A fronteira entre biologia e química sintética acaba de avançar mais um passo. Uma equipe de cientistas da China desenvolveu um método inovador para construir enzimas artificiais diretamente no interior de células vivas, permitindo que microrganismos realizem reações químicas que nunca existiram na natureza. O trabalho, publicado na revista Nature Communications, nesta quinta-feira (2), abre caminho para novas plataformas de produção de medicamentos, compostos bioativos e moléculas sintéticas de elevado valor industrial.

O estudo, intitulado Intracellular assembly of artificial enzymes for cytoplasmic enantioselective Mannich reactions, foi conduzido por pesquisadores da Jiangnan University, da Xiamen University e da Shandong First Medical University, sob coordenação dos químicos Zhi Zhou e Binju Wang.

As enzimas são os catalisadores naturais da vida, acelerando reações bioquímicas essenciais. Entretanto, muitas transformações químicas importantes para a indústria farmacêutica simplesmente não possuem equivalentes naturais. Por décadas, cientistas tentaram projetar enzimas artificiais capazes de executar essas reações inéditas, mas reproduzir esse processo dentro de células vivas era um desafio quase intransponível.

A equipe chinesa superou esse obstáculo ao introduzir um cofator sintético que atravessa a membrana celular e se liga seletivamente a proteínas específicas, formando uma nova classe de enzimas artificiais diretamente no citoplasma das bactérias.

“Estabelecemos uma estratégia versátil e generalizável para construir enzimas artificiais em ambientes celulares”, afirmam os autores no artigo.

O grande feito do estudo foi realizar uma reação de Mannich assimétrica dentro de células vivas. Essa reação é um dos métodos mais importantes da química orgânica para construir ligações carbono-carbono e gerar compostos ?-amino carbonílicos, estruturas presentes em diversos medicamentos e produtos naturais.

Até agora, apenas um número muito limitado de enzimas naturais era capaz de realizar reações semelhantes. A nova enzima artificial mostrou desempenho excepcional.

Após sucessivas etapas de evolução dirigida, os pesquisadores obtiveram uma variante enzimática capaz de atingir: até 96% de excesso enantiomérico (e.e.); 99% de rendimento químico; mais de 20:1 de seletividade diastereomérica e produção de 28 diferentes compostos quirais.

Os resultados superam amplamente o desempenho observado nas primeiras versões da enzima, que apresentavam apenas 58% de excesso enantiomérico e 58% de rendimento.

Segundo os autores, a eficiência catalítica também aumentou significativamente. O parâmetro cinético kcat/KM elevou-se em aproximadamente 1,7 vez, passando de 25,7 para 41,5 M - 1 s- 1 após a otimização da proteína.

Talvez o aspecto mais impressionante do estudo seja sua escalabilidade.

Os pesquisadores demonstraram que as bactérias contendo as enzimas artificiais podem ser reutilizadas em ciclos sucessivos de produção química. Em um experimento de preparação em larga escala, um sistema de 800 mililitros produziu: 1,06 grama de produto quiral puro; 97% de rendimento isolado e 90% de excesso enantiomérico.

A equipe também mostrou que as células podem ser liofilizadas e armazenadas em forma de pó, funcionando posteriormente como verdadeiros “catalisadores biológicos de prateleira”, com rendimento de 99% e seletividade de 93%.

Para os autores, trata-se de uma das aplicações mais extensas já demonstradas de enzimas artificiais em sistemas de catálise celular.

Além dos experimentos laboratoriais, o estudo combinou cristalografia de proteínas, simulações de dinâmica molecular e cálculos quânticos para compreender como a enzima controla a formação dos produtos.

As análises revelaram que apenas uma das quatro possíveis orientações dos reagentes dentro da cavidade proteica leva à formação eficiente do produto desejado. O passo inicial da formação da ligação carbono-carbono exige uma barreira energética relativamente baixa, de apenas 5,2 kcal/mol, enquanto a etapa de hidrólise subsequente apresenta uma barreira de 20,4 kcal/mol, sendo provavelmente a etapa limitante da reação.

A pesquisa insere-se em um movimento crescente da ciência de expandir o repertório químico da vida, permitindo que organismos produzam substâncias que jamais surgiram ao longo da evolução biológica.

“O trabalho oferece uma rota promissora para construir novas vias biossintéticas híbridas em organismos vivos”, escrevem os autores.

Especialistas da área acreditam que a abordagem poderá acelerar o desenvolvimento de fármacos, agroquímicos e novos materiais, reduzindo custos e impactos ambientais associados à síntese química tradicional.

Ao demonstrar que células podem ser programadas para executar reações totalmente artificiais com alta precisão estereoquímica, o estudo aproxima a ciência de um cenário antes restrito à ficção científica: organismos vivos funcionando como fábricas moleculares capazes de produzir, sob demanda, praticamente qualquer composto químico imaginável.