Como um microrganismo das profundezas do mar rompe as ligações químicas mais resistentes
Perspetiva molecular sobre a fixação biológica de azoto perto do ponto de ebulição
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Investigadores do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha e do Institut de Biologie Structurale determinaram a estrutura e as características moleculares de uma enzima notavelmente estável ao calor que transforma o gás azoto em amoníaco. As suas descobertas, publicadas na revista *Nature Communications*, revelam novos conhecimentos sobre a forma como a natureza quebra a ligação tripla do N₂, excepcionalmente forte, para produzir este importante fertilizante e biocombustível.
Quebrar uma das ligações químicas mais resistentes da natureza
Os microrganismos são capazes de fazer coisas notáveis — por exemplo, a fixação de azoto, ou seja, a conversão do gás azoto (N₂) numa forma que os organismos possam utilizar. Embora o gás azoto constitua cerca de 78 por cento da atmosfera terrestre, as plantas e os animais não o podem utilizar diretamente. Os dois átomos de azoto estão unidos por uma «supercola»: uma ligação química tripla. Mas alguns microrganismos têm um superpoder: conseguem fixar o azoto ao quebrar estas ligações e converter o N₂ em amoníaco, que pode depois ser utilizado para construir moléculas biológicas. Um desses super-heróis é a arquea de águas profundas Methanocaldococcus infernus. Este microrganismo vive em áreas vulcânicas marinhas, onde as temperaturas dos fluidos das fontes hidrotermais podem exceder o ponto de ebulição da água.
Isso despertou a curiosidade dos cientistas do laboratório de Tristan Wagner, no Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, em Bremen. Eles «domesticaram» este microrganismo, obrigando-o a fixar N₂ mesmo a temperaturas superiores a 90 °C. «Como é que eles conseguem fazê-lo, com tanto calor? E como é que a enzima que quebra a ligação tripla do N₂ consegue funcionar nestas condições?», perguntou-se Wagner.
A enzima que confere o superpoder de fixar N₂ chama-se nitrogenase, uma enzima que contém o metalocofator mais complexo conhecido na biologia. Os metalocofatores são moléculas auxiliares metálicas, ligadas a uma enzima e essenciais para o seu funcionamento. As nitrogenases mais bem estudadas e com melhor desempenho têm um metalocofator que contém molibdénio, mas também existem formas que contêm apenas vanádio e ferro. A forma como estas diferentes formas se relacionam entre si e, exatamente, como os seus centros metálicos lhes permitem quebrar a ligação tripla do N₂ continua a ser uma área de investigação ativa.
Uma nitrogenase notável, concebida para condições extremas
«A nitrogenase encontrada no Methanocaldococcus infernus é notável porque parece partilhar características das formas de molibdénio, vanádio e ferro. Este tipo de nitrogenase poderá ser semelhante a um antepassado comum das nitrogenases, o sistema ancestral a partir do qual todas elas evoluíram. Assim, poderia revelar princípios comuns na reação da nitrogenase», afirma Wagner. Os investigadores conseguiram isolar a nitrogenase diretamente do microrganismo. Esta enzima revelou-se excepcionalmente estável a altas temperaturas, uma vez que a proteína só começa a desintegrar-se aos 90 °C, e parte dela chegou mesmo a sobreviver aos 98 °C.
«Isto prova que esta enzima foi concebida para funcionar em condições em que a maioria das proteínas se decomporia rapidamente, tal como a clara de ovo cozida em água quente», afirma a primeira autora, Nevena Maslać, do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha. «Não está ativa à temperatura ambiente. Pelo contrário, demonstramos que só produz amoníaco a altas temperaturas. A sua extrema estabilidade permitiu-nos estudar estados da nitrogenase que são normalmente difíceis de captar.»
Métodos de ponta para uma análise molecular
Para obter uma imagem detalhada desta nitrogenase, não foi necessário que os investigadores se deslocassem às profundezas do mar, mas foi necessária uma proeza que combinou fisiologia microbiana, purificação de enzimas nativas, bioquímica e biologia estrutural — tudo em condições estritamente isentas de oxigénio, para evitar danos irreversíveis nos seus metalocofatores.
Para tal, os investigadores obtiveram a enzima na forma de cristal e estudaram-na no Institut de Biologie Structurale, em Grenoble, França. Aí, utilizaram o síncrotron do próprio instituto — um acelerador circular de partículas que produz raios X potentes. Em primeiro lugar, os cientistas revelaram a estrutura molecular da nitrogenase. Conseguiram uma imagem com resolução quase atómica da nitrogenase mais simples conhecida até à data. Esta combina características estruturais das três famílias de nitrogenases conhecidas — as nitrogenases à base de molibdénio, vanádio e ferro. Isto corrobora a ideia de que as nitrogenases ancestrais podem ter sido mais semelhantes a esta enzima arqueana do que às suas congéneres bacterianas. Em seguida, os investigadores quiseram garantir que a nitrogenase continha o metalocofator de molibdénio. «A nossa busca pelo molibdénio foi tecnicamente extremamente desafiante e exigiu que os especialistas do síncrotron levassem o seu instrumento até aos seus limites absolutos», afirma Wagner.
No final, a medição não só revelou o sinal típico do molibdénio como reservou outra surpresa: «Ficámos surpreendidos ao observar um estado até então nunca observado numa nitrogenase contendo molibdénio!» Até agora, o chamado estado de «renovação», que poderá indicar uma etapa intermédia na reação, só tinha sido captado nas formas que contêm apenas vanádio e ferro. Observar este estado também numa enzima com molibdénio sugere que a nitrogenase segue universalmente o mesmo padrão para decompor o N₂.
Da química do fundo do mar à biotecnologia do futuro
Uma melhor compreensão da fixação de azoto é importante para muito mais do que apenas o fundo do mar. Os microrganismos fixadores de azoto, como o M. infernus, não só disponibilizam azoto sob a forma de amoníaco, como também desempenham um papel fundamental no ciclo do carbono da Terra, ao gerarem metade do metano que se encontra na atmosfera. No futuro, esses organismos poderão vir a ser explorados como plataformas biológicas para converter gases em produtos úteis, incluindo metano e amoníaco, utilizando hidrogénio verde como fonte de energia.
«E se, um dia, as culturas pudessem obter azoto diretamente do N₂ atmosférico?», especula Wagner. Isso poderia tornar a agricultura menos dependente de fertilizantes industriais. Atualmente, a produção de fertilizantes através do processo de Haber-Bosch requer uma quantidade substancial de energia e está associada a emissões de gases com efeito de estufa, enquanto a utilização excessiva de fertilizantes contribui para a eutrofização e outros problemas ambientais. «Por enquanto, o estudo oferece algo mais fundamental: uma visão molecular atualizada de uma das reações químicas mais notáveis da biologia.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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