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Para onde o mundo vai

Estamos dominando as enzimas para que façam um trabalho melhor para nós

standret/ Freepik
Imagem: standret/ Freepik
Daniel Schultz, Monica Matsumoto, Shridhar Jayanthi, Guilherme Pimentel , Luiz Gustavo Martins e Cristina Schultz

sobre os colunistas

Daniel Schultz é cientista, professor de microbiologia e membro do núcleo de ciências computacionais em Dartmouth (EUA). Estuda a dinâmica dos processos celulares, com foco na evolução de bactérias resistentes a antibióticos. É formado em engenharia pelo ITA, doutor em química pela Universidade da Califórnia San Diego e pós-doutorado em biologia sistêmica em Harvard. Possui trabalhos de alto impacto publicados em várias áreas, da física teórica à biologia experimental, e busca integrar essas várias áreas do conhecimento para desvendar os detalhes de como funciona a vida ao nível microscópico.

Monica Matsumoto

Monica Matsumoto é cientista e professora de Engenharia Biomédica no ITA. Curiosa, tem interesse em áreas multidisciplinares e procura conectar pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É formada em engenharia pelo ITA, doutora em ciências pela USP e trabalhou em diferentes instituições como InCor/HCFMUSP, UPenn e EyeNetra.

Shridhar Jayanthi

Shridhar Jayanthi é agente de patentes com registro no escritório de patentes norte-americano (USPTO). Tem doutorado em engenharia elétrica pela Universidade de Michigan (EUA) e diploma de engenheiro de computação pelo ITA. Atualmente, trabalha com empresas de alta tecnologia para facilitar obtenção de patentes e, nas (poucas) horas vagas, é estudante de problemas na intersecção entre direito, tecnologia e sociedade. Antes disso, teve uma vida acadêmica com passagens pela Rice, MIT, Michigan, Pennsylvania e no InCor/USP, e trabalhou com pesquisa em áreas diversas da matemática, computação e biologia sintética.

Guilherme Pimentel

Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda, onde trabalha com novas teorias para explicar a expansão acelerada do Universo. Possui graduação em engenharia eletrônica, mestrado em física pelo ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) e doutorado em física na Universidade de Princeton. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas.

Luiz Gustavo Martins

Luiz Gustavo Martins é engenheiro químico, mestrado em física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é doutorando no MIT (Massachusetts Institute of Technology), na área de física do estado sólido experimental, onde trabalha espectroscopia óptica em materiais bidimensionais (com poucos átomos de espessura) e física de altas pressões.

Cristina Schultz

Cristina Schultz é oceanógrafa formada pela USP (Universidade de São Paulo), com mestrado em meteorologia pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e doutorado em oceanografia química pelo WHOI (Woods Hole Oceanographic Institution) e o MIT (Massachusetts Institute of Technology). Atualmente é cientista visitante na Universidade de Princeton, no NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Laboratório de Dinâmica de Fluidos Geofísicos). Sua pesquisa combina o uso de dados coletados em cruzeiros oceanográficos, dados de satélite e modelos climáticos para entender as consequências das mudanças climáticas na química do oceano e no ecossistema marinho.

Ricardo A. P. de Pádua*

02/02/2021 04h00

Você com certeza já sentiu indigestão depois de comer mais do que devia, e ficou até horas esperando seu corpo digerir toda a comida. Pois é, agora imagine que algumas reações químicas no seu corpo levariam até bilhões de anos para acontecer se não fosse por uma invenção da natureza: as enzimas.

Enzimas são minúsculas máquinas biológicas que aceleram reações químicas, ou seja, são catalisadores. Por isso, a humanidade as utiliza desde a antiguidade tal como na fermentação de açúcar em álcool e na coagulação do leite para produção de queijo.

Hoje em dia, estão presentes no sabão em pó para degradar proteínas e gorduras das manchas de comida; na fabricação de papel, reduzindo uso de substâncias perigosas como o cloro; e recentemente são utilizadas na degradação de plástico.

As enzimas, como todas as proteínas, são compostas de aminoácidos e são fabricadas com a aderência de um por vez como em uma corda de pisca-piscas de modo que cada luzinha corresponde a um dos 20 aminoácidos disponíveis na célula.

Diferentemente do emaranhado de luzes dos pisca-piscas depois do Natal, as enzimas se enovelam de uma forma ordenada.

A sequência de aminoácidos determina a estrutura final da enzima que, apesar de bem definida, não é rígida pois assim como nas máquinas, enzimas necessitam de partes móveis para funcionar.

Mas como elas funcionam?

Imagine duas pessoas em uma festa, elas não se conhecem, mas se atraem à primeira vista. Ambas estão à procura de um relacionamento, porém, são tímidas e a tomada de iniciativa de conversar com a outra requer transpor uma barreira, caso isso não aconteça elas estão fadadas a voltar sozinhas para casa.

