Texto por  Mayllon Emmanoel Silva Pequeno

Enzimas estão presentes em praticamente todos os processos da vida. Essa classe de moléculas funciona como pequenas máquinas biológicas capazes de iniciar e acelerar reações químicas essenciais para o funcionamento dos organismos. Processos como crescimento, nutrição, digestão e respiração dependem diretamente delas. Sem as enzimas, muitas dessas reações aconteceriam de forma muito lenta, ou simplesmente não aconteceriam.

Além de sua importância para a vida, enzimas também são ferramentas valiosas quando estamos falando sobre desenvolvimento de novas biotecnologias. Hoje elas são utilizadas em diversos produtos do nosso cotidiano. Estão presentes, por exemplo, em detergentes, na produção de queijos e iogurtes e até na fabricação de medicamentos.

 Nos últimos anos, a ciência tem investigado cada vez mais o potencial dessas moléculas em uma área particularmente importante: a produção de biorrenováveis. Nesse contexto, as enzimas podem ajudar a transformar resíduos vegetais em fontes de energia renovável, contribuindo para uma economia mais sustentável. Por isso, pesquisadores ao redor do mundo estão em busca de novas enzimas na natureza, capazes de realizar esses processos de forma ainda mais eficiente e ambientalmente amigável. 

O que são essas enzimas?

 Entre os tantos tipos de enzimas que existem, há um grupo que tem chamado bastante atenção ultimamente, principalmente por sua potencial aplicação em biotecnologia em diversos âmbitos. Estamos falando das enzimas ativas sobre carboidratos, ou simplesmente CAZymes. Essas enzimas são especialistas em quebrar, modificar ou construir moléculas de carboidratos. Isso inclui substâncias que fazem parte da estrutura de plantas, como celulose, por exemplo. A celulose é o principal componente da parede celular das plantas e está amplamente presente em fibras vegetais.

 Se você já observou folhas secas se decompondo no solo ou um tronco de árvore sendo lentamente degradado na floresta, provavelmente estava vendo o resultado do trabalho dessas enzimas através de microrganismos decompositores. Na natureza, por exemplo, essas enzimas desempenham um papel fundamental na reciclagem de matéria orgânica, sendo que, muitos microrganismos utilizam delas para obter sua energia.

 Esse processo também pode ser aproveitado pela indústria. Um exemplo bastante próximo da realidade brasileira é a produção de etanol. Após a extração do caldo da cana, sobra uma grande quantidade de biomassa vegetal, rica em celulose e outros carboidratos, chamada bagaço. Esse resíduo é rico em fibras vegetais que podem ser quebradas para transformá-las novamente em açúcares. Esses açúcares podem ser então convertidos em biocombustíveis.

 Em outras palavras, aquilo que até hoje é considerado por muitos como sendo apenas resíduo pode se transformar em uma nova fonte de energia!

 Onde podemos encontrá-las?

 Mas onde podemos encontrar essas enzimas? Não apenas isso, como podemos ir além e buscar por novas dessas enzimas , ainda não conhecidas, capazes de realizar essas funções? Uma das estratégias é olharmos a fundo para ambientes onde a degradação de biomassa vegetal acontece de forma natural. Um desses ambientes é o intestino de herbívoros.

Herbívoros são animais que se alimentam principalmente de fibras vegetais que compõem plantas. Para um processo eficiente de nutrição, esses animais precisam quebrar grandes quantidades dessas fibras para obter energia. No entanto, quebrar essas fibras não é uma tarefa simples. Moléculas como a celulose são muito resistentes e difíceis de degradar.

 Para enfrentar esse desafio, esses animais contam com a ajuda de uma enorme diversidade de microrganismos que vivem em seus sistemas digestivos. Essas comunidades formam o que chamamos de microbioma intestinal.

 No microbioma desses animais podem ser encontradas bactérias, fungos e outros microorganismos que convivem em equilíbrio dentro do hospedeiro. Numa verdadeira cooperação, em troca de abrigo e nutrientes, esses microrganismos ajudam o hospedeiro a, por exemplo, digerir alimentos que ele sozinho não conseguiria processar.

 Esses microrganismos, produzem essas enzimas capazes de quebrar carboidratos complexos, permitindo que esses animais se alimentem dessas fibras. Por isso, o microbioma desses animais pode ser uma fonte rica dessas enzimas ainda desconhecidas pela ciência.

 Entre os animais que mais despertam interesse nesse contexto estão os cervídeos, um grupo que inclui diferentes espécies de veados e cervos presentes na biodiversidade brasileira. Esses animais se alimentam principalmente de folhas, galhos e outras fibras vegetais. Para conseguir extrair energia desse tipo de alimento, o intestino desses animais carrega uma enorme quantidade e variedade de genes capazes de produzir diferentes enzimas digestivas.

 E é justamente aí que novas descobertas podem surgir. 

