Investigadores de Marburg descodificam uma das maiores enzimas da natureza
A microscopia eletrónica criogénica revela como este gigante de 8 megadaltons impulsiona a produção de metano nas arqueas
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Uma equipa de investigação da Universidade de Marburg estudou um dos maiores complexos enzimáticos encontrados na natureza até à data e decifrou a sua notável estrutura. Sob a supervisão do Prof. Dr. Jan Schuller, a doutoranda Sophia Paul, do Centro de Microbiologia Sintética (SYNMIKRO), conseguiu caracterizar em pormenor a chamada superestrutura da heterodissulfureto redutase. Os resultados do estudo estão agora a ser publicados na revista Nature. Mostram como um «gigante» molecular, composto por centenas de blocos de construção, permite a produção de energia em microrganismos.
«Este complexo enzimático demonstra de forma impressionante como a natureza construiu máquinas moleculares complexas para gerar energia de forma eficiente em condições extremas. O que é particularmente emocionante para nós é que não só conseguimos elucidar a estrutura deste enorme sistema, como também observar a flexibilidade com que os microrganismos adaptam o seu metabolismo energético ao ambiente», afirma o Prof. Dr. Jan Schuller.
O complexo enzimático investigado é impressionantemente grande: tem uma massa molecular de cerca de oito megadaltons e um diâmetro de aproximadamente 50 nanómetros. Isto torna-o um dos maiores complexos enzimáticos conhecidos. A título de comparação: muitas enzimas, como as que fornecem energia às células através do metabolismo do açúcar, são significativamente mais pequenas, com cerca de 120 kilodaltons. A superestrutura é composta por um total de 252 subunidades proteicas e contém mais de 600 dos chamados cofatores — pequenos componentes moleculares que são cruciais para o funcionamento da enzima.
Através da complexa organização estrutural dos seus numerosos componentes, o complexo enzimático é capaz de ligar eficientemente várias etapas da reação. Isto permite uma transferência rápida e direcionada de eletrões — um processo fundamental para a produção de energia em determinados microrganismos.
Uma chave molecular para a formação de metano
O complexo foi isolado do microrganismo Methanococcus maripaludis. Este pertence ao grupo conhecido como arqueas metanogénicas — organismos unicelulares que conseguem viver sem oxigénio e que se encontram em ambientes extremos. Os seus habitats vão desde fontes termais e sedimentos profundos até ecossistemas salinos, como os pântanos salgados da costa alemã do Mar do Norte.
Estes microrganismos utilizam hidrogénio para converter dióxido de carbono (CO₂) em metano (CH₄). A par do dióxido de carbono, o metano é um dos gases com efeito de estufa mais significativos e contribui para o aquecimento global. Uma melhor compreensão da produção biológica de metano ajuda, portanto, a avaliar melhor o papel desses microrganismos nos ciclos globais do carbono e no contexto das alterações climáticas.
Descoberta de uma adaptabilidade surpreendente
Recorrendo à microscopia crioeletrónica, a equipa de Marburg conseguiu não só visualizar a estrutura do complexo enzimático, como também identificar uma característica inesperada: em cerca de 18 por cento das partículas examinadas, uma desidrogenase de formiato estava incorporada no lugar de uma hidrogenase utilizadora de hidrogénio.
Esta observação demonstra a elevada adaptabilidade dos microrganismos anaeróbicos. Se o seu ambiente se alterar — por exemplo, devido à disponibilidade limitada de hidrogénio —, estes podem substituir especificamente componentes do complexo e, assim, adaptar a sua produção de energia. Para além de estudar complexos isolados em laboratório, o grupo de investigação também utilizou a tomografia crioeletrónica para analisar as enzimas diretamente no seu ambiente natural, no interior da célula. Os resultados mostram que as superestruturas ocorrem em alta densidade no interior das células e, presumivelmente, desempenham um papel central no fluxo de eletrões e na produção de energia na via metabólica.
O estudo proporciona, assim, novos insights sobre o funcionamento de um sistema biológico excepcionalmente grande e demonstra como os microrganismos se adaptam a condições de vida extremas através de máquinas moleculares altamente complexas.
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