Projeto para nanomáquinas de captura de carbono da natureza abre caminho para bioengenharia e inovação climática

Pesquisadores da Universidade de Liverpool e Newcastle descobriram como as organelas bacterianas se agrupam, abrindo novos caminhos para a bioengenharia e a inovação climática.

A equipe colaborativa revelou a imagem mais detalhada de como as bactérias constroem compartimentos microscópicos conhecidos como carboxossomos – nanomáquinas naturais que desempenham um papel very important na captura e conversão dióxido de carbono (CO₂).

O estudo utiliza técnicas de biologia estrutural de ponta para resolver mistérios de longa knowledge que cercam uma das principais enzimas do carboxissomo, a anidrase carbônica. As descobertas podem informar avanços futuros em biotecnologia, agricultura e design de materiais sustentáveis.

O artigo está publicado na revista Anais da Academia Nacional de Ciências.

Carboxissomos são organelas baseadas em proteínas que ajudam muitas bactérias a prosperar em ambientes onde o CO₂ é escasso. Ao concentrarem e converterem CO₂ em formas utilizáveis, são fundamentais para o ciclo world do carbono. No entanto, apesar de décadas de investigação, os cientistas têm lutado para compreender exatamente como a anidrase carbónica é estruturada, montada e posicionada dentro destes compartimentos nanoscópicos.

Usando crio-partícula únicamicroscopia eletrônicaa equipe capturou a enzima anidrase carbônica (CsoSCA) da bactéria modelo Halothiobacillus neapolitanus em resolução quase atômica. Eles também projetaram “mini-invólucros” sintéticos – versões de invólucros de carboxossomos construídas em laboratório – para testar como a enzima é recrutada e organizada dentro dessas gaiolas de proteínas.

Seus resultados revelam que a enzima forma uma estrutura hexamérica incomum (seis partes) e é encapsulada por meio de interações flexíveis e não específicas com proteínas de casca – desafiando suposições anteriores de que period necessária uma proteína ligante específica. Notavelmente, também foi demonstrado que parte da enzima interage com a Rubisco, outra enzima crítica de fixação de CO₂, sugerindo um design modular de “package de ferramentas” que as bactérias podem usar para otimizar seu mecanismo de captura de carbono.

Os pesquisadores propõem um novo modelo para a organização dos carboxissomas, oferecendo uma visão mais clara de como as enzimas são coordenadas espacialmente para máxima eficiência. Esta visão não apenas aprofunda a compreensão do metabolismo microbiano, mas também abre a porta para a engenharia de carboxossomos sintéticos para uso prático.

As aplicações potenciais incluem o aumento da fixação de CO₂ nas culturas para melhorar os rendimentos, a criação de nanomateriais projetados para catálise ou biossensor e o desenvolvimento de novas tecnologias de inspiração biológica para captura de carbono.

No entanto, a equipe observa que alguns aspectos da montagem enzimática foram inferidos a partir de sistemas sintéticos, ou seja, o comportamento dinâmico de anidrase carbônica nas células vivas pode ser diferente. Pesquisas futuras empregarão técnicas avançadas de imagem e engenharia molecular para refinar esses modelos e desenvolver invólucros artificiais melhorados, capazes de encapsular altas concentrações de enzimas catalíticas.

O professor Luning Liu, presidente de Bioenergética Microbiana e Bioengenharia da Universidade de Liverpool e principal autor do estudo, disse: “Ao visualizar como a natureza constrói essas pequenas fábricas de fixação de carbono, podemos começar a replicá-las e redesenhá-las para uma série de tecnologias sustentáveis. É um passo emocionante para a frente. biologia sintética e inovação ambiental.”

Jon Marles-Wright, co-autor e líder acadêmico de microscopia eletrônica na Universidade de Newcastle, disse: “Esses insights estruturais interessantes sobre carboxossomos foram possíveis graças ao acesso às instalações de microscopia eletrônica da Universidade de York e à instalação nacional de crio-EM na eBIC.”

Este último trabalho destaca como biologia estrutural podem iluminar a arquitetura oculta das menores máquinas da vida — e como esses insights poderão um dia ajudar a enfrentar alguns dos maiores desafios do planeta.