 Como podemos encontrá-las?

Estudar todos esses microrganismos diretamente em laboratório seria uma tarefa extremamente difícil, para não dizer, impossível! Estima-se que apenas 1% dos microrganismos presentes na natureza podem ser crescidos em laboratório. 

Isso significa que, se dependêssemos apenas de técnicas tradicionais de microbiologia, grande parte dessa biodiversidade permaneceria invisível para nós.

É nesse ponto que entra a bioinformática!

 A bioinformática é uma área que vem ganhando grande espaço na comunidade científica nos últimos anos. Essa área de estudo combina conceitos da biologia, computação e estatística para estudar um enorme volume de informação biológica, como o DNA, por exemplo.

Nos últimos anos, as tecnologias de sequenciamento de DNA evoluíram de forma impressionante. Hoje é possível analisar diretamente o material genético presente numa amostra ambiental, como solos, água, ou conteúdo intestinal de animais, sem precisar cultivar microrganismos em laboratório. Esse tipo de abordagem é conhecida como metagenômica.

Tendo essas informações, podemos partir para aplicar ferramentas de bioinformática para reconstruir genomas bacterianos, identificar genes e prever quais proteínas esses genes podem produzir.

E é nisso que eu e muitos outros pesquisadores estão concentrando os esforços de pesquisa. Utilizar ferramentas de bioinformática e inteligência artificial para investigar o microbioma associado a animais da biodiversidade brasileira. Estamos buscando identificar genes capazes de produzir enzimas úteis na produção de novos biorrenováveis, sejam eles novos biocombustíveis, bioplásticos ou compostos bioquímicos.

A importância de novas fontes de energia

 A busca por essas enzimas está diretamente ligada a um dos grandes desafios que enfrentamos no século XXI, a transição energética.

 Atualmente, grande parte da energia utilizada no mundo ainda depende de combustíveis fósseis, como o petróleo. Embora essas fontes de energia tenham impulsionado o desenvolvimento industrial ao longo das últimas décadas, sua utilização está diretamente associada à prejudicial emissão de gases de efeito estufa.

 Estes gases contribuem para o aquecimento global e para as mudanças climáticas que já afetam diferentes regiões do planeta.

Por isso, muitos países têm investido em alternativas energéticas mais sustentáveis. Entre essas alternativas estão as energias renováveis e os biocombustíveis produzidos a partir de resíduos de biomassa vegetal.

 Entretanto, transformar essa biomassa em combustível ainda apresenta desafios tecnológicos. Novas enzimas capazes de quebrar essas moléculas de forma mais eficiente podem ajudar a tornar esses processos mais viáveis e economicamente favoráveis. 

Nesse contexto, olhar para a biodiversidade microbiana pode nos revelar ferramentas biológicas capazes de contribuir para o desenvolvimento de tecnologias mais sustentáveis. Em outras palavras, a solução para um dos maiores desafios que enfrentamos hoje, pode estar na verdade escondida nos menores seres que habitam nosso mundo e sobre tudo isso estamos apenas começando a conhecer.

Para Saber Mais

Wardman, JF; Bains, RK; Rahfeld, P; Withers, SG (2022) Carbohydrate-active enzymes (CAZymes) in the gut microbiome, Nature Reviews Microbiology. Disponível em: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35347288/

Schloss, PD; Handelsman, J (2005) Metagenomics for studying unculturable microorganisms: cutting the Gordian knot, Genome Biology, v. 6, n. 8. Disponível em: https://link.springer.com/article/10.1186/gb-2005-6-8-229

 CNPEM (2023) Intestino de capivaras guarda enzimas valiosas para biotecnologia, Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais. Disponível em: https://cnpem.br/intestino-de-capivaras-guarda-enzimas-valiosas-para-biotecnologia/

 Universidade de São Paulo – USP (2023) IFSC estuda o uso de enzimas na criação de combustíveis mais sustentáveis. Disponível em: https://www5.usp.br/noticias/meio-ambiente/ifsc-estuda-o-uso-de-enzimas-na-criacao-de-combustiveis-mais-sustentaveis/

Schloss, PD; Handelsman, J (2005) Metagenomics for studying unculturable microorganisms: cutting the Gordian knot, Genome Biology, v. 6, n. 8. Disponível em: https://link.springer.com/article/10.1186/gb-2005-6-8-229

Autoria

Sou Mayllon Emmanoel Pequeno, aluno do programa de pós-graduação em Genética e Biologia Molecular da Unicamp e Pesquisador Colaborador no Laboratório Nacional de Biorrenováveis (LNBR) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), onde faço minha pesquisa de doutorado. Meu projeto utiliza de bioinformática, metagenômica e aprendizado de máquina para identificar e investigar, na biodiversidade brasileira, microrganismos e enzimas com potenciais aplicações biotecnológicas. 

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