Uma enzima que traz esperança: descoberta de uma nova enzima capaz de decompor o plástico em bactérias
A «enzima Pac-Man» degrada o plástico de poliéster e, ao mesmo tempo, hidrolisa a penicilina
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Investigadores da Universidade de Constança descobriram nas bactérias uma nova «enzima Pac-Man», capaz de decompor plástico de poliéster, mas também antibióticos como a penicilina. Isto estabelece uma nova base para a investigação sobre a degradação microbiana do plástico, bem como para a compreensão da propagação da resistência aos antibióticos no ambiente, também no que diz respeito à sua evolução.
Nos oceanos, acumulam-se enormes quantidades de resíduos plásticos nos chamados«grandesredemoinhos delixo» («Great Garbage Patches»), que se revelam fatais para os organismos que ali vivem. Isto deve-se ao facto de os polímeros plásticos sintéticos utilizados atualmente só poderem ser decompostos biologicamente — ou seja, por microrganismos — de forma muito lenta. Em vez disso, a fragmentação física dos materiais conduz à formação de microplásticos e nanoplásticos. No entanto, os micróbios colonizam o lixo plástico presente no ambiente, formando assim um biofilme num habitat microbiano totalmente próprio, a que a investigação dá o nome de «plastisfera».
Uma enzima recentemente descoberta nessas bactérias suscita a esperança de que os microrganismos possam especializar-se na decomposição do plástico mais rapidamente do que o esperado. Uma equipa de investigação da Universidade de Constança descobriu esta enzima até então desconhecida, que não só é capaz de decompor determinados tipos de poliéster e bioplásticos, como também confere às bactérias resistência aos antibióticos. Devido à sua estrutura com um centro ativo amplamente aberto, os investigadores designam este «devorador de plástico» como «enzima Pac-Man». O ser humano pode contribuir para a degradação do plástico no ambiente, utilizando, na melhor das hipóteses, apenas bioplásticos que possam ser decompostos pelos microrganismos.
O projeto de investigação
No seu projeto de investigação, os biólogos de Constança, Harry Lerner e David Schleheck, estudaram a decomposição microbiana completa do bioplástico. Ao mesmo tempo, investigaram a composição e toda a informação genética (o metagenoma) da comunidade microbiana envolvida. Para o estudo, foram utilizados materiais bioplásticos desenvolvidos pelo grupo liderado pelo químico Stefan Mecking — os chamados poliésteres alifáticos de cadeia longa (LCAP). O seu estudo conjunto foi agora publicado narevista The ISME Journal.
Como é que a equipa de investigação procedeu no seu estudo? «Enterrámos pequenos pedaços de película do bioplástico LCAP na camada superior de húmus da floresta do Jardim Botânico da Universidade, a cerca de dez centímetros de profundidade», explica Harry Lerner. «É precisamente nesta camada que ocorre a decomposição da celulose e de outros polímeros naturais, como a cutina, um poliéster vegetal.» Ao mesmo tempo, a equipa misturou um pó do bioplástico em amostras do mesmo solo florestal, em laboratório. As amostras na floresta foram deixadas assim durante um ano inteiro, enquanto que, no caso das amostras em laboratório, a degradação dos materiais foi acompanhada de forma muito detalhada através daprodução de CO₂ e, consequentemente, da respiração microbiana – também ao longo de um ano inteiro. «Como referências no laboratório, utilizaram-se a celulose, outros tipos de bioplásticos como o PHBV e o PCL, bem como plástico rígido (HDPE) e solo não tratado como controlo negativo. Em todos os materiais bioplásticos, conseguimos comprovar uma degradação completa no prazo de cerca de 250 a 330 dias; na celulose, após cerca de 80 dias, enquanto que, no caso do HDPE, praticamente nada aconteceu», descreve Lerner.
Uma descoberta inesperada
Uma surpresa aguardava os investigadores, nomeadamente ao analisarem as películas recolhidas do solo da floresta: ao microscópio eletrónico, tornou-se visível que se tinham formado orifícios microscópicos na película. E esses orifícios tinham exatamente o tamanho e a forma de células bacterianas individuais. «As bactérias poderiam — era essa a nossa hipótese — estar revestidas de despolimerases de plástico firmemente ancoradas na superfície celular, digerindo, por assim dizer, o próprio material e, por isso, afundando-se na película. Ao fazê-lo, deixam para trás esses orifícios minúsculos», explica Lerner.
Para descobrir quais os micróbios que se acumulam nas amostras de solo durante a degradação dos materiais bioplásticos e quais as enzimas responsáveis por essa degradação, Harry Lerner extraiu o ADN total da comunidade de organismos presentes no solo, sequenciou-o e analisou os grandes volumes de dados com muita paciência e cuidado. Os microbiologistas descobriram um gene que se tinha acumulado fortemente apenas no solo florestal com LCAP. Este gene codifica uma enzima denominada esterase, que possui tanto um sinal de secreção — uma espécie de etiqueta de endereço para a exportação para o exterior da célula — como uma chamada âncora de membrana (âncora lipídica). Esta última permite a ligação firme da enzima à superfície celular. A «enzima Pac-Man» tinha sido descoberta.
Com a enzima, surgiu ainda outra surpresa: «Apresenta uma semelhança estrutural com as esterases, mas também com as beta-lactamases, ou seja, com enzimas bacterianas capazes de clivar o anel beta-lactâmico de determinados antibióticos, como a penicilina, conferindo assim resistência aos antibióticos às bactérias», afirmou Lerner. E, de facto, os investigadores conseguiram comprovar em laboratório a dupla função bioquímica da enzima: por um lado, decompor poliésteres em monómeros e, por outro, clivar a penicilina.
Uma revolução na plastosfera?
«No nosso ambiente, a plastisfera é um novo habitat», salienta Schleheck. «O ser humano só começou a introduzir plástico no ambiente em quantidades significativas há cerca de 50 a 75 anos. Desde então, este está, na verdade, à disposição das comunidades microbianas — por exemplo, bactérias, leveduras e fungos — como um substrato adicional de carbono e energia para o seu crescimento. Com «na verdade», quero dizer que elas certamente gostariam de utilizar o plástico como substrato de crescimento — mas não o conseguem fazer, pois os materiais são praticamente indigestíveis para o metabolismo microbiano e, por isso, quase não são degradados.»
Pelo menos até agora. A «enzima Pac-Man» poderá agora sinalizar uma viragem, indicando que alguns microrganismos se estão, entretanto, a especializar totalmente na degradação do plástico. «Isso dá-me esperança a nível pessoal, pois parece que as bactérias se podem especializar na degradação de tipos de plástico de poliéster mais rapidamente do que se pensava. Para resolver o problema do plástico no ambiente, isto significa que nós, seres humanos, temos de ir ao encontro dos micróbios e, no futuro, na melhor das hipóteses, utilizar apenas polímeros que possuam pontos de ruptura bioquímicos, como as pontes de éster hidrolisáveis nos poliésteres, por exemplo, no LCAP ou noutros tipos de bioplásticos», afirma Schleheck.
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