Os microrganismos são capazes de uma química extraordinária. Um exemplo é a fixação de nitrogênio, um processo que converte gás nitrogênio (N)2) em uma forma que os organismos vivos possam realmente usar. O nitrogênio constitui cerca de 78% da atmosfera da Terra, mas as plantas e os animais não podem usá-lo diretamente porque o N tem dois átomos de nitrogênio.2 Estão ligados por uma ligação química tripla excepcionalmente forte.
Alguns microrganismos desenvolveram uma forma de lidar com esse problema. Eles podem quebrar esse vínculo e mudar o N2 em amônia, que pode então ser incorporada em moléculas orgânicas. Uma dessas criaturas é o Archaeon que vive nas profundezas do mar. metanocaldococcus infernusQue vive em ambientes marinhos vulcânicos onde os fluidos de ventilação podem atingir temperaturas acima do ponto de ebulição da água.
Pesquisadores do laboratório de Tristan Wagner, no Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha, em Bremen, queriam entender como esse organismo realiza a fixação de nitrogênio em condições tão extremas. Eles conseguiram “domesticar” o micróbio em laboratório e curá-lo.2 Em temperaturas acima de 90 graus Celsius.
“Como eles fazem isso com tanto calor? E como a enzima pode dividir o N2 O vínculo triplo funciona nessas circunstâncias?”, perguntou-se Wagner.
A enzima que torna possível a fixação de nitrogênio
A enzima chave por trás dessa capacidade é a nitrogenase. Ele contém o que é considerado o metalofator mais complexo conhecido na biologia. Metalofatores são moléculas acessórias contendo metais que se ligam a enzimas e são essenciais para sua atividade.
A nitrogenase mais amplamente estudada e de melhor desempenho consiste em um metalocofator à base de molibdênio. Outras versões usam vanádio ou apenas ferro. Os cientistas ainda estão tentando determinar como essas diferentes nitrogenases estão relacionadas e exatamente como seus centros metálicos tornam possível quebrar o extremamente forte N.2 Tribandha.
Nitrogenase construída para calor extremo
“A nitrogenase foi encontrada metanocaldococcus infernus Notável porque parece compartilhar propriedades das formas molibdênio, vanádio e ferro. Este tipo de nitrogenase pode ser semelhante a um ancestral comum da nitrogenase, o antigo sistema do qual todos evoluíram. Assim, pode fornecer princípios gerais na reação da nitrogenase”, diz Wagner.
A equipe isolou com sucesso a nitrogenase diretamente do microrganismo e descobriu que ela era excepcionalmente resistente ao calor. A proteína começou a se decompor apenas a 90°C, e parte dela permaneceu intacta mesmo a 98°C.
“Isso prova que esta enzima foi projetada para funcionar em condições em que a maioria das proteínas se decompõe rapidamente, como claras de ovo cozidas em água quente”, diz a primeira autora Nevena Maslach, do Instituto Max Planck de Microbiologia Marinha. “Não é ativo à temperatura ambiente. Em vez disso, mostramos que produz amônia apenas em temperaturas mais altas. Sua extrema estabilidade nos permitiu estudar condições de nitrogenase que geralmente são difíceis de capturar.”
Uma análise detalhada da nitrogenase
Os pesquisadores não precisaram retornar ao fundo do mar para examinar detalhadamente a enzima. Em vez disso, eles combinaram fisiologia microbiana, purificação de enzimas nativas, bioquímica e biologia estrutural. Cada etapa teve que ser realizada sob condições estritamente livres de oxigênio porque o oxigênio pode danificar permanentemente os metalofatores da nitrogenase.
A equipe cristalizou a enzima e a estudou no Institut de Biologie Structurale em Grenoble, França. Lá, eles usaram o síncrotron da instalação, um acelerador de partículas esférico que produz poderosos raios X.
Isso lhes permitiu determinar a estrutura molecular da enzima com resolução quase atômica. A nitrogenase provou ser o exemplo conhecido mais simples de uma enzima já estudada, ao mesmo tempo que contém características estruturais de todas as três principais famílias de nitrogenase: molibdênio, vanádio e formas somente de ferro.
Esta combinação apoia a possibilidade de que as antigas nitrogenases se assemelhem mais a esta enzima arqueal do que as nitrogenases encontradas nas bactérias hoje.
Os pesquisadores então decidiram confirmar se o metalocofator de molibdênio estava presente na enzima.
“Nossa busca por molibdênio foi extremamente desafiadora tecnicamente e exigiu que os especialistas do síncrotron levassem seus equipamentos ao limite absoluto”, diz Wagner.
Cientistas capturam uma situação molecular inesperada
As medições confirmaram o sinal esperado do molibdênio, mas também produziram uma surpresa.
“Ficamos surpresos ao encontrar um estado nunca antes visto de nitrogenase contendo molibdênio!”
Os pesquisadores já haviam observado esse chamado estado de “rotatividade” em nitrogenases somente de vanádio e somente de ferro. estado pode representar uma etapa intermediária na reação que decompõe N2.
Encontrar um estado semelhante em uma enzima contendo molibdênio sugere que todas as formas de nitrogenase podem usar um mecanismo subjacente comum para clivar a molécula de nitrogênio.
Dos microrganismos do fundo do mar à biotecnologia do futuro
Compreender a fixação de nitrogênio tem implicações muito além dos ambientes de águas profundas. Microorganismos fixadores de nitrogênio como m. inferno Convertem nitrogênio em amônia, mas eles também desempenham um papel importante no ciclo do carbono da Terra. Tais microrganismos são responsáveis pela produção de metade do metano encontrado na atmosfera.
No futuro, os investigadores poderão potencialmente explorar estes organismos como sistemas biológicos para converter gases, incluindo metano e amoníaco, em produtos úteis, com o hidrogénio verde servindo como fonte de energia.
“E se um dia as culturas pudessem obter nitrogênio diretamente do N atmosférico?2?”, adivinhou Wagner.
Tais avanços poderiam reduzir a dependência da agricultura em fertilizantes industriais. A produção de fertilizantes através do processo Haber-Bosch requer grandes quantidades de energia e está associada a emissões de gases com efeito de estufa. O uso excessivo de fertilizantes também pode contribuir para a eunutrição e outros danos ambientais.
“Por enquanto, o estudo fornece algo mais fundamental: uma visão molecular atualizada de uma das reações químicas mais notáveis da biologia”.
