Imagine tentar construir um castelo de Lego, mas, enquanto você monta as peças, pequenos “trituradores” começam a desmontá-lo. É exatamente esse o desafio que os cientistas enfrentam hoje na biomanufatura. As peças de Lego são as proteínas que querem produzir, e os trituradores são enzimas chamadas proteases. Embora essenciais para a vida das células, essas tesouras moleculares podem se tornar uma verdadeira dor de cabeça na indústria biotecnológica. Remover essas enzimas sem comprometer a viabilidade das células exige um ajuste metabólico muito preciso. Hoje, vamos entender qual o balanço que deve ser feito ao se trabalhar com as proteases em bioprocessos (e por que, muitas vezes, elas são problemáticas).
O que são proteases?
Normalmente, as proteases funcionam como o sistema de reciclagem das células. Elas são enzimas — moléculas que aceleram reações químicas — especializadas em cortar proteínas velhas ou danificadas, transformando-as em peças menores para que a célula possa reaproveitá-las. Seja no nosso estômago ajudando a digerir a comida, ou dentro de uma bactéria reciclando nutrientes, as proteases são fundamentais para a manutenção da vida e da saúde celular.
Além disso, as proteases podem ser classificadas a partir de onde realizam as clivagens: as endopeptidases clivam as ligações no meio das proteínas, formando peptídeos menores e muitas vezes expondo aminoácidos para outras proteases; já as exopeptidases clivam nas extremidades das proteínas, liberando aminoácidos para a célula utilizar em outro processo. Um bom exemplo para entender isso é ao utilizar um barbante. Uma endopeptidase vai cortar o barbante em algum ponto do meio dele, enquanto uma exopeptidase vai cortar o barbante pelas extremidades.
Outra classificação possível de ser feita é quanto ao local onde essas enzimas vão atuar. Proteases intracelulares são responsáveis pela destruição de proteínas velhas ou defeituosas, na digestão de nutrientes maiores, na movimentação da célula, na defesa contra microrganismos, no controle da regulação celular, incluindo a morte da própria célula. As proteases intracelulares são tão importantes para a reciclagem de proteínas que quase todos os organismos conhecidos possuem uma estrutura chamada proteassoma, especializado na degradação de proteínas. Antigamente, acreditava-se que o proteassoma era uma estrutura exclusiva de eucariotos (aqueles organismos com núcleo organizado e dividido por uma membrana), contudo, pesquisas recentes mostraram que algumas bactérias e arqueias possuem sistemas proteicos bastante similares ao proteassoma eucarioto.
Por outro lado, existem as proteases extracelulares, que são aquelas secretadas pelas células. Essas proteases também atuam em funções muito parecidas com as intracelulares, auxiliando na digestão (como as proteases liberadas por células do estômago, junto ao ácido gástrico), na cicatrização (ao ajudar na digestão de restos de células e tecidos mortos derivados de uma inflamação ou infecção), na defesa contra microrganismos invasores e mesmo na reciclagem de proteínas velhas ou danificadas entre as células, seja num tecido, uma placa de Petri, biorreator ou mesmo na natureza.
Em que processos industriais as proteases são utilizadas?
Enzimas – no geral – são muito utilizadas para acelerar reações químicas em processos industriais, e as proteases não são diferentes. Na indústria alimentícia, essas enzimas são utilizadas no setor de carnes (no processo de amaciamento), na panificação (degradando o glúten, o que traz modificações na massa), nos laticínios (na coagulação da caseína, presente no leite, para a produção de queijos).
No contexto do fungo pesquisado pelos cientistas do LEBIMO, um estudo realizado por Mamo et al. (2020) mostrou que uma protease de Aspergillus oryzae (o mesmo fungo utilizado pelo LEBIMO) teve um desempenho superior ao de uma protease bacteriana na coagulação de leite para produção de queijo. Ao fim, o rendimento da protease fúngica (8,6%) ainda ficou bem próximo ao obtido com coalho comercial, utilizado para produzir queijo. Isso mostra a potência das proteases e dos fungos para o desenvolvimento de novos produtos industriais.
Além da indústria alimentícia, outros setores também têm se beneficiado cada vez mais do desenvolvimento e uso de proteases: indústria de detergentes, utilizando proteases que facilitam a remoção de manchas em temperaturas mais baixas e com períodos mais curtos de agitação; indústria de couro, preferindo o uso de proteases a métodos convencionais que utilizam produtos químicos agressivos, perigosos e de difícil descarte.