Agora imagine que nessa mesma festa exista um espaçoso sofá de dois lugares: cada uma delas acomoda-se em uma das pontas e, de repente, esse sofá encolhe, aproximando-as. Dessa forma, a barreira diminui, elas conversam, se conectam e vão embora juntas e felizes. Quando o sofá volta ao estado original, a operação repete-se e novos casais tendem a se formar.

Em termos bioquímicos: as pessoas são os reagentes (ou substratos), e o sofá retrátil é a enzima que diminui a timidez (energia de ativação) ao colocar os substratos em uma posição mais favorável para a formação do produto (casal). Assim, a velocidade de formação de casais em uma festa com esse sofá é muito maior que em uma sem.

Quanto mais uma enzima diminui a energia de ativação, mais rápida é a reação.

No entanto, a maioria das enzimas utilizadas comercialmente é de origem natural como bactérias, fungos e plantas, e possui eficiência catalítica compatível com o metabolismo desses organismos, o que nem sempre é suficiente para atender as demandas industriais.

Então, como podemos acelerar uma enzima?

A evolução dirigida

Em 2018, a cientista Frances Arnold, da Caltech (Instituto de Tecnologia da Califórnia), ganhou o prêmio Nobel de Química por desenvolver um método chamado evolução dirigida de enzimas.

Essa técnica imita, em laboratório, a evolução que ocorre na natureza: alterando aleatoriamente a sequência de aminoácidos original, várias versões da enzima são produzidas, e a mais eficiente é detectada experimentalmente. Variações são introduzidas nessa nova sequência e o ciclo repete-se até que se obtenha uma enzima com as propriedades desejadas.

Usando esse método, a farmacêutica Merck desenvolveu uma enzima capaz de sintetizar diretamente o antidiabético sitagliptina substituindo reações químicas dependentes de altas pressões e metais pesados, como o ródio.

Porém, uma das dificuldades da evolução dirigida é o número gigantesco de sequências possíveis. Em uma enzima de 100 aminoácidos esse número é de 20 elevado a 100, ou seja, muito superior ao número de átomos estimado em todo o universo observável (10 elevado a 82), deixando o processo de otimização de uma enzima por evolução dirigida totalmente ao sabor da sorte.

Planejamento racional de enzimas

Seria muito mais eficiente se pudéssemos projetar enzimas como fazemos com máquinas, aviões e prédios: construindo modelos computacionais para simular suas propriedades antes de serem produzidas.

O chamado planejamento racional de enzimas começou na década de 1970 e para entendê-lo precisamos voltar à analogia do sofá.

Uma molécula numa reação química passa por um estágio intermediário entre ser substrato e virar produto, denominado estado de transição. É aquela situação: o casal está quase formado, mas sem a "química" eles voltam à solidão.

Como a estabilização do estado de transição está relacionada com a diminuição da energia de ativação que acelera reações químicas, para planejar uma enzima desenha-se o estado de transição da reação e coloca-se em seu redor os aminoácidos necessários para a catálise. Por último, inúmeras sequências são simuladas até obter a que melhor acomode o estado de transição.

Usando esse método, cientistas inventaram uma enzima capaz de catalisar uma reação química inexistente na natureza (chamada eliminação de Kemp), abrindo um precedente importante para aplicações industriais.

Com sucesso, a enzima chamada Kemp eliminase acelerou em um bilhão de vezes a formação do produto. Aplicando 17 ciclos de evolução dirigida (com uma mutação por ciclo), a Kemp eliminase foi ainda gradualmente otimizada até ficar 200 vezes mais veloz, o recorde para a reação.

A pergunta é: o que a evolução dirigida fez que o planejamento racional não conseguiu?

Em nosso laboratório, descobrimos que a Kemp eliminase planejada computacionalmente, na verdade adota simultaneamente uma estrutura ativa, pronta para receber o substrato, e outra inativa, incapaz de catalisar a reação.

Explicamos que a evolução dirigida foi apenas favorecendo a forma ativa a cada ciclo. Também provamos que apenas duas das 17 mutações foram as responsáveis pelo ganho de velocidade, mostrando que a evolução nem sempre acha a solução mais simples para um problema.

Assim, delegar a tarefa de otimização de enzimas à loteria biológica não é o método mais eficiente. A engenharia de enzimas deve incorporar movimento aos modelos estáticos e entender a evolução na escala atômica.

Novas ferramentas de bioinformática como simulações de Monte-Carlo, trRosetta e AlphaFold 2 poderão, assim como as enzimas, acelerar a revolução biotecnológica nessa nova década.

* Ricardo A. P. de Pádua é farmacêutico-bioquímico e doutor em Ciências pela Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo (FCFRP-USP). Atualmente é pós-doutor do Howard Hughes Medical Institute na Brandeis University. Ricardo utiliza métodos biofísicos, como a cristalografia de raios-x, para descrever com resolução atômica desde o funcionamento de medicamentos até como a evolução ocorre.