Via ReForm: converter CO2 em acetil‑CoA fora das células

Os cientistas estão a descobrir formas de transformar a poluição industrial por CO2 nas matérias de base usadas para fabricar produtos do dia a dia, como plásticos e medicamentos.

Em vez de permitir que o dióxido de carbono continue a reter calor na atmosfera, esta abordagem passa a encarar o gás como uma caixa de “LEGOs de carbono” para construir um futuro mais sustentável.

A via ReForm

Investigadores desenvolveram e baptizaram a Reductive Formate Pathway - a via ReForm - para converter CO2 em acetil‑CoA fora de células vivas.

O acetil‑CoA é uma molécula pequena, mas indispensável, que as células usam para transformar alimentos em energia. Quando o corpo decompõe hidratos de carbono, gorduras e proteínas, os produtos dessa degradação convergem frequentemente para o acetil‑CoA.

A partir daí, o acetil‑CoA transporta um pequeno “pacote” químico - o grupo acetilo - para o ciclo do ácido cítrico, onde as células o “queimam”.

Esse processo liberta energia, e o organismo captura-a para ajudar a produzir ATP, a principal moeda energética que alimenta o trabalho celular.

Este estudo mostra como enzimas engenheiradas, matérias‑primas de carbono obtidas a partir de electricidade e sistemas sem células podem ser integrados para reciclar CO2 em blocos químicos úteis, contornando limitações de organismos vivos e apontando para novas formas de produzir materiais com menor pegada de carbono.

Converter CO2 em acetil‑CoA

O trabalho foi liderado por Ashty Karim, Ph.D., na Northwestern University, com a colaboração de uma equipa da Stanford University, que ajudou a montar a via.

A investigação de Karim centra-se no desenho de vias enzimáticas para reciclagem de carbono, um enfoque que também torna a via ReForm mais simples de optimizar.

“A libertação sem travões de CO2 causou muitos desafios sociais e económicos prementes para a humanidade”, afirmou Ashty Karim, da Northwestern.

“Se queremos enfrentar este desafio global, precisamos urgentemente de novas rotas para um fabrico de bens com carbono negativo.”

Num sistema sem células, os investigadores conseguem controlar directamente cada componente. A matéria‑prima começa por ser o formiato, um composto de carbono simples que se mantém dissolvido em água e pode ser armazenado em estado líquido.

Como o formiato já contém carbono e hidrogénio, as enzimas conseguem construir moléculas maiores, criando ligações passo a passo. Contudo, isto só é vantajoso se as etapas seguintes forem suficientemente eficientes - e é precisamente aí que a via ReForm pretende fazer a diferença.

Transformar electricidade em matéria‑prima

Ao usar electricidade para adicionar electrões e alterar moléculas - um processo conhecido como redução electroquímica - é possível converter CO2 em formiato, que as enzimas podem depois usar como matéria‑prima.

As enzimas tratam da construção selectiva, porque as proteínas favorecem determinadas formas e ligações químicas. Sistemas híbridos podem transformar energia intermitente em líquidos e sólidos armazenáveis, embora os engenheiros tenham de equilibrar eficiência, custo e durabilidade.

Células vivas conseguem transformar muitos alimentos em energia e componentes estruturais, mas a maioria tem dificuldade em usar formiato como principal fonte de carbono.

Uma célula precisa de se manter viva enquanto processa formiato, e esse “malabarismo” limita a fracção de carbono que chega efectivamente às moléculas‑produto.

“A ReForm consegue usar facilmente fontes de carbono diversas, incluindo formiato, formaldeído e metanol”, disse Michael Jewett, de Stanford, que co‑liderou o estudo com Karim.

“Esta é a primeira demonstração de uma arquitectura de via metabólica sintética capaz de o fazer. Ao combinar electroquímica e biologia sintética, a via ReForm também alarga o leque de soluções possíveis para estratégias generalizáveis de fixação de CO2.”

Triagem rápida identifica enzimas funcionais

Chegar às variantes enzimáticas certas - versões ligeiramente diferentes de proteínas, obtidas ao alterar aminoácidos - exigiu testes rápidos fora de células.

Recorrendo a extractos sem células, a equipa avaliou 66 enzimas candidatas provenientes de múltiplas espécies e ficou apenas com as que apresentaram melhor desempenho.

O controlo em bancada pode acelerar a prototipagem, mas cada “receita” continua a precisar de afinação, tanto nas quantidades de enzimas como nas moléculas auxiliares necessárias para maximizar o rendimento.

A via exigiu reacções não naturais, isto é, etapas químicas que não existem em nenhum organismo, para fazer crescer o carbono a partir do formiato.

Os investigadores redesenharam cinco enzimas, de modo a que cada uma capture um fragmento de carbono ou o reduza e, depois, o entregue à etapa seguinte.

“Normalmente, as pessoas testam um punhado de enzimas, e isso demora meses ou mais”, disse Karim.

Acetil‑CoA e a via ReForm

Porquê delinear primeiro uma via metabólica - uma cadeia de reacções enzimáticas que altera moléculas de forma faseada - antes sequer de começar a pipetar enzimas para um tubo?

Na via ReForm, seis etapas convertem formiato em acetil‑CoA, adicionando carbono e transferindo electrões através de moléculas auxiliares.

O acetil‑CoA alimenta muitas reacções de crescimento e de armazenamento, pelo que alcançá-lo cria um ponto de partida versátil para sintetizar muitos outros químicos.

Muitas enzimas dependem de um cofactor - uma molécula auxiliar de que a enzima precisa para executar etapas químicas, transferir electrões e manter a actividade.

Ao ajustar as quantidades de cofatores e as cargas de enzimas, os investigadores aumentaram as velocidades de reacção, um aspecto crítico quando várias etapas competem pela mesma reserva.

Esses parâmetros são fáceis de mexer num tubo de ensaio, mas tornam-se mais difíceis de controlar em reactores grandes, devido a limitações de aquecimento e mistura.

À procura urgente de soluções para o carbono

As actividades humanas aqueceram a Terra em cerca de 1,1 °C desde 1850-1900, e esse aumento torna a reciclagem de CO2 particularmente urgente.

Os cientistas só consideram um processo como sendo de carbono negativo - removendo mais CO2 do que emite - quando o consumo de energia se mantém baixo ao longo de toda a cadeia de captura e produção.

Avaliações de ciclo de vida somam as emissões associadas à electricidade e ao equipamento e, depois, indicam se o fabrico baseado na ReForm reduz de facto os gases com efeito de estufa.

Próximos passos para a reutilização do carbono

Uma fixação de carbono mais eficiente - a conversão de CO2 em moléculas orgânicas - depende de identificar reacções rápidas que desperdicem pouca energia.

A equipa de Karim tenciona melhorar o desempenho das enzimas e analisar rotas alternativas, porque pequenos ganhos em cada etapa podem acumular-se.

“Daqui para a frente, podemos imaginar este trabalho a seguir por duas direcções diferentes”, disse Karim.

Em conjunto, a via ReForm ilustra como enzimas engenheiradas podem transformar carbono capturado em blocos de construção comuns, sem recorrer a organismos vivos.

O sucesso no futuro dependerá de electricidade limpa, enzimas duráveis e uma contabilização rigorosa que demonstre que o processo completo remove mais carbono do que aquele que emite.