Do óleo de palma às enzimas artificiais: os investigadores reprogramam as células de levedura

Uma linha de montagem molecular com controlo preciso

No centro desta investigação está uma enzima chamada sintase de ácidos gordos (FAS) - um tipo de linha de montagem molecular que constrói ácidos gordos em todos os organismos vivos. "A FAS é uma das enzimas mais importantes no metabolismo de uma célula e tem sido afinada pela evolução ao longo de milhões de anos", explica Grininger.

A enzima produz normalmente ácido palmítico, um ácido gordo de 16 carbonos que serve como bloco de construção das membranas celulares e do armazenamento de energia. No entanto, a indústria necessita sobretudo de variantes mais curtas, com 6 a 14 átomos de carbono, que atualmente são obtidas a partir de óleos vegetais produzidos em plantações de palmeiras em grande escala, associadas à desflorestação e à perda de biodiversidade. A vantagem decisiva do novo método baseado na FAS: "Fundamentalmente, a nossa vantagem reside no controlo muito preciso do comprimento da cadeia. Teoricamente, podemos produzir qualquer comprimento de cadeia e estamos a demonstrá-lo com o exemplo do ácido gordo C12, que de outra forma só pode ser obtido a partir de sementes de palma ou de coco", diz Grininger.

Compreender através da modificação

Nos últimos 20 anos, Grininger e a sua equipa contribuíram significativamente para a compreensão dos fundamentos moleculares da FAS. Descobriram que o comprimento da cadeia é regulado pela interação entre duas subunidades: a cetossintetase alonga repetidamente a cadeia em dois átomos de carbono, enquanto a tioesterase cliva a cadeia acabada como um ácido gordo. "Perguntámo-nos então se poderíamos ir além da análise e construir FAS com nova regulação do comprimento da cadeia", diz Grininger. "A verdadeira compreensão começa quando se pode alterar ou personalizar um fenómeno."

Duas intervenções direcionadas conduzem ao sucesso

O estudante de doutoramento de Grininger, Damian Ludig, pegou nesta ideia. "Perguntámos o que aconteceria se interviéssemos especificamente na interação entre estas duas subunidades", explica Ludig. "Poderíamos então controlar o comprimento da cadeia dos ácidos gordos que são produzidos?"

Ludig utilizou métodos de engenharia de proteínas em que é possível trocar aminoácidos individuais ou modificar regiões inteiras da proteína. "Duas alterações à FAS através da engenharia de proteínas levaram-nos ao nosso objetivo", diz Ludig. "Na subunidade da cetossintase, primeiro troquei um aminoácido, o que resultou em cadeias que se estendiam apenas com baixa eficiência para além de um determinado comprimento. Além disso, substituí a subunidade da tioesterase por uma proteína semelhante de uma bactéria que mostra atividade na clivagem de cadeias curtas." Dependendo de outros ajustes, Ludig foi capaz de produzir ácidos gordos de comprimento curto e médio.

De Frankfurt a Dalian

A colaboração com o grupo de investigação do Prof. Yongjin Zhou, do Instituto de Física Química de Dalian, da Academia Chinesa de Ciências, acabou por alcançar resultados revolucionários. Com o apoio da Fundação Alemã de Investigação (DFG) e da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (NSFC), Zhou e o seu laboratório conseguiram desenvolver estirpes de levedura que produzem ácidos gordos com apenas 12 átomos de carbono em vez de 16. Vários FAS de design do laboratório de Grininger foram integrados nestas leveduras para otimização.

Ambos os laboratórios já registaram patentes para as suas tecnologias. "Do lado chinês, a Unilever esteve envolvida neste projeto. Até agora, o nosso desenvolvimento tem sido feito sem a participação da indústria. No entanto, estamos a tentar estabelecer uma colaboração com um parceiro industrial para aplicar a tecnologia", diz Grininger.

Pensando no futuro: Dos ácidos gordos aos produtos farmacêuticos

Num segundo projeto, Felix Lehmann, do laboratório de Grininger, levou a investigação ainda mais longe, investigando até que ponto os FAS são universalmente aplicáveis a biossínteses personalizadas: "Esta questão é também motivada pela necessidade de desenvolver continuamente processos químicos no sentido de uma química verde mais sustentável", explica Grininger.

A questão específica era: Pode a FAS ser redireccionada para produzir não só ácidos gordos, mas também compostos completamente diferentes, como as estirilpironas? Estas moléculas são precursoras de substâncias derivadas da planta kava que atraem o interesse médico devido às suas potenciais propriedades ansiolíticas. Também neste caso, Lehmann obteve sucesso com relativamente poucas modificações: "Primeiro, cortámos a parte da FAS de que não precisávamos para os nossos produtos-alvo; depois, alterámos a cetossintase para que o ácido cinâmico pudesse ser utilizado como matéria-prima", explica. A equipa chegou mesmo a integrar outra proteína na estrutura da FAS para que esta se tornasse parte de um complexo multienzimático.

"Neste projeto, examinámos sistematicamente a forma como vias biossintéticas inteiras podem ser construídas com a FAS a partir de blocos de construção facilmente disponíveis", explica Grininger. Embora os resultados ainda não tenham aplicações práticas imediatas, fornecem orientações importantes para a futura conceção de novas sintases.

Na Intersecção da Química e da Biologia

"Nos últimos anos, o nosso laboratório tem dado passos significativos no sentido da biocatálise e das aplicações biotecnológicas, graças à contribuição de muitos projectos e colaborações. Vamos continuar neste caminho", resume Grininger. "No âmbito do Cluster de Excelência SCALE, utilizaremos também esta enzima para gerar biomembranas adaptadas, cuja análise ajudará a aprofundar a nossa compreensão de organelos-chave como o retículo endoplasmático e as mitocôndrias."

Se a tecnologia pode de facto aliviar as questões relacionadas com o óleo de palma depende agora do sucesso da sua expansão em conjunto com parceiros industriais. As bases científicas foram certamente lançadas e o laboratório tem ainda muitas ideias para explorar.