Outra grande indústria que tem aproveitado as proteases é a de bebidas, que utiliza essas enzimas para degradar proteínas presentes em sucos de frutas e certas bebidas alcoólicas – como cervejas – para diminuir as chances de turbidez. A turbidez é quando vemos aquele aglomerado de partículas no fundo da garrafa, que nada mais são do que proteínas que antes estavam dissolvidas no líquido, mas que começaram a se agrupar até formarem partículas sólidas.
Mas por que proteases podem ser ruins?
O grande desafio surge quando tentamos usar esses microrganismos para produzir algo para nós. No projeto BEYOND, desenvolvido pelo laboratório LEBIMO, os cientistas utilizam o fungo Aspergillus oryzae para fabricar proteínas de interesse industrial. Entretanto, essas não são as únicas proteínas secretadas pelo fungo. Na natureza, esses organismos são excelentes decompositores, liberando uma miríade de outras proteínas, muitas delas sendo proteases, voltadas tanto para a defesa contra microrganismos quanto para a digestão de nutrientes.
Consequentemente, devido a essa ampla quantidade de proteases secretadas, muitas vezes é possível que alguma dessas degrade as proteínas de interesse para uma pesquisa em biomanufatura. Quando colocamos esse fungo em um biorreator para produzir uma proteína recombinante, ele continua agindo de acordo com sua natureza: libera a proteína de interesse, mas também suas proteases. O resultado é que as proteases acabam destruindo o próprio produto que o fungo acabou de fabricar, gerando um enorme desperdício de energia e recursos.
A solução parece simples: por que não apenas “desligar” os genes que produzem essas proteases indesejadas? Todavia, esse processo não é fácil e exige um trabalho minucioso. Os fungos produzem centenas de proteases diferentes, e uma mesma protease pode estar envolvida em diversas funções na célula, seja dentro ou fora dela. Logo, não se pode simplesmente desligar todas as proteases, pois o fungo precisa de muitas delas para continuar vivo e saudável. Um dos desafios da biotecnologia é fazer essa procura e encontrar um equilíbrio: silenciar as proteases que atrapalham, mantendo intactas aquelas que garantem o bom funcionamento da célula.
Enquanto a destruição de proteínas é parte vital da produção e manutenção celular, há outro processo igualmente crucial que muitas vezes passa despercebido: a modificação das proteínas após sua produção. Uma das modificações mais importantes é a glicosilação — o processo pelo qual açúcares são acoplados às proteínas. Esses açúcares não são apenas fonte de energia; eles funcionam como etiquetas que determinam para onde a proteína vai, como ela se comporta e até mesmo se o sistema imunológico a reconhecerá como amiga ou inimiga. No próximo texto, vamos explorar como essa decoração açucarada transforma completamente o destino e a função das proteínas na célula e na biomanufatura.
| O presente trabalho foi realizado com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Brasil. Processo nº 2025/23381-7. As opiniões, hipóteses e conclusões ou recomendações expressas neste material são de responsabilidade do(s) autor(es) e não necessariamente refletem a visão da FAPESP. |
Para saber mais:
- BOND, Judith S. (2019). Proteases: History, discovery, and roles in health and disease. Journal of Biological Chemistry, v. 294, n. 5, p. 1643-1651.
- KAVALCHUK, Mikhail et al. (2022). Structural basis of prokaryotic ubiquitin-like protein engagement and translocation by the mycobacterial Mpa-proteasome complex. Nature Communications, v. 13, n. 1, p. 276.
- LIU, Dujuan; GARRIGUES, Sandra; DE VRIES, Ronald P. (2023). Heterologous protein production in filamentous fungi. Applied microbiology and biotechnology, v. 107, n. 16, p. 5019-5033,.
- MAMO, Jermen et al. (2020). Application of milk‐clotting protease from Aspergillus oryzae DRDFS13 MN726447 and Bacillus subtilis SMDFS 2B MN715837 for danbo cheese production. Journal of Food Quality, v. 2020, n. 1, p. 8869010.
- NTANA, Fani et al. (2020). Aspergillus: A powerful protein production platform. Catalysts, v. 10, n. 9, p. 1064.
- SONG, Peng et al. (2023). Microbial proteases and their applications. Frontiers in microbiology, v. 14, p. 1236368.
- TANAKA, Keiji. (2009). The proteasome: overview of structure and functions. Proceedings of the Japan Academy, Series B, v. 85, n. 1, p. 12-36.
- TOMAZ, Lanna Schirley de Sousa. (2023). Proteases na indústria de alimentos: uma revisão acerca dos tipos, características e aplicações. 2023. 39 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Alimentos) – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza.
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