A fixação artificial de carbono ultrapassa a natureza
A fixação sintética de carbono também funciona mais eficientemente do que as vias metabólicas naturais em bactérias vivas
Uma colaboração internacional demonstrou pela primeira vez que a fixação sintética de carbono em sistemas vivos pode funcionar de forma mais eficiente do que na natureza. Os investigadores do laboratório de Tobias Erb no Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre incorporaram uma via metabólica sintética numa bactéria e mostraram, numa comparação direta, que esta pode formar significativamente mais biomassa a partir de ácido fórmico eCO2 do que a estirpe bacteriana natural.
Dr. Beau Dronsella, investigador do Max Planck no MPI para a Microbiologia Terrestre em Marburg, com um bioreactor experimental
Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie/Geisel
A natureza fixao CO2 principalmente no chamado ciclo de Calvin, que faz parte da fotossíntese. No entanto, esta via de fixação natural é limitada no que respeita à eficiência. Os investigadores liderados por Tobias Erb já desenvolveram ciclos artificiais, como o ciclo CETCH ou THETA, que são mais eficientes do que o ciclo de Calvin da natureza. As vias já funcionam em tubos de ensaio, mas até agora só foram parcialmente incorporadas em organismos vivos.
O CO2 também pode ser fixado através de métodos físico-químicos, por exemplo, através da redução eletroquímica doCO2 em ácido fórmico utilizando eletricidade renovável. Infelizmente, este processo ainda não pode ser utilizado para transformar o ácido fórmico em moléculas complexas, como açúcares ou proteínas, porque o processo é demasiado ineficiente neste domínio.
No entanto, a construção de biomassa a partir de corpos C1, como o ácido fórmico eo CO2, é uma especialidade dos microrganismos. De facto, algumas bactérias podem crescer em ácido fórmico e produzir numerosos produtos. Por isso, os investigadores estão atualmente a desenvolver processos híbridos que primeiro fixam fisico-quimicamenteo CO2 em ácido fórmico e depois o processam microbialmente.
Soluções híbridas sustentáveis
Uma vez que muitas bactérias na natureza convertem o ácido fórmico através do ineficiente ciclo de Calvin, poderiam também ser utilizadas alternativas artificiais, como o ciclo CETCH, para tornar a parte microbiana deste processo híbrido mais produtiva e produzir os produtos de base desejados de forma mais sustentável. Mas será que as formas sintéticas de processamento de carbono criadas pelo homem seriam realmente mais eficientes do que as naturais, numa comparação direta?
Para responder a esta pergunta, a equipa de investigação inscreveu na corrida a "via redutora da glicina", a via metabólica artificial mais eficiente para a assimilação do ácido fórmico. Para mostrar que pode superar a fixação natural do carbono representada pelo ciclo de Calvin em termos de energia, escolheram a bactéria não-fototrófica Cupriavidus necator, que utiliza o ciclo de Calvin para converter o ácido fórmico. Um dos parceiros de cooperação, o Dr. Nico Claassens da Universidade de Wageningen, já tinha conseguido introduzir a via redutora da glicina neste organismo em 2020, mas as taxas de crescimento e, sobretudo, o rendimento em biomassa, que reflecte a eficiência metabólica, eram inferiores aos da bactéria não modificada.
Otimização através da evolução em laboratório
No novo estudo, a equipa de investigação transferiu a via completa da glicina redutora para o genoma da bactéria, mas desta vez optimizou a eficiência da via. Carregaram elementos móveis de ADN que podem ser inseridos aleatoriamente no genoma com as partes da via metabólica. Em seguida, utilizaram a evolução laboratorial para otimizar a modificação do genoma para o crescimento em ácido fórmico, aumentando assim a sua eficiência. "As células nas quais os genes da via redutora da glicina foram inseridos e transcritos favoravelmente entre si cresceram melhor do que as outras células e foram selecionadas por nós até a sua produção estar próxima do ótimo fisiológico", explica o Dr. Beau Dronsella, primeiro autor do estudo, publicado na revista Nature Microbiology.
Sintético e natural em comparação direta
Na comparação subsequente em bioreactor, a estirpe artificialmente modificada e optimizada produziu significativamente mais biomassa a partir de ácido fórmico eCO2 do que a estirpe bacteriana natural. Os investigadores mediram mesmo rendimentos de biomassa superiores aos de todos os organismos comparáveis que utilizam o ciclo de Calvin ou vias sintéticas para utilizar o ácido fórmico. No entanto, a estirpe artificialmente modificada foi apenas metade da velocidade da estirpe natural.
Potencial para futura bioprodução
No entanto, os investigadores estão confiantes de que esta diferença também pode ser reduzida através da evolução adaptativa em laboratório. A prova de que a biologia sintética pode efetivamente ser utilizada de forma mais eficiente num quadro biotecnológico para fixar o carbono não é apenas relevante para a via redutora da glicina aqui descrita, mas para muitas das vias metabólicas artificiais descritas. "O nosso resultado encerra um grande potencial para a bioprodução sustentável a partir do ácido fórmico e pode também tornar ainda mais eficientes as bioproduções já estabelecidas", afirma Beau Dronsella. "O ácido fórmico, tal como o hidrogénio, também pode ser utilizado como um transportador de energia química para armazenar o excedente de energia renovável no futuro e utilizá-lo para a bioprodução". Para Tobias Erb, o estudo é um passo importante para o jovem domínio da biologia sintética: "É fascinante podermos utilizar a biologia sintética para conceber, em poucos anos, novas soluções que funcionam de forma mais eficiente do que as que evoluíram na natureza ao longo de milhares de milhões de anos".
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