio do ar. Os resultados, que acabam de ser publicados na revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), constituem a primeira prova de que o processo se realiza efetivamente e explicam, entre outras coisas, porque é que certos organismos podem sobreviver durante muito tempo sem a energia do sol ou de outras fontes de energia.
O hidrogénio e o oxigénio reagem para formar água e libertar energia
Nas aulas de química, este processo de libertação de energia é classicamente demonstrado utilizando a reação de oxi-hidrogénio. Duas partes de hidrogénio e uma parte de oxigénio são misturadas num balão e inflamadas. A reação produz um forte estrondo e o produto da reação é a água. O estrondo mostra que a combinação destes dois gases é muito rica em energia, mas requer uma energia inicial sob a forma de calor. Christoph von Ballmoos, chefe do grupo de investigação do Departamento de Química, Bioquímica e Ciências Farmacêuticas da Universidade de Berna e iniciador e último autor do estudo, explica: "Basicamente, a mesma reação tem lugar na célula bacteriana. No entanto, é estritamente catalisada por enzimas e não necessita de uma ignição inicial. A reação nas bactérias é dividida em pelo menos três etapas, a fim de armazenar a energia libertada sob a forma de energia celular ATP, em vez de a perder sob a forma de calor, como na experiência do oxi-hidrogénio".
O ATP (trifosfato de adenosina) é a fonte de energia mais importante da célula e é utilizado para inúmeras tarefas, como a ingestão de alimentos ou a produção de ADN e proteínas. O ATP actua como uma pequena bateria recarregável, que é regenerada após a sua utilização.
Para testar se este processo teórico pode efetivamente ter lugar nos organismos, os investigadores reconstruíram uma cadeia respiratória sintética mínima a partir de componentes purificados. Von Ballmoos afirma: "Nos seres humanos, a respiração celular tem lugar nas mitocôndrias e converte a energia dos alimentos em ATP. Neste processo, os electrões são gradualmente transferidos das moléculas ricas em energia para o oxigénio. A energia assim libertada é utilizada para acionar um ciclo de protões, que gera ATP através de uma nanoturbina". No estudo atual, os investigadores produziram uma cadeia respiratória mínima e sintética a partir de apenas três enzimas incorporadas numa membrana lipídica artificial - uma das quais (a hidrogenase) veio da Austrália e as outras duas (bomba de protões e nanoturbina) de Berna. "Uma dificuldade desta experiência que finalmente conseguimos ultrapassar foi a de incorporar as proteínas na membrana de forma a que os protões fossem bombeados na direção certa", diz Stefan Moning, segundo autor do estudo e doutorando no Departamento de Química, Bioquímica e Ciências Farmacêuticas da Universidade de Berna.
A vida a partir do ar é possível
As experiências apoiam a teoria de que certos organismos só podem produzir a energia de que necessitam para viver a partir dos componentes do ar. "Embora o hidrogénio só esteja presente no ar em quantidades muito pequenas, as três enzimas conseguem conservar a energia da reação e convertê-la em ATP. Isto é ainda mais impressionante se tivermos em conta que o oxigénio é 400 000 vezes mais abundante no ar do que o hidrogénio, longe das condições ideais da reação de oxi-hidrogénio. Embora o processo seja lento, é suficiente para manter um organismo à tona em tempos difíceis, como calculámos", diz von Ballmoos.
"Este processo não só explica porque é que a concentração de hidrogénio na atmosfera se mantém constante, mas também porque é que a vida é possível no deserto seco da Antárctida, apesar da ausência de moléculas orgânicas, ou porque é que os organismos podem sobreviver longos períodos sem uma fonte de energia", diz Sarah Soom, primeira autora do estudo e antiga aluna de mestrado no Departamento de Química, Bioquímica e Ciências Farmacêuticas da Universidade de Berna. "Supõe-se que outros gases vestigiais no ar, como o monóxido de carbono ou o metano, permitem processos semelhantes. Mas foi agora demonstrado experimentalmente, pela primeira vez, com o hidrogénio. A ideia de que se pode efetivamente viver no ar é fascinante", afirma von Ballmoos.
A reação permite a produção de energia sustentável
A reação do hidrogénio com o oxigénio tem como único produto residual a água pura. "Este facto torna o método uma das formas mais ecológicas de produção de energia, comparável à da luz solar", diz Soom.
"A velocidade de produção de ATP pode ser aumentada muitas vezes se o hidrogénio estiver presente em concentrações mais elevadas. Se tal for possível, por exemplo, através da divisão da água catalisada pela luz, o processo poderá estabelecer novos padrões para a produção de ATP em biologia sintética", afirma von Ballmoos. A produção contínua e sustentável de ATP é importante, por exemplo, para a produção de medicamentos apoiados por enzimas ou para compreender a origem da vida em sistemas modelo. "Ainda há muitas perguntas por responder e a cadeia respiratória sintética pode ainda ser optimizada. No entanto, o trabalho é um marco em direção à viabilidade e um começo para outras aplicações potenciais interessantes", conclui von Ballmoos.
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