Como a via ReForm transforma CO2 em acetil-CoA para reciclagem de carbono

Cientistas estão encontrando maneiras de transformar a poluição industrial por CO2 nos próprios ingredientes usados para fabricar produtos do dia a dia, como plásticos e medicamentos.

Em vez de deixar o dióxido de carbono reter calor na atmosfera, essa tecnologia passa a tratar o gás como uma caixa de “LEGOs de carbono”, capaz de ajudar a construir um futuro mais sustentável.

A via ReForm

Para isso, pesquisadores criaram e batizaram a Reductive Formate Pathway - conhecida como via ReForm - com o objetivo de converter CO2 em acetil-CoA fora de células vivas.

O acetil-CoA é uma molécula pequena, mas indispensável, que as células usam para transformar alimento em energia. Quando o corpo decompõe carboidratos, gorduras e proteínas, grande parte desses produtos intermediários acaba convergindo para o acetil-CoA.

A partir daí, o acetil-CoA entrega um pequeno “pacote” químico - o grupo acetil - ao ciclo do ácido cítrico, onde as células o “queimam”.

Esse processo libera energia, e o organismo a captura para produzir ATP, a principal “moeda” energética que sustenta o trabalho celular.

O estudo mostra como é possível combinar enzimas projetadas, fontes de carbono obtidas com eletricidade e sistemas sem células para reciclar CO2 em blocos químicos úteis. Ao mesmo tempo, essa abordagem evita limitações típicas de organismos vivos e aponta caminhos para produzir materiais com menor pegada de carbono.

Convertendo CO2 em acetil-CoA

O trabalho foi liderado por Ashty Karim, Ph.D., na Northwestern University, e contou com colaboradores da Stanford University, que ajudaram a montar a via.

A linha de pesquisa de Karim se concentra em desenhar rotas enzimáticas para reciclagem de carbono - um foco que também torna a via ReForm mais fácil de otimizar.

“A liberação sem controle de CO2 causou muitos desafios sociais e económicos urgentes para a humanidade”, disse Ashty Karim, da Northwestern.

“Se vamos enfrentar esse desafio global, precisamos urgentemente de novas rotas para uma fabricação de bens carbono-negativa.

Um arranjo sem células permite que os pesquisadores controlem diretamente cada ingrediente. A matéria-prima inicial é o formiato, um composto de carbono simples que permanece dissolvido em água e pode ser armazenado como líquido.

Como o formiato já carrega carbono e hidrogénio, as enzimas conseguem construir moléculas maiores ao formar ligações passo a passo. Isso só funciona de verdade quando as etapas seguintes operam com alta eficiência - exatamente o tipo de gargalo que a via ReForm procura resolver.

Transformando eletricidade em matéria-prima

Ao usar eletricidade para adicionar eletrões e alterar moléculas - processo chamado de redução eletroquímica - é possível transformar CO2 em formiato, que então pode servir como matéria-prima para enzimas.

As enzimas fazem a montagem seletiva porque proteínas “preferem” formas e ligações específicas. Em sistemas híbridos, energia intermitente poderia ser convertida em líquidos e sólidos armazenáveis, mas engenheiros ainda precisam equilibrar eficiência, custo e durabilidade.

Células vivas convertem muitos tipos de alimento em energia e componentes estruturais; ainda assim, a maioria tem dificuldade em usar formiato como principal fonte de carbono.

Além de processar o formiato, a célula precisa manter a própria sobrevivência - e esse jogo de equilíbrio limita quanto carbono chega, de facto, às moléculas de produto.

“ReForm pode usar prontamente diversas fontes de carbono, incluindo formiato, formaldeído e metanol”, disse Michael Jewett, da Stanford, que co-liderou o estudo com Karim.

“Esta é a primeira demonstração de uma arquitetura de via metabólica sintética capaz de fazer isso. Ao combinar eletroquímica e biologia sintética, a via ReForm também amplia as soluções possíveis para estratégias generalizáveis de fixação de CO2.”

Triagem rápida encontra enzimas funcionais

Identificar as variantes corretas de enzimas - versões de proteínas levemente diferentes, obtidas ao alterar aminoácidos - exigiu testes rápidos fora de células.

Com extratos sem células, a equipa avaliou 66 enzimas candidatas, vindas de várias espécies, e então manteve apenas as de melhor desempenho.

Ter controlo em bancada acelera a prototipagem, mas cada “receita” ainda precisa de ajuste fino: níveis de enzimas e moléculas auxiliares influenciam diretamente o rendimento.

A rota exigiu reações não naturais, isto é, etapas químicas que não aparecem em nenhum organismo, para construir a cadeia de carbono “para cima” a partir do formiato.

Os pesquisadores redesenharam cinco enzimas para que, em sequência, cada uma capture um fragmento de carbono ou o reduza, e depois o transfira para a etapa seguinte.

“Normalmente, as pessoas testam um punhado de enzimas, e isso leva meses ou mais”, disse Karim.

Acetil-CoA e a via ReForm

Por que desenhar primeiro uma via metabólica - uma cadeia de reações enzimáticas que transforma moléculas em etapas - antes mesmo de colocar enzimas em um tubo?

Na via ReForm, seis etapas convertem formiato em acetil-CoA ao adicionar carbono e movimentar eletrões com a ajuda de moléculas auxiliares.

Como o acetil-CoA alimenta muitas reações de crescimento e armazenamento, alcançar esse ponto cria uma plataforma flexível para produzir diversos outros químicos.

Muitas enzimas dependem de um cofator, uma molécula auxiliar necessária para certas etapas químicas, que ajuda a transferir eletrões e manter a atividade.

Ao ajustar as quantidades de cofatores e as cargas de enzimas, os autores aumentaram as taxas de reação - algo importante quando várias etapas competem pelo mesmo “pool” de recursos.

Esses ajustes são simples em um tubo de ensaio, porém ficam mais difíceis de controlar em reatores maiores, onde existem limitações de aquecimento e mistura.

Em busca de soluções para o carbono

Atividades humanas aqueceram a Terra em cerca de 1,1 °C desde 1850–1900, e esse aumento torna urgente reciclar CO2.

Cientistas só consideram um processo como carbono-negativo - removendo mais CO2 do que emite - quando o consumo de energia permanece baixo ao longo de captura e produção.

Avaliações de ciclo de vida somam emissões associadas à eletricidade e aos equipamentos e, então, indicam se a manufatura baseada na ReForm realmente reduz gases de efeito estufa.

Próximos passos para o reaproveitamento de carbono

Uma fixação de carbono mais eficiente - converter CO2 em moléculas orgânicas - depende de reações rápidas, com pouco desperdício de energia.

A equipa de Karim pretende melhorar o desempenho das enzimas e investigar rotas alternativas, já que pequenos ganhos em cada etapa podem se acumular.

“Daqui, podemos imaginar este trabalho seguindo em algumas direções diferentes”, disse Karim.

Em conjunto, a via ReForm ilustra como enzimas projetadas podem converter carbono capturado em blocos de construção comuns sem recorrer a organismos vivos.

O avanço, daqui para a frente, vai depender de eletricidade limpa, enzimas duráveis e uma contabilização rigorosa que comprove que todo o processo remove mais carbono do que adiciona.