Ideonella sakaiensis

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Bactéria Degradadora de Plástico
Ideonella sakaiensis
Introdução
 Apesar de serem extremamente úteis para a vida moderna dos seres humanos, os compostos plásticos possuem uma enorme resistência e são de difícil degradação ambiental. Pouquíssimas enzimas possuem a capacidade de catabolizar processos de degradação destes compostos, e os plásticos do tipo PET, que possuem uma grande quantidade de componentes aromáticos, são ainda mais difíceis de serem degradados.
 O plástico leva aproximadamente 500 anos para ser degradado e estima-se que sejam produzidas mais de 300 milhões de toneladas deste produto anualmente em todo o mundo. Desta quantidade, apenas 14%  são reciclados. Quando disposto inadequadamente, o que normalmente acontece,  pode causar a morte de diversos animais, incluindo os aquáticos, que o confundem com algum alimento e acabam sufocados. Pensando nisso, cientistas buscam soluções que possam diminuir o impacto do plástico no meio ambiente.
Descoberta da Bactéria
Em 2016, pesquisadores japoneses publicaram um artigo sobre a descoberta de uma bactéria capaz de degradar quase completamente um filme de tereftalato de polietileno (PET).
Descoberta da Bactéria
 Foi descoberto pelo grupo de Kohei Oda, do Instituto de Tecnologia de Kioto, no Japão em uma usina de reciclagem de lixo, a bactéria batizada de Ideonella sakaiensis, que se alimenta quase que exclusivamente de PET.
Descoberta da Bactéria
 Foram realizadas análises de consórcios microbianos de 250 amostras provenientes desta usina de reciclagem, e ela é capaz de consumir uma folha fina de PET em 6 semanas.
Analises
 Durante as análises alguns microrganismos cresceram sobre as amostras de PET, e inclusive induziram modificações no plástico. A análise microscópica destes microrganismos permitiu aos pesquisadores que identificassem bactérias, fungos e protozoários ali presentes. Após o isolamento destes microrganismos em um meio de cultura enriquecido com fibras PET, apenas uma espécie de bactéria conseguiu sobreviver.
Analises
 A bactéria Ideonella sakaiensis 201-F6 produziu duas enzimas (chamadas de MHETase e PETase) que, junto com a água, transformam o PET em substâncias mais simples, o que demonstrou ser um grande avanço para os estudiosos da área, pois é raro encontrar enzimas ou micro-organismos com o metabolismo capaz de degradar tais materiais.
Analises
 Para comprovar, então, a real eficácia da enzima potencialmente degradadora de plástico, os pesquisadores a isolaram e incubaram em um filme de plástico PET, de forma similar ao que fizeram com as bactérias. Após 18 horas de incubação, o filme de PET já apresentava diversos pontos de perfuração. Além disso, grande parte das moléculas de PET havia sido convertida a ácido terefltálico e etilenoglicol, monômeros ambientalmente benignos.
Bactérias da espécie Ideonella sakaiensis
A Bactéria
 Uma bactéria gram-negativa, aeróbia, em forma de bastão, sem formação de esporos, projetada na cepa 201-F6T, que decompõe o plástico utilizando duas enzimas para hidrolisar o PET e uma de reação primária intermédia, que eventualmente gera blocos de construção básicos para o crescimento do organismo.[Essas duas enzimas produzidas pela bactéria são a PETase e a METase.
A Bactéria
 Todos os seres vivos conhecidos utilizam biomoléculas para sobreviver. Todos menos a Ideonella sakaiensis, que consegue utilizar uma molécula sintética, fabricada pelo ser humano. Isso significa que tal bactéria é resultado de um processo evolutivo muito recente, ocorrido ao longo das últimas décadas. Ela conseguiu se adaptar a um polímero que foi desenvolvido no início dos anos 1940 e só começou a ser utilizado em escala industrial nos anos 1970. Para isso, a PETase é a peça-chave.
Como ocorre
 Usamos tecnicamente o termo ‘recalcitrância’ para nomear a propriedade que certos polímeros muito empacotados possuem de resistir à degradação. O PET é um deles. Mas a PETase o ataca e o decompõe em pequenas unidades – o ácido mono(2-hidroxietil)tereftálico (MHET). As unidades de MHET são então convertidas em ácido tereftálico e absorvidas e metabolizadas pela bactéria.
