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Ciclo THETA: A biologia sintética desvendando segredos para um futuro sustentável


Por Joanna Ávila e Valentina Gessinger



Será que apenas as plantas conseguem fixar o dióxido de carbono (CO2)? 

A resposta é não, afinal, o Instituto Max Planck, na Alemanha, desenvolveu o Ciclo THETA [1] que consegue capturar o dióxido de carbono de maneira dez vezes mais eficiente do que o processo natural. Essa inovação é importante devido a sua aplicabilidade sustentável [7] e ampla, podendo ser utilizada na indústria farmacêutica, na produção de biomateriais, biocombustíveis e uma significativa medida remediadora da emergência climática.  

 

A biologia sintética tem se destacado como uma ferramenta promissora para repensar a maneira como as células utilizam o dióxido de carbono (CO2). Nesse contexto, surgem vias inovadoras projetadas para otimizar a fixação de CO2, e um exemplo recente é o Ciclo THETA (ciclo ácido tricarboxílico redutivo / 4-hidroxibutiril-CoA / etilmalonil-CoA / acetil-CoA) [1].


Em 2023, os cientistas do Instituto Max Planck, na Alemanha, conduziram o experimento mencionado com sucesso, otimizando o Ciclo THETA e fazendo testes in vitro em um ambiente controlado. Em tais testes foram utilizadas bactérias E.coli, comumente presentes no trato gastrointestinal humano e amplamente empregadas na indústria, visto a facilidade de sua manipulação, para incorporar o Ciclo THETA ao metabolismo da bactéria. Logo, isso seria uma futura possibilidade de utilização de células bacterianas, tal como em biofábricas para a produção do valioso Acetil-CoA, assim como em outras aplicações na indústria através da biotecnologia [1].



Figura 1: Bactéria E.coli in vitro.



O Ciclo THETA representa uma abordagem completamente sintética, ou seja, distinta das vias naturais existentes na biologia, que, concebido a partir do zero, integra componentes estratégicos de diferentes caminhos metabólicos para criar uma solução única. Por exemplo, uma via sintética é composta por 17 enzimas provenientes de 9 organismos diferentes, na qual podem ser destacadas duas enzimas-chave: a crotonil-CoA carboxilase/redutase e a fosfoenolpiruvato carboxilase, sendo conhecidas por sua eficiência na fixação de CO2. Ademais, esses componentes se tornam essenciais, já que, contribuem para a eficácia do Ciclo THETA na conversão do CO2 em moléculas orgânicas utilizáveis, sobretudo o importantíssimo Acetil-CoA [1,3].




Figura 2: Design da coenzima glicolil carboxilase.




A função principal do Ciclo THETA é clara: capturar o CO2 e convertê-lo em compostos orgânicos versáteis, os quais, por sua vez, tornam-se a base fundamental para a produção de moléculas mais elaboradas e valiosas [2]. Podemos pensar no Ciclo THETA como uma fábrica molecular que utiliza o CO2 como matéria-prima, criando os elementos necessários para construir produtos mais complexos. Essa construção inovadora visa transformar o CO2 em compostos orgânicos, essenciais como blocos de construção para a síntese de moléculas mais complexas [1].


O Acetil-CoA, uma molécula central no metabolismo celular, desempenha um papel crucial na produção de substâncias valiosas na indústria. Por exemplo, em aplicações biotecnológicas, a capacidade de gerar Acetil-CoA a partir de fontes renováveis, como CO2, emerge como uma contribuição significativa para práticas mais sustentáveis. Assim, o Ciclo THETA acaba sendo inovador nessa abordagem ao propor a síntese direta de Acetil-CoA a partir do CO2, abrindo caminho para a produção de substâncias comercialmente valiosas [1].


Ao explorar as implicações práticas dessa tecnologia, destaca-se que a conversão de CO2 em Acetil-CoA oferece oportunidades promissoras na biotecnologia de alto valor. Essa transformação possibilitaria a produção sustentável de bioprodutos, incluindo compostos orgânicos essenciais para a indústria farmacêutica, química fina e produtos cosméticos [5,1].


Além disso, essa inovação pode ser direcionada para a produção de biocombustíveis sustentáveis, contribuindo para a redução da dependência de fontes não renováveis na produção de combustíveis. A eficiente geração de Acetil-CoA a partir de CO2 destaca-se como uma abordagem promissora para enfrentar desafios energéticos [5, 4]. Outro aspecto relevante é a aplicação na fabricação de materiais ecológicos, especialmente bioplásticos biodegradáveis.




Figura 3: Exemplos de Bioplásticos Biodegradáveis.



Essas aplicações ilustram como a capacidade de transformar CO2 em Acetil-CoA não apenas amplia as possibilidades na produção industrial, mas também se alinha aos esforços globais para alcançar práticas mais sustentáveis e contribuir para um futuro ambientalmente consciente. Essa abordagem inovadora representa um avanço significativo na interseção entre biotecnologia e sustentabilidade industrial [1,5].


Considerando o experimento anteriormente citado, é perceptível que os cientistas enfrentaram desafios na elaboração do Ciclo THETA pois, eles precisaram integrar as 17 etapas com o metabolismo habitual da bactéria, a fim de sincronizar todas as etapas do ciclo. Assim, fechar o Ciclo Theta ainda é uma problemática a ser solucionada [7].  Referências Bibliográficas


[1] Luo, S., Diehl, C., He, H. et al. Construction and modular implementation of the THETA cycle for synthetic CO2 fixation. Nat Catal 6, 1228–1240 (2023).


[2] Sundaram, S. et al. A modular in vitro platform for the production of terpenes and polyketides from CO2. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 60, 16420–16425 (2021).


[3] Diehl, C., Gerlinger, P. D., Paczia, N. & Erb, T. J. Synthetic anaplerotic modules for the direct synthesis of complex molecules from CO2. Nat. Chem. Biol. 19, 168–175 (2023).


[4] Cruz-Morales, P. et al. Biosynthesis of polycyclopropanated high energy biofuels. Joule 6, 1590–1605 (2022).


[5] Berg, I. A. Ecological aspects of the distribution of different autotrophic CO2 fixation pathways. Appl. Environ. Microbiol. 77, 1925–1936 (2011).



[7] Scientists take a major step towards realizing synthetic CO2 fixing pathways in living cells. Disponível em: 


[8] Synthetic biology. Disponível em: <https://www.illumina.com/techniques/popular-applications/synthetic-biology.html>. Acesso em: 5 fev. 2024



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