Como ocorre
 Os dois genes-chaves que permitem à Ideonella sakaiensis processar e comer o PET codificam (contêm a informação para fabricar) duas enzimas: primeiro, a enzima PETase sai da bactéria e transforma o PET em um composto intermediário, chamado MHET (mono(2-hidroxietil) tereftalato), que pode ser tragado pela bactéria; então a segunda enzima, a MHET hidrolase, rompe esse composto para gerar os dois compostos básicos (monômeros) com os quais se fabrica o PET na indústria: etilenoglicol e ácido tereftálico. Trata-se de dois derivados do petróleo com os quais se sintetiza o PET, mas a Ideonella sakaiensis os utiliza como alimento.
Estudos 
 Dois pesquisadores do Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas (IQ-Unicamp) participaram da pesquisas juntos a uma equipe multidisciplinar.
 A PETase faz a parte mais difícil, que é romper a estrutura cristalina e despolimerizar o PET em MHET. O trabalho da segunda enzima, que transforma MHET em ácido tereftálico, já é bem mais simples, uma vez que seu substrato é formado por monômeros aos quais a enzima tem fácil acesso por estarem dispersos no meio reacional. Por isso, os estudos se concentraram na PETase.
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Estudos 
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 A PETase faz a parte mais difícil, que é romper a estrutura cristalina e despolimerizar o PET em MHET. O trabalho da segunda enzima, que transforma MHET em ácido tereftálico, já é bem mais simples, uma vez que seu substrato é formado por monômeros aos quais a enzima tem fácil acesso por estarem dispersos no meio reacional. Por isso, os estudos se concentraram na PETase.
Estudos 
 Para isso, o primeiro passo foi obter a estrutura tridimensional dessa proteína, e quem realizou esse trabalho foram os britânicos, por meio de uma técnica bastante conhecida e utilizada, chamada difração de raio X.
Estudos 
 Obtida a estrutura tridimensional (cristalográfica), os pesquisadores começaram a comparar a PETase com proteínas aparentadas. A mais parecida é uma cutinase da bactéria Thermobifida fusca, que degrada a cutina, uma espécie de verniz natural que recobre as folhas das plantas.
Estudos 
 Foi verificado então, que na região da enzima onde ocorrem as reações químicas, o chamado ‘sítio ativo’, a PETase apresentava algumas diferenças em relação à cutinase. Ela possui um sítio ativo mais aberto. 
Estudos 
 Por meio de simulações computacionais, foi estudado os movimentos moleculares da enzima e as simulações possibilitam ter informações dinâmicas, e descobrir o papel específico de cada aminoácido no processo de degradação do PET.
A física dos movimentos da molécula resulta das atrações e repulsões eletrostáticas do enorme conjunto de átomos e da temperatura. As simulações computacionais permitiram entender melhor como a PETase se liga e interage com o PET
Estudos 
Descobriram então que a PETase e a cutinase têm dois aminoácidos diferentes no sítio ativo. Por meio de procedimentos de biologia molecular, foi produzido então mutações na PETase, com o objetivo de transformá-la em cutinase. Mas para a surpresa dos biólogos, ao tentar suprimir a atividade peculiar da PETase, isto é, ao tentar transformar a PETase em cutinase prduzirão uma PETase ainda mais ativa. Buscaram reduzir a atividade e, em vez disso, a aumentaram.
Estudos 
 Isso demandou novos estudos computacionais, para entender por que a PETase mutante era melhor do que PETase original. Com a modelagem e as simulações, foi possível perceber que as alterações produzidas na PETase favorecem o acoplamento da enzima com o substrato.
Então sabemos que não são os dois aminoácidos a explicação para o comportamento diferencial das duas enzimas. É outra coisa...
Desafio
 O fato de terem conseguido uma enzima melhor fazendo uma pequena alteração sugere fortemente que essa evolução ainda não foi completada. Aindahá novas possibilidades evolutivas a serem compreendidas e exploradas, com vistas à obtenção de enzimas ainda mais eficientes. A PETase melhorada não é o fim do caminho. É apenas o começo.
Desafio
 Com vistas à aplicação, o próximo passo é passar da escala de laboratório para a industrial. Para isso, outros estudos, relacionados devem ser realizados.
Desafio
Obrigada pela atenção!